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晶圆级芯片封装技术
作者：[美] 曲世春 [美] 刘勇
出版社：机械工业出版社
出版时间：2024-11-01
ISBN：9787111768166
定价：¥119.00
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内容简介
《晶圆级芯片封装技术》主要从技术和应用两个层面对晶圆级芯片封装（Wafer-Level Chip-Scale Package，WLCSP）技术进行了全面的概述，并以系统的方式介绍了关键的术语，辅以流程图和图表等形式详细介绍了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、硅通孔（TSV）、微机电系统（MEMS）和光电子应用等，并着重针对其在模拟和功率半导体方面的相关知识进行了具体的讲解。《晶圆级芯片封装技术》主要包括模拟和功率WLCSP的需求和挑战，扇入型和扇出型WLCSP的基本概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估，WLCSP的可堆叠封装解决方案，晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项，TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成的解决方案，WLCSP的热管理、设计和分析的关键主题，模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真，WLCSP器件的组装，WLCSP半导体的可靠性和一般测试等内容。《晶圆级芯片封装技术》可作为微电子、集成电路等领域工程技术人员的参考书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教学辅导书。
作者简介
Shichun Qu博士，于2007年加入美国加州圣克拉拉的国家半导体公司，参与了先进引线框架封装的开发、焊盘上高温引线键合金属化研究和生产鉴定，以及高引脚数WLCSP技术研究。2011年加入仙童半导体公司后，他大部分时间都致力于了解WLCSP芯片/PCB的相互作用，并微调WLCSP设计和凸点工艺，通过在更高引脚数下扩展使用低掩模数凸点技术来实现有竞争力的制造成本。Yong Liu博士，自2001年以来一直在美国仙童半导体公司工作，2008年起担任高级技术人员，目前是仙童半导体公司全球电气、热机械建模和分析团队的负责人。他的主要兴趣领域是先进的模拟和电力电子封装、建模和仿真、可靠性和组装工艺。他在期刊和会议上合作发表了170多篇论文，并在3D/Stack/TSV IC 和电力电子封装领域获得了45项美国专利。
目录
译者序
原书前言
致谢
作者简介
第1章 晶圆级芯片模拟和功率器件封装的需求和挑战 1
1.1 模拟和功率WLCSP需求 1
1.2 芯片收缩影响 2
1.2.1 芯片收缩产生的影响 2
1.2.2 晶圆级片上系统与系统级封装 3
1.3 扇入与扇出 3
1.4 功率WLCSP开发 4
1.4.1 与常规分立功率封装相比的晶圆级MOSFET 4
1.4.2 更高的载流能力 5
1.4.3 低Rds （on）电阻和更好的热性能 6
1.4.4 功率IC封装的发展趋势 7
1.4.5 晶圆级无源器件的发展趋势 8
1.4.6 晶圆级堆叠/3D功率芯片SiP 8
1.5 总结 10
参考文献 10
第2章 扇入型WLCSP 12
2.1 扇入型WLCSP简介 12
2.2 WLCSP凸点技术 13
2.3 WLCSP 凸点工艺和成本考虑 14
2.4 WLCSP 的可靠性要求 16
2.5 跌落测试中的应力 17
2.6 TMCL 中的应力 18
2.7 高可靠性WLCSP设计 19
2.8 用于精确可靠性评估的测试芯片设计 19
2.9 BoP设计规则 25
2.10 RDL设计规则 28
2.11 总结 31
参考文献 31
第3章 扇出型WLCSP 32
