Advanced electronic packaging

译者序

第2版前言

第1章微电子封装的导言和概览1

1.1概述1

1.2电子封装功能2

1.3封装等级结构2

1.3.1晶片贴装4

1.3.2第一等级互连4

1.3.3封装盖和引脚密封5

1.3.4第二等级互连6

1.4微电子封装技术简史6

1.5封装技术的驱动力14

1.5.1制造成本14

1.5.2可制造性成本15

1.5.3尺寸和重量15

1.5.4电子设计15

1.5.5热设计15

1.5.6力学性能设计16

1.5.7可制造性设计16

1.5.8可测试性设计16

.1.5.9可靠性设计17

1.5.10可服务性设计17

1.5.11材料选择17

1.6小结18

参考文献19

习题20

第2章微电子封装材料22

2.1概述22

2.2一些重要的封装材料性质22

2.2.1力学性能22

2.2.2湿气渗透23

2.2.3界面的粘滞性23

2.2.4电气性能24

2.2.5热性质25

2.2.6化学性质26

2.2.7系统可靠性26

2.3封装中的陶瓷材料27

2.3.1矾土（al2o3）29

2.3.2氧化铍（beo）30

2.3.3氮化铝（aln）31

2.3.4碳化硅（sic）31

2.3.5氮化硼（bn）32

2.3.6玻璃陶瓷32

2.4封装中的聚合物材料33

2.4.1聚合物的基本知识33

2.4.2聚合物的热塑性和热硬性35

2.4.3水分和溶剂对聚合物的影响36

2.4.4关注的一些聚合物性质36

2.4.5微电子中所用聚合物的主要分类39

2.4.6聚合物的第一等级封装应用43

2.5封装中的金属材料45

2.5.1晶片焊接45

2.5.2芯片到封装或基底46

2.5.3封装构造50

2.6高密度互连基片中使用的材料51

2.6.1层压基片52

2.6.2陶瓷基片55

2.6.3沉淀的薄膜基片56

2.7小结58

参考文献58

习题60

第3章处理技术62

3.1概述62

3.2薄膜沉淀62

3.2.1真空现象62

3.2.2真空泵63

3.2.3蒸发65

3.2.4溅射67

3.2.5化学蒸气沉淀70

3.2.6电镀72

3.3模式化74

3.3.1光平板印刷74

3.3.2蚀刻77

3.4金属间的连接79

3.4.1固态焊接79

3.4.2熔焊和铜焊81

3.5小结82

参考文献82

习题83

第4章有机pcb的材料和处理过程84

4.1概述84

4.2所有pcb层构造的普遍问题85

4.2.1数据格式和规范85

4.2.2计算机辅助制造和加工85

4.2.3排版86

4.2.4层叠材料87

4.2.5制造容限综述88

4.3pcb处理流程89

4.3.1内层的制造91

4.3.2mlb结构和外层的制造94

4.3.3电气测试98

4.3.4视觉和维度检测99

4.3.5合同评审99

4.3.6显微薄片分析100

4.4介电材料101

4.4.1介电材料的动因101

4.4.2介电材料的构造与处理考虑因素102

4.5表面抛光106

4.6高级pcb结构107

4.6.1高密度互连接和微型过孔107

4.7规范和标准113

4.7.1ipc简史113

4.7.2有机pcb的相关标准113

4.8主要术语115

参考文献118

习题118

第5章陶瓷基片121

5.1电子封装中的陶瓷121

5.1.1引言和背景121

5.1.2陶瓷基片的作用121

5.1.3陶瓷的优势121

5.1.4陶瓷成分122

5.1.5陶瓷基片制造122

5.2陶瓷基片的电气性能123

5.3陶瓷基片的力学性能124

5.4陶瓷基片的物理性能125

5.5设计规则125

5.6陶瓷上的薄膜126

5.6.1引言和背景126

5.6.2沉淀技术126

5.6.3薄膜基片性质127

5.7陶瓷上的厚膜127

5.7.1引言和背景127

5.7.2丝网准备和检查128

5.7.3丝网印刷处理129

5.7.4基片清理和处理环境130

5.7.5厚膜的形成130

5.7.6湿粘土的热处理过程131

5.7.7厚膜的金属化131

5.7.8厚膜电介质132

5.7.9厚膜电阻133

5.8低温共烧陶瓷133

5.8.1ltcc技术133

5.8.2绝缘胶带的处理和清洁室环境135

5.8.3过孔的形成136

5.8.4过孔的填充138

5.8.5绝缘胶带材料的丝网印刷考虑因素139

5.8.6检查140

5.8.7绝缘胶带层整理140

5.8.8层压141

5.8.9烧制142

5.8.10后处理143

5.8.11设计考虑因素145

5.8.12收缩预测与控制145

5.9htcc制造过程146

5.9.1htcc处理146

5.9.2多层ain146

5.10高电流基片146

5.10.1直接接合铜处理147

5.10.2有源金属铜镀148

5.11小结148

参考文献149

习题150

第6章电气考虑、建模和仿真152

6.1概述152

6.1.1仅仅是一根导线吗？152

