全新倒装芯片封装技术

章市场趋势：过去、现在和将来1
1.1倒装芯片技术及其早期发展2
1.2晶圆凸点技术概述2
1.3蒸镀3
1.3.1模板印刷3
1.3.2电镀4
1.3.3焊坝4
1.3.4预定义结构外电镀6
1.4晶圆凸点技术总结6
1.5倒装芯片产业与配套基础架构的发展7
1.6倒装芯片市场趋势9
1.7倒装芯片的市场驱动力11
1.8从M到SAT的转移13
1.9环保法规对下填料、焊料、结构设计等的冲击16
1.10贴装成本及其对倒装芯片技术的影响16
参考文献16
第2章技术趋势：过去、现在和将来17
2.1倒装芯片技术的演变18
2.2一级封装技术的演变20
2.2.1热管理需求20
2.2.2增大的芯片尺寸20
2..对有害物质的限制21
2.2.4RoHS指令与遵从成本
2.2.5Sn的选择
2.2.6焊料空洞24
2.2.7软错误与阿尔法辐25
.一级封装面临的挑战26
..1弱BEOL结构26
..2C4凸点电迁移27
..Cu柱技术28
2.4IC技术路线图28
2.53D倒装芯片系统级封装与IC封装系统协同设计31
2.6PoP与堆叠封装32
2.6.1嵌入式芯片封装34
2.6.2折叠式堆叠封装34
2.7新出现的倒装芯片技术35
2.8总结37
参考文献37
第3章凸点制作技术40
3.1引言41
3.2材料与工艺41
3.3凸点技术的进展57
3.3.1低成本焊锡凸点工艺57
3.3.2纳米多孔互连59
3.3.3倾斜微凸点59
3.3.4细节距压印凸点60
3.3.5液滴微夹钳焊锡凸点60
3.3.6碳纳米管（CNT）凸点62
参考文献63
第4章倒装芯片互连：过去、现在和将来66
4.1倒装芯片互连技术的演变67
4.1.1高含铅量焊锡接点68
4.1.2芯片上高含铅量焊料与层压基板上共晶焊料的接合68
4.1.3无铅焊锡接点69
4.1.4铜柱接合70
4.2组装技术的演变71
4.2.1晶圆减薄与晶圆切割71
4.2.2晶圆凸点制作72
4..焊剂及其清洗74
4.2.4回流焊与热压键合75
4.2.5底部填充与模塑76
4.2.6质量保措施78
4.3C4NP技术79
4.3.1C4NP晶圆凸点制作工艺79
4.3.2模具制作与焊料转移81
4.3.3改进晶圆凸点制作良率81
4.3.4C4NP的优点：对多种焊料合金的适应3
4.4Cu柱凸点制作83
4.5基板凸点制作技术86
4.6倒装芯片中的无铅焊料90
4.6.1无铅焊料的能91
4.6.2固化、微结构与过冷现象93
4.7倒装芯片中无铅焊料的界面反应93
4.7.1凸点下金属化层93
4.7.2板属化层95
4.7.3无铅焊锡接点的界面反应96
4.8倒装芯片互连结构的可靠9
4.8.1热疲劳可靠9
4.8.2跌落冲击可靠99
4.8.3芯片封装相互作用：组装中层间电介质开裂101
4.8.4电迁移可靠104
4.8.5锡疫109
4.9倒装芯片技术的发展趋势109
4.9.1传统微焊锡接点110
4.9.2金属到金属的固态扩散键合113
4.10结束语114
参考文献115
第5章倒装芯片下填料：材料、工艺与可靠1
5.1引言124
5.2传统下填料与工艺125
5.3下填料的材料表征127
5.3.1差示扫描量热法测量固化特127
5.3.2差示扫描量热法测量玻璃转化温度129
5.3.3采用热机械分析仪测量热膨胀系数130
5.3.4采用动态机械分析仪测量动态模量131
5.3.5采用热重力分析仪测量热稳定133
5.3.6弯曲实验133
5.3.7黏度测量133
5.3.8下填料与芯片钝化层粘接强度测量134
5.3.9吸湿率测量134
5.4下填料对倒装芯片封装可靠的影响134
5.4.1钝化层的影响136
5.4.2黏附退化与85/85时效时间137
5.4.3采用偶联剂改善粘接的水解稳定140
5.5底部填充工艺面临的挑战141
5.6非流动型下填料143