3.1 扇出型WLCSP简介 32
3.2 高产扇出模式的形成 37
3.3 再分布芯片封装和嵌入式晶圆级球栅阵列 38
3.4 扇出型WLCSP的优势 38
3.5 扇出型WLCSP的挑战 39
3.6 扇出型WLCSP的可靠性 45
3.7 扇出型设计规则 46
3.8 扇出型WLCSP的未来 47
参考文献 51
第4章 可堆叠的晶圆级模拟芯片封装 52
4.1 引言 52
4.2 多芯片模块封装 53
4.3 叠片封装和叠层封装 55
4.4 三维集成电路（3D IC） 58
4.4.1 硅通孔（TSV） 59
4.4.2 TSV的形成 60
4.4.3 先通孔、后通孔和中通孔 62
4.4.4 TSV填充 63
4.4.5 3D IC键合 64
4.4.6 TSV 3D IC集成 65
4.5 晶圆级3D集成 66
4.5.1 3D MEMS和传感器WLCSP 67
4.6 嵌入式WLCSP 70
4.7 总结 71
参考文献 72
第5章 晶圆级分立式功率MOSFET封装设计 74
5.1 分立式功率WLCSP的介绍与发展趋势 74
5.2 分立式功率WLCSP设计结构 75
5.2.1 典型的分立式功率WLCSP设计结构 76
5.2.2 功率MOSFET BGA 76
5.2.3 在分立式功率WLCSP中将MOSFET漏极移到前侧 78
5.3 晶圆级MOSFET的直接漏极设计 78
5.3.1 直接漏极VDMOSFET WLCSP的构建 79
5.3.2 直接漏极VDMOSFET WLCSP的其他结构 79
5.4 带有铜柱凸点的功率VDMOSFET WLCSP 80
5.4.1 在功率WLCSP上进行铜柱凸点构建 80
5.4.2 铜柱凸点过程中铝层下的BPSG剖面 81
5.5 带嵌入式WLCSP的3D功率模块 87
5.5.1 引言 87
5.5.2 嵌入式WLCSP模块 89
5.5.3 可靠性测试 90
5.5.4 讨论 95
5.6 总结 96
参考文献 96
第6章 用于模拟和功率集成解决方案的晶圆级TSV/堆叠芯片封装 97
6.1 模拟和功率集成的设计理念 97
6.2 模拟和功率SoC WLCSP 101
6.2.1 模拟和功率SoC WLCSP设计布局 101
6.2.2 焊点应力和可靠性分析 102
6.3 带TSV的晶圆级功率堆叠芯片3D封装 104
6.3.1 晶圆级功率堆叠芯片封装的设计理念 104
6.3.2 热分析 105
6.3.3 组装过程中的应力分析 107
6.4 用于模拟和功率集成的晶圆级TSV/堆叠芯片概念 118
6.5 带有有源和无源芯片的集成功率封装 119
6.6 总结 120
参考文献 120
第7章 WLCSP的热管理、设计和分析 121
7.1 热阻及其测量方法 121
7.1.1 热阻的概念 121
7.1.2 结温敏感参数法 122
7.1.3 热阻测量 124
7.1.4 热阻测量环境：结-环境热阻 124
7.2 WLCSP导热测试板 125
7.2.1 低效导热测试板 127
7.2.2 高效导热测试板 127
7.2.3 WLCSP的典型JEDEC板 127
7.3 WLCSP的热分析与管理 128
7.3.1 参数化模型的构建 128
7.3.2 参数化模型的应用 132
7.3.3 热仿真分析 133
7.4 WLCSP的瞬态热分析 137
7.4.1 4×5 WLCSP的概述和瞬态材料特性 137
7.5 总结 140
参考文献 141
第8章 模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真 142
8.1 电气仿真方法：提取电阻、电感和电容 142
8.1.1 提取电感和电阻 142
8.1.2 电容提取方法 148
8.2 扇出型模制芯片级封装的电气仿真 154
8.2.1 MCSP简介 154
8.2.2 带GGI工艺的40引脚MCSP的RLC仿真 155
8.2.3 引线键合MCSP及其与GGI型MCSP的电气性能比较 155
8.3 0.18μm晶圆级功率技术的电迁移预测和测试 164
8.3.1 简介 164
