工业芯片封装技术

本书系统地讨论了工业芯片封装技术的发展，QFN/BGA等典型的封装工艺，封装载板、界面结合材料等关键封装材料，传统的和先进的封装设计方法学，封装热设计及应力优化，封装信号完整性和封装电源完整性问题的产生机理与仿真优化方法，多物理场仿真分析，以及国内外封装可靠性现状与标准等内容。适合从事芯片设计、芯片封装等集成电路相关科研、生产、应用、项目管理及市场营销等从业人员阅读，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考书。

工业芯片封装技术已成为衡量工业芯片研发成功与否的关键因素之一，它贯穿于芯片设计、系统设计等整个产品研发流程。随着工业芯片性能、集成度，以及晶体管规模的提升，其对工业芯片封装技术的要求也越加严苛。这主要体现在封装体内裸芯片的高集成度、优异的封装互连电气传输特性、稳定的封装电源供电网络、高散热封装通道和低应力封装结构这五个方面。依据工业芯片封装这五个方面要求，衍生出了几乎所有常见的先进封装技术，这些技术涵盖了封装工艺、封装材料、封装设计和仿真方法等多个方面。本书系统地讨论了工业芯片封装技术的发展，QFN/BGA等典型的封装工艺，封装载板、界面结合材料等关键封装材料，传统的和先进的封装设计方法学，封装热设计及应力优化，封装信号完整性和封装电源完整性问题的产生机理与仿真优化方法，多物理场仿真分析，以及国内外封装可靠性现状与标准等内容。
本书适合从事芯片设计、芯片封装等集成电路相关科研、生产、应用、项目管理及市场营销等从业人员阅读，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考书。

李德建，男，清华大学毕业，北京智芯微电子科技有限公司数字芯片设计中心总经理。有20年的芯片研发经验，长期开展电力芯片关键技术研究，主持、参与国家重点研发计划等重大研发项目，发表学术论文46篇，获得国家发明专利授权82项、海外发明专利授权5项，出版专著2本。