5.7模塑底部填充148
5.8晶圆级底部填充149
5.9总结153
参考文献154
第6章导电胶在倒装芯片中的应用159
6.1引言160
6.2各向异导电胶/导电膜160
6.2.1概述160
6.2.2分类160
6..胶基体161
6.2.4导电填充颗粒161
6.2.5ACA/ACF在倒装芯片中的应用162
6.2.6ACA/ACF互连的失效机理167
6.2.7纳米ACA/ACF进展168
6.3各向同导电胶173
6.3.1引言173
6.3.2ICA在倒装芯片中的应用178
6.3.3ICA在封装中的应用184
6.3.4ICA互连点的高频能17
6.3.5ICA互连点的可靠19
6.3.6纳米ICA的进展191
6.4用于倒装芯片的非导电胶194
6.4.1低热膨胀系数NCA194
6.4.2NCA在细节距柔基板芯片封装中的应用196
6.4.3快速固化NCA196
6.4.4柔电路板中NCA与ACA对比197
参考文献197
第7章基板技术205
7.1引言206
7.2基板结构分类207
7.2.1顺序增层结构207
7.2.2Z向堆叠结构208
7.3顺序增层基板208
7.3.1工艺流程208
7.3.2导线210
7.3.3微通孔217
7.3.4焊盘225
7.3.5芯片封装相互作用1
7.3.6可靠
7.3.7历史里程碑245
7.4Z向堆叠基板248
7.4.1采用图形转移工艺的Z向堆叠基板248
7.4.2任意层导通孔基板249
7.4.3埋嵌元件基板250
7.4.4PTFE材料基板253
7.5挑战254
7.5.1无芯基板254
7.5.2沟槽基板255
7.5.3超低热膨胀系数基板257
7.5.4堆叠芯片基板258
7.5.5光波导基板260
7.6陶瓷基板261
7.7路线图262
7.7.1日本与信息技术工业协会路线图262
7.7.2国际半导体技术路线图263
7.8总结264
参考文献264
第8章IC封装系统集成设计266
8.1集成的芯片封装系统268
8.1.1引言268
8.1.2设计探索269
8.1.3模拟与分析决策273
8.1.4ICPS设计问题274
8.2去耦电容插入276
8.2.1引言276
8.2.2电学模型278
8..阻抗矩阵及其增量计算280
8.2.4噪声矩阵282
8.2.5基于模拟退火算法的去耦电容插入282
8.2.6基于灵敏度分析算法的去耦电容插入286
8.3TSV 3D堆叠296
8.3.13D IC堆叠技术296
8.3.2挑战298
8.3.3解决方法302
8.4总结316
参考文献316
第9章倒装芯片封装的热管理3
9.1引言324
9.2理论基础325
9.2.1传热理论325
9.2.2电热类比模型327
9.3热管理目标328
9.4芯片与封装水平的热管理330
9.4.1热管理示例330
9.4.2芯片中的热点331
9.4.3热管理方法336
9.5系统级热管理338
9.5.1热管理示例338
9.5.2热管理方法340
9.5.3新型散热技术348
9.6热测量与37
9.6.1封装温度测量358
9.6.2温度测量设备与方法358
9.6.3温度测量标准359
9.6.4简化热模型359
9.6.5有限元/计算流体力学30
参考文献362
0章倒装芯片封装的热机械可靠367
10.1引言368
10.2倒装芯片组件的热变形369
10.2.1连续层合板模型370
10.2.2自由热变形371
10..基于双层材料平板模型的芯片应力评估372
10.2.4芯片封装相互作用化374
10.2.5总结377
10.3倒装芯片组装中焊锡凸点的可靠377
10.3.1焊锡凸点的热应变测量377
10.3.2焊锡材料的本构方程378
10.3.3焊锡接点的可靠384
10.3.4下填料粘接强度对焊锡凸点可靠的影响387
10.3.5总结389
参考文献389
