集成电路封装可靠性技术

　　集成电路被称为电子产品的"心脏”，是所有信息技术产业的核心；集成电路封装技术是将集成电路"打包”的技术，已成为"后摩尔时代”的重要技术手段；集成电路封装可靠性技术是集成电路乃至电子整机可靠性的基础和核心。集成电路失效，约一半是由封装失效引起的，封装可靠性已成为人们普遍关注的焦点。本书在介绍集成电路封装技术分类和封装可靠性表征技术的基础上，分别从塑料封装、气密封装的产品维度和热学、力学的应力维度，描述了集成电路封装的典型失效模式、失效机理和物理特性；结合先进封装结构特点，介绍了与封装相关的失效分析技术和质量可靠性评价方法；从材料、结构和应力三个方面，描述了集成电路的板级组装可靠性。本书旨在为希望了解封装可靠性技术的人们打开一扇交流的窗口，在集成电路可靠性与电子产品可靠性之间搭建一座沟通的桥梁。 本书主要供从事电子元器件、电子封装，以及与电子整机产品研究、设计、生产、测试、试验相关的工程技术人员及管理人员阅读，也可作为各类高等院校相关专业的教学参考书

　　周斌，博士，工业和信息化部电子第五研究所研究员，国家级重点实验室副总工程师，国防科工局优秀中青年，中国电子学会优秀科技工作者。主要从事裸芯片KGD、先进封装及微系统可靠性和热管理技术研究。承担国家核心产品攻关重大专项、国防基础科研重点项目、预研、质量攻关等项目20余项，研制开发了多通道互联电阻在线监测系统、多热源红外发射率校正及测温系统和可靠性仿真评价软件等5台/套软硬件成果。获国防科技进步二等奖4项，国防科技创新团队奖和中国电子信息科技创新团队奖各1项，发表SCI/EI论文49篇，授权发明专利8项，合作出版编著2本，译著1本。