前言
第1章　芯片封装概述1
1.1　引言1
1.2　芯片封装1
1.3　芯片与封装的发展历程3
1.4　技术发展趋势8
参考文献8
第2章　芯片封装工艺9
2.1　引言9
2.2　常见工业芯片封装工艺10
2.2.1　工业芯片封装工艺特点10
2.2.2　QFN封装工艺流程14
2.2.3　WBBGA封装工艺流程17
2.2.4　倒装芯片封装工艺流程21
2.3　先进封装概述24
2.3.1　扇出型封装技术24
2.3.2　2.5D封装技术30
2.3.3　3D集成封装技术37
参考文献46
第3章　关键封装材料49
3.1　引言49
3.2　封装载板49
3.2.1　封装载板在工业芯片封装中的应用49
3.2.2　引线框架的分类51
3.2.3　封装基板的分类54
3.2.4　先进封装用转接板59
3.3　塑封料63
3.3.1　塑封料在工业芯片封装中的应用63
3.3.2　塑封料的分类和特性64
3.3.3　塑封料的发展趋势66
3.4　互连材料66
3.4.1　互连材料在工业芯片封装中的应用66
3.4.2　互连材料的分类和特性68
3.4.3　互连材料的发展趋势70
3.5　界面结合材料71
3.5.1　界面结合材料在工业芯片封装中的应用71
3.5.2　界面结合材料的分类和特性72
3.5.3　界面结合材料的发展趋势78
3.6　临时键合胶81
3.6.1　临时键合胶在工业芯片封装中的应用82
3.6.2　临时键合胶的分类和特性83
3.6.3　临时键合技术的发展趋势85
3.7　底部填充胶85
3.7.1　底部填充胶在工业芯片封装中的应用86
3.7.2　底部填充胶的分类和特性86
3.7.3　底部填充胶的发展趋势89
参考文献89
第4章　芯片封装设计93
4.1　引言93
4.2　封装设计方法学演进93
4.2.1　传统封装设计方法94
4.2.2　协同设计方法95
4.3　封装选型98
4.4　封装设计输入102
4.4.1　芯片与封装的建模102
4.4.2　芯片与封装的互连关系103
4.5　封装载板设计105
4.5.1　引线框架类封装设计105
4.5.2　基板类封装设计106
4.6　封装加工图纸设计108
4.7　工业芯片封装设计实例111
4.7.1　FCBGA封装选型与规格制定111
4.7.2　HybridBGA封装评估113
参考文献123
第5章　芯片封装热管理124
5.1　引言124
5.2　热量耗散方式124
5.2.1　被动式散热125
5.2.2　主动式散热126
5.3　封装热阻131
5.3.1　封装热阻的分类132
5.3.2　封装热阻的影响因素133
5.3.3　封装热阻的未来发展趋势134
5.4　热阻计算方法134
5.4.1　理论公式135
5.4.2　有限元模拟137
5.4.3　RC热网络模型140
5.4.4　实验测量141
5.5　工业芯片封装热设计146
5.5.1　工业芯片封装热设计的特点146
5.5.2　高效散热设计方法148
5.5.3　工业芯片封装热设计分析实例150
参考文献155
第6章　芯片封装机械性能158
6.1　引言158
6.2　应力产生机制158
6.2.1　应力分类158
6.2.2　应力导致的失效159
6.3　应力分析方法163
6.3.1　有限元数值方法163
6.3.2　经典理论方法164
6.3.3　实际测量方法165
6.4　工业芯片封装应力优化171
6.4.1　工业芯片翘曲分析和优化实例171
6.4.2　工业芯片CPI应力分析和优化实例174
参考文献180
第7章　封装信号完整性183
7.1　引言183
7.2　信号完整性概述183
7.2.1　信号完整性产生机制185
7.2.2　时域与频域186
7.2.3　阻抗与信号完整性189
7.2.4　传输线与回流192
7.3　频域信号完整性195
7.3.1　寄生参数分析196
7.3.2　S参数的应用196
7.3.3　传输线上的信号串扰197
7.4　系统级信号完整性199
7.4.1　系统级信号完整性仿真的特点199
7.4.2　SPICE和IBIS简介199
7.4.3　系统级时域信号完整性仿真模型200
7.5　常见的封装信号完整性优化方法202
7.5.1　信号回流不连续对信号完整性的影响202
7.5.2　过孔对信号完整性的影响204
7.5.3　包地对信号完整性的影响204
7.5.4　表面粗糙度对信号完整性的影响205
7.5.5　温度对信号完整性的影响207
7.6　工业芯片信号完整性优化分析实例210
7.6.1　封装S参数仿真210
7.6.2　信号时域仿真214
参考文献216
第8章　封装电源完整性220
8.1　引言220
8.2　电源完整性概述221
8.2.1　电源完整性产生机制222
8.2.2　直流和交流223
8.2.3　电源完整性关键特征224
8.3　直流信号完整性224
8.3.1　直流压降225
8.3.2　电流密度225
8.3.3　系统级封装直流电源完整性仿真模型226
8.4　交流信号完整性227
8.4.1　PDN的应用227
8.4.2　芯片功耗模型简介228
8.4.3　系统级交流电源完整性仿真模型229
8.5　常见的封装电源完整性优化方法230
8.5.1　PDN对电源完整性的影响230
8.5.2　多电源域隔离对电源完整性的影响231
8.5.3　过孔对电源完整性的影响232
8.5.4　去耦电容对电源完整性的影响232
8.5.5　温度对电源完整性的影响233
8.6　工业芯片电源完整性优化分析实例234
8.6.1　封装寄生参数仿真234
8.6.2　IP_A/IP_B仿真结果235
8.6.3　PKG DC要求236
8.6.4　PKG DC仿真结果238
8.6.5　封装去耦电容241
8.6.6　系统级AC Ripple仿真分析244
参考文献247
第9章　多物理域联合优化 249
9.1　引言249
9.2　多物理场耦合250
9.2.1　场与多场耦合的概念250
9.2.2　研究方法251
9.2.3　耦合问题模型254
9.2.4　耦合关系分类255
9.2.5　芯片封装中的多场耦合问题256
9.3　电热耦合259
9.3.1　电热耦合现象259
9.3.2　电传导分析263
9.3.3　电热耦合作用263
9.4　热力耦合264
9.4.1　热力耦合现象264
9.4.2　传热过程分析265
9.4.3　弹性力学分析266
9.4.4　热力耦合作用267
9.4.5　热应力计算方法267
9.5　电迁移268
9.5.1　电迁移的失效现象268
9.5.2　电迁移的失效驱动机制269
9.5.3　电迁移仿真方法270
9.6　多物理场耦合的实例分析273
参考文献278
第10章　封装可靠性280
10.1　引言280
10.2　可靠性标准现状280
10.2.1　国外可靠性标准现状281
10.2.2　国内可靠性标准现状285
10.3　可靠性标准体系287
10.3.1　标准体系构建原则287
10.3.2　标准体系293
10.4　封装可靠性标准对比296
10.4.1　预处理-Precon标准对比296
10.4.2　温度循环标准对比298
10.4.3　高温储存标准对比301
10.4.4　温湿度无偏压高加速应力测试标准对比304
10.4.5　可焊性标准对比307
10.4.6　高压蒸煮试验标准对比309
10.4.7　静电类标准对比311
10.5　可靠性与封装工艺312
10.6　封装的失效模式和失效机理316
10.7　典型的可靠性解决案例324
10.8　芯片可靠性发展趋势展望324
参考文献326