1章倒装芯片焊锡接点的界面反应与电迁移391
11.1 引言392
11.2无铅焊料与基板的界面反应393
11.2.1回流过程中的溶解与界面反应动力学393
11.2.2无铅焊料与Cu基焊盘的界面反应397
11..无铅焊料与镍基焊盘的界面反应398
11.2.4贯穿焊锡接点的Cu和Ni交叉相互作用403
11.2.5与活泼元素的合金化效应405
11.2.6小焊料体积的影响409
11.3倒装芯片焊锡接点的电迁移412
11.3.1电迁移基础413
11.3.2电流对焊料的作用及其引发的失效机理415
11.3.3电流对凸点下金属化层（UBM）的作用及其引发的失效机理421
11.3.4倒装芯片焊锡接点的平均无故障时间426
11.3.5减缓电迁移的策略429
11.4新问题431
参考文献431
附录439
附录A量度单位换算表440
附录B缩略语表443

汪正平（CP Wong）教授，美国工程院院士、外籍院士，被誉为“现代半导体封装之父”。现任深圳优选技术研究院封装材料方向首席科学家、香港中文大学工学院院长、美国佐治亚理工学院封装中心副主任、校董事教授，是佐治亚理工学院的两个chair professor之一。靠前电气协会会士（IEEE Fellow）、美国贝尔实验室不错会士(Fellow)。他拥有50多项美国，发表了1000多篇文章，独自或和他人一起出版了10多本专著。他曾多次获靠前电气协会、制造工程学会、贝尔实验室、美国佐治亚理工学院等颁发的特殊贡献奖。汪正平院士长期从事封装研究，因几十年来在该领域的开创贡献，被IEEE授予封装领域不错荣誉奖——IEEE元件、封装和制造技术奖，获得业界普遍认可。 汪正平院士是塑封技术的开拓者之一。他创新地采用硅树脂对栅控二极管交换机（GDX）进行封装研究，实现利用聚合物材料对GDX结构的密封等效封装，显著提高封装可靠，此塑封技术克服了传统陶瓷封装重量大、工艺复杂、成本高等问题，被Intel、IBM等全面推广，目前塑封技术占世界集成电路封装市场的95%以上。他还解决了长期困扰封装界的导电胶与器件界面接触电阻不稳定问题，该创新技术在Henkel（汉高）等公司的导电胶产品中使用至今。汪院士在业界抢先发售研发了无溶剂、高Tg的非流动底部填充胶，简化倒装芯片封装工艺，提高器件的优良率和可靠，被Hitachi（日立）等公司长期使用。

译序 当前，全球已经步入信息化时代，信息技术极大地改变了人类的生活和工作方式，并成为体现一个综合国力的重要标志之一。半导体集成电路技术作为信息技术的基石，也由此成为颇具创新力和融合力的发展领域。目前，在全球范围内已经形成了集成电路设计、制造和封装测试三大产业链，成为半导体集成电路产业不可或缺的三大产业支柱。 随着信息技术的飞展，对产品的小型化、多功能、高可靠和低成本等提出了越来越高的要求。为了满足这些要求，封装技术也正经历着日新月异的发展，涌现出诸多的封装技术。其中，倒装芯片封装作为主流的封装技术之一，具有低成本、高能和可靠的优点，已经广泛应用于计算机、通讯、消费类等产品中。而随着产品集成度的不断提高，以及消费者对产品能、尺寸、成本的需求，未来倒装芯片封装技术仍将持续快展。 为了适应我国封装产业的发展，满足广大封装工程技术人员的迫切需求，中国学会制造与封装技术分会成立了“封装技术丛书”编辑委员会，组织丛书的编译工作。近年来，编委会已先后组织编写、翻译出版了《集成电路试验手册》(1998年工业出版社出版)、《微封装手册》(2001年工业出版社出版)、《微封装技术》(2003年中国科学技术大学出版社出版）、《封装材料与工艺》(2006年化学工业出版社出版)、《MEMS／MOEMS封装技术》(2008年化学工业出版社出版)、《封装工艺设备》(2012年化学工业出版社出版)、《封装与可靠》(2012年化学工业出版社出版)、《系统级封装导论》(2014年化学工业出版社出版)、《三维封装的硅通孔技术》(2014年化学工业出版社出版)共九本书籍。