第1章 集成电路封装技术及可靠性概述 1
1.1　封装技术发展概况 1
1.1.1 集成电路封装功能 1
1.1.2 集成电路常见封装类型 2
1.1.3 集成电路封装技术发展趋势 10
1.2　封装技术与可靠性的关系 17
1.2.1 封装热性能与可靠性 17
1.2.2 封装机械性能与机械环境适应性 18
1.2.3 封装气密性与潮湿环境适应性 18
1.2.4 封装材料与电磁干扰 19
1.2.5 封装材料与抗辐射性能 20
1.3　封装可靠性技术及其发展 21
1.3.1 集成电路封装可靠性 21
1.3.2 集成电路封装失效机理研究 22
1.3.3 集成电路封装可靠性技术发展 23
参考文献 26
第2章 集成电路封装物理特性及可靠性表征 29
2.1　物理特性表征及标准要求 29
2.1.1 常规物理特性 29
2.1.2 特殊物理特性 47
2.1.3 锡须生长特性 49
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2.2　可靠性表征及标准要求 52
2.2.1 封装失效率 52
2.2.2 封装耗损寿命 54
2.2.3 失效率和寿命标准要求 55
2.3　环境适应性表征及标准要求 57
2.3.1 高温环境适应性 57
2.3.2 温变环境适应性 57
2.3.3 机械环境适应性 57
2.3.4 环境适应性标准要求 58
参考文献 60
第3章 塑料封装的失效模式、失效机理及可靠性 62
3.1　塑料封装的可靠性概述 62
3.2　塑料封装的失效模式和失效机理 63
3.2.1 塑封料相关的失效模式和失效机理 63
3.2.2 封装界面相关的失效模式和失效机理 65
3.2.3 倒装封装相关的失效模式和失效机理 67
3.2.4 键合退化相关的失效模式和失效机理 67
3.3　塑料封装的检测分析 73
3.3.1 模塑料的检测分析 73
3.3.2 封装界面分层的检测方法 76
3.3.3 封装界面热阻及芯片红外热成像检测方法 81
3.3.4 封装微变形检测技术 82
3.4　应力和可靠性 86
3.4.1 塑料封装的湿-热-机械可靠性 86
3.4.2 SiP封装的应力和可靠性 98
3.4.3 WLCSP封装的应力和可靠性 99
3.5　塑料封装典型失效案例 103
3.5.1 湿气侵入导致的腐蚀 103
3.5.2 高温导致的孔洞及键合退化 104
参考文献 105
第4章 气密封装的失效模式、失效机理及可靠性 108
4.1　气密封装的结构特点 108
4.2　气密封装的失效模式和失效机理 110
4.2.1 粒子污染 111
4.2.2 热-机械应力 111
4.2.3 水汽/气体吸收 113
4.3　气密封装的性能检测 114
4.3.1 气密性的检测 114
4.3.2 键合性能的检测 117
4.3.3 多余物的检测 119
4.3.4 其他性能检测 119
4.4　应力和可靠性 121
4.4.1 气密封装可靠性评价方法 122
4.4.2 潮湿与温度综合载荷下的气密性退化特征 124
4.4.3 高温载荷下粘接剂释气规律 125
4.4.4 高频振动载荷下的脆性断裂 127
4.5　气密封装典型失效案例 128
4.5.1 HIC金属-玻璃封接界面间歇渗漏退化机理分析 128
4.5.2 气密盖板的随机振动非接触在线监测 130
参考文献 133
第5章 3D封装的失效模式、失效机理及可靠性 136
5.1　3D封装的发展历程与主流技术 136
5.2　3D封装的主要结构特征 138
5.2.1 3D芯片叠层结构 138
5.2.2 3D封装叠层结构 141
5.2.3 3D TSV封装结构 142
5.3　3D封装的失效模式和失效机理 143
5.3.1 3D封装常见失效模式 143
5.3.2 3D封装失效机理 150
5.4　3D封装技术的可靠性 151
5.4.1 3D芯片叠层技术的可靠性 151
5.4.2 3D封装叠层技术的可靠性 153
5.4.3 3D TSV封装技术的可靠性 159
5.5　3D封装典型失效案例 168
5.5.1 CoWoS 3D封装结构失效案例 168
5.5.2 扇出型封装失效案例 172
5.5.3 TSV结构失效案例 175
参考文献 180
第6章 集成电路封装热性能及分析技术 185
6.1　集成电路热效应 185
6.1.1 集成电路热问题 185
6.1.2 集成电路热效应分类 186
6.2　封装热分析理论基础 189
6.2.1 热传导 189
6.2.2 对流换热 191
6.2.3 辐射换热 192
6.3　热致封装相关失效模式 193
6.3.1 温度与器件封装失效的相关性 194
6.3.2 热失配引起的开裂失效 195
6.3.3 热疲劳引起的开裂失效 197
6.3.4 高温引起的蠕变失效 197
6.3.5 高温引起的互连退化失效 198
6.3.6 芯片过热烧毁 200
6.4　集成电路封装主要热性能 201
6.4.1 稳态热阻 202
6.4.2 热特性参数 207
6.4.3 瞬态热阻抗 209
6.4.4 比热容与结构函数 212
6.4.5 主要热测试和分析标准 213
6.5　封装热分析技术 216
6.5.1 主要热分析方法及对比 216
6.5.2 电学法 218
6.5.3 红外法 220
6.5.4 拉曼散射法 223
6.5.5 热反射法 226
6.6　封装热性能的主要影响因素 228
6.6.1 封装材料 228
6.6.2 封装尺寸 228
6.6.3 芯片尺寸 229
6.6.4 器件热耗散量 229
6.6.5 气流速度 230
6.6.6 板的尺寸和热导率 231
6.7　微流道热特性及热管理 231
6.7.1 微流道技术及换热效率 232
6.7.2 微流道热管理 233
6.8　叠层芯片封装热分析及结温预测案例[62] 235
6.8.1 热测试叠层芯片及测试板设计 235
6.8.2 基于温敏电阻的叠层芯片温度测试 236
6.8.3 基于有限元仿真的叠层芯片热分析 238
6.8.4 叠层芯片温度预测模型及验证 240
参考文献 246
第7章 集成电路封装力学特性与试验 251
7.1　集成电路封装力学特性 251
7.1.1 封装各类力学问题 251
7.1.2 封装主要力学特性 252
7.1.3 封装力学失效及预防 257
7.2　集成电路封装力学试验 266
7.2.1 封装常规力学试验 266
7.2.2 封装新型力学试验 268
7.3　集成电路封装力学典型案例 273
7.3.1 封装盖板振动特性案例 273
7.3.2 高密度键合引线碰丝案例 279
参考文献 286
第8章 集成电路封装失效分析技术 288
8.1　封装失效分析的主要内容 288
8.2　封装失效分析程序 289
8.3　非破坏性失效分析技术 292
8.3.1 外观分析技术 292
8.3.2 X射线显微透视分析技术 294
8.3.3 扫描声学显微分析技术 296
8.3.4 粒子碰撞噪声检测技术 298
8.3.5 氦质谱检漏分析技术 299
8.4　破坏性失效分析技术 300
8.4.1 开封及显微制样技术 300
8.4.2 内部气氛分析技术 301
8.4.3 扫描电子显微分析技术 302
8.4.4 透射电子显微分析技术 303
8.4.5 聚焦离子束缺陷分析技术 306
8.5　3D封装失效分析新技术 308
8.5.1 3D X射线分析技术 308
8.5.2 磁显微分析技术 311
8.5.3 同步热发射分析技术 314
8.6　集成电路封装故障树分析 317
8.6.1 集成电路封装故障树分析方法 317
8.6.2 集成电路封装故障树分析应用 318
参考文献 320
第9章 集成电路封装质量和可靠性保证技术 325
9.1　封装质量检测与环境适应性要求 325
9.1.1 封装的质量检测要求 325
9.1.2 封装的环境适应性要求 329
9.2　质量与可靠性分析技术 333
9.2.1 破坏性物理分析 333
9.2.2 结构分析 339
9.2.3 假冒和翻新分析 342
9.3　加速寿命试验评估 350
9.3.1 集成电路产品的加速寿命试验方法 350
9.3.2 封装中常用的加速及失效模型 354
9.3.3 集成电路封装的加速寿命试验案例 356
参考文献 359
第10章 集成电路板级组装可靠性 361
10.1　板级组装工艺与可靠性 361
10.1.1 板级组装工艺的发展历程 362
10.1.2 主流SMT技术 363
10.1.3 板级组装可靠性的工艺影响因素 365
10.2　板级焊点的结构及可靠性 367
10.2.1 焊点结构特点分析 367
10.2.2 焊点结构与可靠性 370
10.3　板级焊点的材料及可靠性 379
10.3.1 有铅焊料组装的可靠性 379
10.3.2 无铅焊料组装的可靠性 382
10.3.3 混装焊料组装的可靠性 386
10.4　环境应力与板级组装可靠性 392
10.4.1 热应力与板级组装可靠性 392
10.4.2 机械应力与板级组装可靠性 395
10.4.3 电流应力与板级组装可靠性 399
10.4.4 耦合应力与板级组装可靠性 402
10.5　板级组装可靠性的试验评价 406
10.5.1 板级组装可靠性的试验评价方法 406
10.5.2 板级组装可靠性的评价及失效案例 411
参考文献 420
缩略语中英文对照表 424