8.3.2 电迁移模型的建立 164
8.3.3 电迁移晶圆级实验测试 165
8.3.4 有限元仿真 167
8.3.5 讨论 175
8.4 模拟无铅焊点中微观结构对电迁移的影响 175
8.4.1 简介 175
8.4.2 迁移的直接积分法 176
8.4.3 WLCSP中焊料凸点微观结构的有限元分析建模 177
8.4.4 仿真结果与讨论 180
8.4.5 讨论 185
8.5 总结 185
参考文献 185
第9章 WLCSP 组装 187
9.1 引言 187
9.2 PCB 设计 188
9.2.1 SMD和NSMD 188
9.2.2 焊盘尺寸 189
9.2.3 PCB焊盘表面处理 189
9.2.4 WLCSP 下的通孔 190
9.2.5 局部靶标 190
9.2.6 PCB材料 191
9.2.7 PCB布线和铜覆盖 192
9.3 钢网和焊锡膏 192
9.3.1 通用钢网设计指南 192
9.3.2 焊锡膏 193
9.4 器件放置 193
9.4.1 取放流程 194
9.4.2 定位精度 194
9.4.3 喷嘴和送料器 195
9.4.4 高速表面贴装注意事项 195
9.4.5 定位精度要求 196
9.4.6 放置原则选项 196
9.4.7 视觉系统 197
9.4.8 算法 197
9.4.9 送料和助焊剂 198
9.4.10 总结 198
9.5 回流焊 198
9.5.1 预热区 199
9.5.2 保温 200
9.5.3 回流 200
9.5.4 冷却 201
9.5.5 回流炉 201
9.5.6 WLCSP回流 201
9.5.7 无铅（Sn–Ag–Cu）焊料的回流曲线和关键参数 202
9.5.8 双面 SMT 203
9.5.9 回流后检验 203
9.5.10 助焊剂清洁 204
9.5.11 返工 204
9.5.12 底部填充 205
9.5.13 WLSCP 底层填充工艺要求 205
9.6 WLCSP储存和保质期 206
9.7 总结 207
参考文献 207
第10章 WLCSP典型可靠性和测试 208
10.1 WLCSP可靠性测试概述 208
10.1.1 可靠性寿命 208
10.1.2 失效率 208
10.1.3 模拟和功率WLCSP的典型可靠性测试 210
10.2 WLCSP焊球剪切性能和失效模式 213
10.2.1 引言 213
10.2.2 测试程序和试样 214
10.2.3 冲击测试的实验研究 215
10.2.4 基于FEM的仿真与分析 216
10.2.5 讨论 221
10.3 WLCSP组装回流工艺和PCB设计的可靠性 223
10.3.1 引言 223
10.3.2 3种PCB设计及其FEA模型 224
10.3.3 仿真结果 228
10.3.4 讨论和改进计划 230
10.4 WLCSP板级跌落测试 234
10.4.1 引言 234
10.4.2 WLCSP跌落测试和模型设置 234
10.4.3 不同设计变量的跌落冲击仿真/测试及讨论 237
10.4.4 跌落测试 239
10.4.5 讨论 241
10.5 WLCSP可靠性设计 241
10.5.1 引言 241
10.5.2 有限元模型设置 242
10.5.3 跌落测试和热循环仿真结果 243
10.5.4 跌落测试和热循环测试 253
10.5.5 讨论 257
10.6 总结 257
参考文献 258
原书前言
致谢
作者简介
第1章 晶圆级芯片模拟和功率器件封装的需求和挑战 1
1.1 模拟和功率WLCSP需求 1
1.2 芯片收缩影响 2
1.2.1 芯片收缩产生的影响 2
1.2.2 晶圆级片上系统与系统级封装 3
1.3 扇入与扇出 3
1.4 功率WLCSP开发 4
1.4.1 与常规分立功率封装相比的晶圆级MOSFET 4
1.4.2 更高的载流能力 5
1.4.3 低Rds （on）电阻和更好的热性能 6
1.4.4 功率IC封装的发展趋势 7
1.4.5 晶圆级无源器件的发展趋势 8
1.4.6 晶圆级堆叠/3D功率芯片SiP 8
1.5 总结 10
参考文献 10