6.1.2电气封装的功能152

6.2基本事项153

6.2.1电阻153

6.2.2自感和互感157

6.2.3电容161

6.2.4参数提取程序163

6.3信号完整性和建模163

6.3.1数字信号的表示和频谱164

6.3.2驱动器和接收器模型165

6.3.3rc延迟167

6.4传输线170

6.4.1微带传输线174

6.4.2端接反射175

6.4.3信号线损耗和集肤效应180

6.4.4网络拓扑181

6.5耦合噪声或者串扰182

6.6电源和地185

6.6.1动态配电185

6.6.2电源系统的阻抗186

6.6.3去耦电容的谐振186

6.6.4配电建模187

6.6.5切换噪声188

6.7总体封装ic模型与仿真191

6.7.1仿真192

6.8时域反射测量法192

6.9小结195

参考文献195

习题196

第7章热考虑因素200

7.1概述200

7.1.1热源200

7.1.2热消除的方法201

7.1.3故障模式202

7.2热传递基本原理203

7.2.1热传递速度方程203

7.2.2元件的暂态热响应207

7.2.3各种形状中的传导208

7.2.4总体热阻213

7.2.5强制对流热传递216

7.2.6自然对流热传递223

7.3空气致冷227

7.4液体致冷228

7.4.1单相液体致冷228

7.4.2双相液体致冷228

7.5高级致冷方法231

7.5.1热管致冷231

7.5.2热电致冷232

7.5.3微通道致冷233

7.6计算机辅助模型233

7.6.1固体模型233

7.6.2计算流体力学234

7.6.3去耦合级别234

7.6.4典型结果234

7.7小结236

参考文献236

附录：热传递计算的热物理属性237

习题239

第8章机械设计考虑241

8.1概述241

8.2变形与应变241

8.3应力244

8.4本构关系247

8.4.1弹性材料248

8.4.2塑性材料249

8.4.3蠕变材料250

8.5简化形式251

8.5.1平面应力和平面应变251

8.5.2梁问题252

8.6失效理论256

8.6.1静态失效256

8.6.2断裂力学259

8.6.3疲劳259

8.7确定应力的分析方法261

8.7.1双材料组的轴向效应261

8.7.2双材料组的弯曲效应265

8.7.3剥离应力266

8.7.4三材料组268

8.8数值方法271

8.8.1有限元方法271

8.8.2商业代码274

8.8.3局限和危害276

8.9小结276

参考文献277

参考书目277

习题278

第9章分立和嵌入式无源元件283

9.1概述283

9.2现代电子系统中的无源元件284

9.3无源元件的定义和结构288

9.4基于薄膜的无源元件289

9.5电阻器291

9.5.1设计方程291

9.5.2胶料嵌入式电阻器293

9.5.3电阻器的材料294

9.6电容器295

9.6.1顺电体和铁电体297

9.6.2电介质尺寸设计299

9.6.3用于电容器的电介质材料300

9.7电感器302

9.8无源元件的电气特性303

9.8.1理想无源元件的建模304

9.8.2实际电容器的建模304

9.8.3分立和嵌入电容器中寄生效应的差别305

9.8.4实际电感器的建模307

9.8.5实际电阻器的建模308

9.9嵌入无源元件时的问题308

9.9.1嵌入无源元件的原因308

9.9.2嵌入无源元件的问题310

9.10去耦电容器311

9.10.1去耦问题311

9.10.2分立电容器的去耦311

9.10.3嵌入式电容器的去耦312

9.11无源元件的未来313

参考文献314

习题314

第10章电子封装的装配316

10.1概述316

10.2设施317

10.2.1清洁室要求317

10.2.2静电放电要求318

10.2.3湿敏度级别要求318

10.2.4回流焊温度319

10.3元件的处理319

10.3.1运送319

10.3.2保存320

10.3.3处理320

10.4表面贴装技术装配321

10.4.1焊料印制过程以及相关缺陷321

10.4.2元件放置322

10.4.3回流焊323

10.4.4净化324

10.5晶圆准备324

10.5.1晶圆探测324

10.5.2晶圆安装325

10.5.3晶圆背面研磨/减薄325

10.5.4晶圆锯割326

10.5.5晶圆划线327

10.5.6相关装备327

10.6晶粒贴附328

10.6.1环氧树脂328

10.6.2热塑性材料和热固性树脂329

10.6.3焊料330

10.6.4返工330

10.6.5晶粒贴附装备331

10.7线焊331

10.7.1热压缩线焊332

10.7.2超声线焊332

10.7.3热超声线焊332

10.7.4带焊接332

10.7.5球焊333

10.7.6楔焊333

10.7.7线焊测试334

10.7.8带状自动化焊接336