《倒装芯片封装技术》一书是这一系列丛书中第十本。 本书译自日月光集团公司Ho-Ming Tong、Yi-Shao Lai和香港中文大学C．P．Wong院士主编并于2013年出版的专著《Advanced Flip Chip Packaging》，该书内容涵盖了倒装芯片封装技术的发展历史和趋势，重点讨论了凸点制作技术、基板技术、封装材料、IC封装系统集成设计、热管理技术、热机械可靠以及焊点的界面反应与电迁移问题等。该书对从事封装及相关行业的科研、生产、应用工作者都会有较高的使用价值，对高等院校相关专业的师生也具有一定的参考意义。 我相信本书中译本的出版发行将对我国封装行业的发展起到积极的推动作用。在本书翻译过程中，秦飞教授、于大全博士做了许多工作，在此表示诚挚的谢意。同时，我也向北京工业大学参与组织该书翻译的全体师生及化学工业出版社工作人员，表示衷心的感谢! 译者的话 十几年前，倒装芯片封装技术由于成本较高，只用于如大型机和工作站之类的高端、高能产品。但是，今天低成本、高可靠的倒装芯片封装在计算机、通信、消费类和汽车等产品中的应用激增，而且，未来对倒装芯片的需求将进一步增长，以满足消费者对能、尺寸、成本和环境兼容等永不满足的需求。特别是对于手机、便携式电脑等移动产品，随着系统级功能集成加速，倒装芯片封装技术的发展也将加速。 然而，与10年前相比，今天的倒装芯片封装技术已发生较大变化，这些变化主要来自以下几个方面：（1）随着摩尔定律芯片的介电层从非低k演进到低k、超低k，以及技术节点从45nm转向32nm及以下，使得芯片-封装相互作用问题突出，必须在产品量产以前加以解决。另外，随着系统级功能集成进程加速，要求芯片、封装、模组、板级/系统级采用更细的节距，甚至在特定应用中采用具有更细节距的大尺寸倒装芯片。这些技术驱动促使倒装芯片的基板、下填料、互连、设计、和可靠设计等技术持续演进。（2）环保驱动。欧共体颁布的RoHS强制标准促使倒装芯片封装技术采用绿色环保材料和工艺。（3）成本驱动。在当今消费时代，为取得价格优势，制造商不得不开发低成本的倒装芯片结构、工艺、材料和设备。 由于倒装芯片技术的快展，国内企业技术人员和研究机构的研究人员亟须一本能反映倒装芯片封装技术进展的新书。然而，中文版的倒装芯片封装技术类的图书少之又少。10年前，化学工业出版社出版了刘汉诚（John H. Lau）博士编写的《低成本倒装芯片技术》中译本（2006年4月版），此后再没有出版过介绍国外倒装芯片封装技术的专著。 由日月光集团公司Ho-Ming Tong、 Yi-Shao Lai和香港中文大学C.P.Wong院士主编并于2013年出版的专著《Advanced Flip Chip Packaging》就是这样一本书。该书由行业内20多位知名专家撰写而成，涵盖了与倒装球栅阵列和倒装晶圆级封装相关技术的过去、现在和将来的演变趋势，为封装领域的技术研发人员和研究人员提供了完整的、的信息。 为满足国内企业技术人员和科研人员的需要，中国学会制造与封装技术分会、《封装技术丛书》编辑委员会组织了英文版专著《Advanced Flip Chip Packaging》的翻译工作。全书由北京工业大学封装技术与可靠研究所秦飞、别晓锐、安彤主译，陈沛、武伟、陈思、史戈、孙敬龙、赵静毅、周琳丰、张理想、马瑞等参与了翻译工作。全书由秦飞教授统稿，并邀请天水华天科技股份有限公司封装技术研究院院长于大全博士、半导体所段瑞飞博士对译文进行了认真审阅和校正。《封装技术丛书》编辑委员会主任克允教授对翻译工作给予了大力支持和精心指导。 本书在翻译过程中，力求准确再现英文版的技术细节，并在认真核对的基础上，对英文版中的个别地方进行了补漏。考虑到书中大量使用缩略语，中文版以附录形式增加了缩略语表。 由于水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。 译者