第2章 扇入型WLCSP 12
2.1 扇入型WLCSP简介 12
2.2 WLCSP凸点技术 13
2.3 WLCSP 凸点工艺和成本考虑 14
2.4 WLCSP 的可靠性要求 16
2.5 跌落测试中的应力 17
2.6 TMCL 中的应力 18
2.7 高可靠性WLCSP设计 19
2.8 用于精确可靠性评估的测试芯片设计 19
2.9 BoP设计规则 25
2.10 RDL设计规则 28
2.11 总结 31
参考文献 31
第3章 扇出型WLCSP 32
3.1 扇出型WLCSP简介 32
3.2 高产扇出模式的形成 37
3.3 再分布芯片封装和嵌入式晶圆级球栅阵列 38
3.4 扇出型WLCSP的优势 38
3.5 扇出型WLCSP的挑战 39
3.6 扇出型WLCSP的可靠性 45
3.7 扇出型设计规则 46
3.8 扇出型WLCSP的未来 47
参考文献 51
第4章 可堆叠的晶圆级模拟芯片封装 52
4.1 引言 52
4.2 多芯片模块封装 53
4.3 叠片封装和叠层封装 55
4.4 三维集成电路（3D IC） 58
4.4.1 硅通孔（TSV） 59
4.4.2 TSV的形成 60
4.4.3 先通孔、后通孔和中通孔 62
4.4.4 TSV填充 63
4.4.5 3D IC键合 64
4.4.6 TSV 3D IC集成 65
4.5 晶圆级3D集成 66
4.5.1 3D MEMS和传感器WLCSP 67
4.6 嵌入式WLCSP 70
4.7 总结 71
参考文献 72
第5章 晶圆级分立式功率MOSFET封装设计 74
5.1 分立式功率WLCSP的介绍与发展趋势 74
5.2 分立式功率WLCSP设计结构 75
5.2.1 典型的分立式功率WLCSP设计结构 76
5.2.2 功率MOSFET BGA 76
5.2.3 在分立式功率WLCSP中将MOSFET漏极移到前侧 78
5.3 晶圆级MOSFET的直接漏极设计 78
5.3.1 直接漏极VDMOSFET WLCSP的构建 79
5.3.2 直接漏极VDMOSFET WLCSP的其他结构 79
5.4 带有铜柱凸点的功率VDMOSFET WLCSP 80
5.4.1 在功率WLCSP上进行铜柱凸点构建 80
5.4.2 铜柱凸点过程中铝层下的BPSG剖面 81
5.5 带嵌入式WLCSP的3D功率模块 87
5.5.1 引言 87
5.5.2 嵌入式WLCSP模块 89
5.5.3 可靠性测试 90
5.5.4 讨论 95
5.6 总结 96
参考文献 96
第6章 用于模拟和功率集成解决方案的晶圆级TSV/堆叠芯片封装 97
6.1 模拟和功率集成的设计理念 97
6.2 模拟和功率SoC WLCSP 101
6.2.1 模拟和功率SoC WLCSP设计布局 101
6.2.2 焊点应力和可靠性分析 102
6.3 带TSV的晶圆级功率堆叠芯片3D封装 104
6.3.1 晶圆级功率堆叠芯片封装的设计理念 104
6.3.2 热分析 105
6.3.3 组装过程中的应力分析 107
6.4 用于模拟和功率集成的晶圆级TSV/堆叠芯片概念 118
6.5 带有有源和无源芯片的集成功率封装 119
6.6 总结 120
参考文献 120
第7章 WLCSP的热管理、设计和分析 121
7.1 热阻及其测量方法 121
7.1.1 热阻的概念 121
7.1.2 结温敏感参数法 122
7.1.3 热阻测量 124
7.1.4 热阻测量环境：结-环境热阻 124
7.2 WLCSP导热测试板 125
7.2.1 低效导热测试板 127
7.2.2 高效导热测试板 127
7.2.3 WLCSP的典型JEDEC板 127
7.3 WLCSP的热分析与管理 128
7.3.1 参数化模型的构建 128
7.3.2 参数化模型的应用 132
7.3.3 热仿真分析 133
7.4 WLCSP的瞬态热分析 137
7.4.1 4×5 WLCSP的概述和瞬态材料特性 137
7.5 总结 140
参考文献 141
第8章 模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真 142