10.7.9等离子表面处理337

10.8倒装芯片338

10.8.1晶圆凸点339

10.8.2助焊342

10.9封装/密封/包装344

10.9.1密封封装344

10.9.2密封封装测试345

10.9.3非密封包装345

10.10封装级别处理348

10.10.1引脚修整、成形以及分离348

10.10.2焊球贴附和分离348

10.10.3标记348

10.11艺术级技术348

10.11.13d和堆栈晶粒348

10.11.2射频模块349

10.11.3微电子机械系统和微光电子机械系统350

10.11.4纳米技术351

10.12小结352

参考文献352

习题352

第11章设计考虑354

11.1概述354

11.2封装和电子系统354

11.2.1封装功能354

11.2.2系统和封装度量355

11.2.3系统约束和折中356

11.2.4系统划分358

11.3封装功能间的折中360

11.3.1信号线路360

11.3.2配电366

11.3.3热管理368

11.3.4互连测试369

11.4折中设计例子370

11.5产品开发周期372

11.5.1传统和修正的产品周期372

11.5.2市场分析和产品规格374

11.5.3框图和划分374

11.5.4技术选择375

11.5.5asic/pcb/mcm设计375

11.5.6热/机械设计376

11.5.7测试程序的开发376

11.5.8制造工具开发377

11.5.9制造/装配377

11.5.10鉴定377

11.5.11品质377

11.5.12产品引入378

11.6设计概念378

11.6.1元件回顾378

11.6.2原理图概述380

11.6.3设计视图383

11.6.4反向标注383

11.6.5仿真和评估384

11.7pcb/mcm设计过程384

11.7.1pcb设计流程385

11.7.2库385

11.7.3封装386

11.7.4布线387

11.7.5fablink388

11.7.6设计概念小结389

11.8小结390

参考文献390

软件手册391

习题391

第12章射频和微波封装392

12.1概述与背景392

12.1.1高频电路的本质392

12.1.2高频电路应用393

12.1.3基本概念394

12.2传输线397

12.2.1传输线模型398

12.2.2系统级传输线399

12.2.3平面传输线401

12.2.4不连续性406

12.3高频电路的实现410

12.3.1材料的考虑410

12.3.2微波单片集成电路412

12.3.3mic技术413

12.4集总元件414

12.4.1电容器414

12.4.2电感器415

12.4.3电阻器和端结416

12.5分布式元件416

12.5.1阻抗匹配设备417

12.5.2滤波器417

12.5.3功率分配器418

12.5.4耦合器419

12.6仿真和电路布局420

12.7测量和测试421

12.8频域测量421

12.8.1测量系统422

12.8.2探测硬件和连接器423

12.9时域测量424

12.10设计例子424

12.11小结427

参考文献427

习题431

第13章电力电子器件封装432

13.1概述432

13.2电力半导体器件技术432

13.2.1理想和非理想的电力开关432

13.2.2功率二极管435

13.2.3晶闸管435

13.2.4功率双极型晶体管436

13.2.5金属氧化物半导体功率场效应晶体管436

13.2.6绝缘栅双极型晶体管436

13.2.7静电感应晶体管436

13.2.8sic半导体器件437

13.3商用功率封装439

13.3.1分立功率器件封装439

13.3.2多芯片功率模块和一体化集成方案442

13.3.3商用封装的热性能443

13.4功率封装设计方法449

13.4.1整体系统设计方法450

13.4.2基底的选择452

13.4.3基片和散热器的选择452

13.4.4芯片的焊接方法453

13.4.5键合457

13.4.6热设计459

13.4.7电磁干扰和电磁兼容461

13.4.8高温电力电子器件461

13.5小结462

参考文献462

习题464

第14章多芯片和三维封装466

14.1概述466

14.1.1多芯片封装的历史回顾466

14.1.2多芯片封装的动力467

14.2封装层次和分类470

14.2.1层次470

14.2.2mcm 剖析470

14.2.3平面mcm方法472

14.33d系统477

14.3.13d系统的特征477

14.3.2芯片和封装堆叠480

14.3.3mcm 堆叠482

14.3.4折叠方法483

14.4多芯片封装的选择484

14.4.1产量/已知的合格芯片484

14.4.2工艺兼容性485

14.4.32d和3d封装的密度度量485

14.4.4走线密度485

14.4.5输入/输出486