8.1 电气仿真方法：提取电阻、电感和电容 142
8.1.1 提取电感和电阻 142
8.1.2 电容提取方法 148
8.2 扇出型模制芯片级封装的电气仿真 154
8.2.1 MCSP简介 154
8.2.2 带GGI工艺的40引脚MCSP的RLC仿真 155
8.2.3 引线键合MCSP及其与GGI型MCSP的电气性能比较 155
8.3 0.18μm晶圆级功率技术的电迁移预测和测试 164
8.3.1 简介 164
8.3.2 电迁移模型的建立 164
8.3.3 电迁移晶圆级实验测试 165
8.3.4 有限元仿真 167
8.3.5 讨论 175
8.4 模拟无铅焊点中微观结构对电迁移的影响 175
8.4.1 简介 175
8.4.2 迁移的直接积分法 176
8.4.3 WLCSP中焊料凸点微观结构的有限元分析建模 177
8.4.4 仿真结果与讨论 180
8.4.5 讨论 185
8.5 总结 185
参考文献 185
第9章 WLCSP 组装 187
9.1 引言 187
9.2 PCB 设计 188
9.2.1 SMD和NSMD 188
9.2.2 焊盘尺寸 189
9.2.3 PCB焊盘表面处理 189
9.2.4 WLCSP 下的通孔 190
9.2.5 局部靶标 190
9.2.6 PCB材料 191
9.2.7 PCB布线和铜覆盖 192
9.3 钢网和焊锡膏 192
9.3.1 通用钢网设计指南 192
9.3.2 焊锡膏 193
9.4 器件放置 193
9.4.1 取放流程 194
9.4.2 定位精度 194
9.4.3 喷嘴和送料器 195
9.4.4 高速表面贴装注意事项 195
9.4.5 定位精度要求 196
9.4.6 放置原则选项 196
9.4.7 视觉系统 197
9.4.8 算法 197
9.4.9 送料和助焊剂 198
9.4.10 总结 198
9.5 回流焊 198
9.5.1 预热区 199
9.5.2 保温 200
9.5.3 回流 200
9.5.4 冷却 201
9.5.5 回流炉 201
9.5.6 WLCSP回流 201
9.5.7 无铅（Sn–Ag–Cu）焊料的回流曲线和关键参数 202
9.5.8 双面 SMT 203
9.5.9 回流后检验 203
9.5.10 助焊剂清洁 204
9.5.11 返工 204
9.5.12 底部填充 205
9.5.13 WLSCP 底层填充工艺要求 205
9.6 WLCSP储存和保质期 206
9.7 总结 207
参考文献 207
第10章 WLCSP典型可靠性和测试 208
10.1 WLCSP可靠性测试概述 208
10.1.1 可靠性寿命 208
10.1.2 失效率 208
10.1.3 模拟和功率WLCSP的典型可靠性测试 210
10.2 WLCSP焊球剪切性能和失效模式 213
10.2.1 引言 213
10.2.2 测试程序和试样 214
10.2.3 冲击测试的实验研究 215
10.2.4 基于FEM的仿真与分析 216
10.2.5 讨论 221
10.3 WLCSP组装回流工艺和PCB设计的可靠性 223
10.3.1 引言 223
10.3.2 3种PCB设计及其FEA模型 224
10.3.3 仿真结果 228
10.3.4 讨论和改进计划 230
10.4 WLCSP板级跌落测试 234
10.4.1 引言 234
10.4.2 WLCSP跌落测试和模型设置 234
10.4.3 不同设计变量的跌落冲击仿真/测试及讨论 237
10.4.4 跌落测试 239
10.4.5 讨论 241
10.5 WLCSP可靠性设计 241
10.5.1 引言 241
10.5.2 有限元模型设置 242
10.5.3 跌落测试和热循环仿真结果 243
10.5.4 跌落测试和热循环测试 253
10.5.5 讨论 257
10.6 总结 257
参考文献 258
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