14.4.6电气性能和基片选择488

14.4.7热管理489

14.4.8可测试性490

14.4.9封装系统与片上系统490

14.5密度缩放的趋势491

14.5.1对于规则的或较少引脚的装配492

14.5.2中等复杂引脚的装配方法1493

14.5.3中等复杂引脚的装配方法2493

14.5.4高密度封装的问题494

14.6小结495

参考文献496

习题496

第15章mems和moems的封装：

挑战与案例研究498

15.1概述498

15.2背景498

15.2.1混合信号、混合域、混合级封装：向下一代专用集成系统发展498

15.2.2mems499

15.3mems集成的挑战500

15.3.1释放和粘附502

15.3.2切割502

15.3.3芯片处理503

15.3.4晶圆级封装503

15.3.5应力503

15.3.6气密性504

15.3.7测试504

15.3.8mems封装中的艺术504

15.3.9未来方向506

15.4数字微镜器件的封装方法506

15.4.1moems和特殊dmd的背景介绍506

15.4.2影响dmd封装的因素508

15.4.3dmd封装设计509

15.4.4dmd气密封装装配513

15.5封装技术的未来挑战514

致谢515

参考文献515

习题517

ⅹⅶ第16章可靠性分析518

16.1概述518

16.1.1概念定义518

16.1.2失效模式520

16.1.3本章涉及内容521

16.2失效机理521

16.2.1腐蚀522

16.2.2机械应力524

16.2.3电应力525

16.2.4故障分析技术525

16.3加速测试527

16.3.1加速环境测试528

16.3.2静电荷释放加速测试530

16.3.3其他加速测试531

16.3.4测试结构532

16.4可靠性衡量532

16.4.1失效率、mtbf和fit532

16.4.2可靠性函数533

16.4.3weibull分布537

16.4.4正态分布540

16.4.5失效分布图和浴盆曲线542

16.5微电子系统的失效统计542

16.5.1复合式失效模式组件的失效预测544

16.6微电子学的可靠性科学在工业中的应用545

参考文献545

习题545

第17章成本评估和分析551

ⅹⅷ17.1概述551

17.2产品成本551

17.2.1直接成本551

17.2.2间接成本552

17.2.3传统的基于批量的成本估算552

17.2.4基于活动的成本估算553

17.3盈亏平衡分析555

17.3.1线性均衡分析555

17.3.2分段线性均衡分析557

17.4学习曲线关系557

17.4.1确定提升速率的指数值558

17.4.2学习曲线实例559

17.5预测模型560

17.5.1方均差（mse）562

17.5.2均值绝对差（mad）562

17.5.3均值百分比误差（mpe）562

17.5.4均值绝对百分比误差（mape）562

17.5.5移动平均563

17.5.6基于历史数据的预测销售564

17.5.7指数平滑565

17.5.8最小二乘回归570

17.6比较分析571

17.6.1资金项目选择和评估572

17.6.2替代分析573

17.7灵敏度分析574

17.7.1单参数灵敏度分析575

17.7.2乐观脖观灵敏度分析575

17.8小结577

参考文献577

习题578

第18章材料特性的分析技术581

18.1概述581

18.2x光衍射582

18.2.1综述582

18.2.2基本原理583

18.2.3检测仪器584

18.2.4实际中的考虑因素和应用585

18.3拉曼光谱学588

18.3.1综述588

18.3.2基本原理588

18.3.3检测仪器589

18.3.4实际中的考虑因素和应用589

18.4扫描探测显微镜592

18.4.1综述592

18.4.2stm原理和检测方法593

18.4.3sfm原理和检测方法593

18.4.4实际中的考虑因素和应用594

18.5扫描电子显微镜和能量散射x光分光镜596

18.5.1综述596

18.5.2基本原理597

18.5.3检测仪器597

18.5.4实际中的考虑因素和应用599

18.6共焦显微镜600

18.6.1综述601

18.6.2基本原理601

18.6.3检测仪器601

18.6.4实际中的考虑因素和应用602

18.7auger电子光谱学603

18.7.1综述603

18.7.2基本原理603

18.7.3检测仪器607

18.7.4实际中的考虑因素和应用609

18.8x光光电子光谱学613

18.8.1综述614

18.8.2基本原理614

18.8.3检测仪器616

18.8.4实际中的考虑因素和应用617

18.9二次离子质量光谱学621

18.9.1综述621

18.9.2基本原理621

18.9.3检测仪器624

18.9.4实际中的考虑因素和应用628

参考文献631

习题635