集成電路高可靠封裝技術

前言
第1章 概述 1
1.1 關鍵術語及含義 1
1.1.1 可靠性 1
1.1.2 高可靠 2
1.1.3 陶瓷封裝 2
1.1.4 潔淨室 2
1.1.5 品質等級 3
1.1.6 輻照加固保證（RHA） 3
1.1.7 二次篩選 3
1.1.8 失效分析（FA） 3
1.1.9 破壞性物理分析（DPA） 5
1.1.10 品質體系 6
1.1.11 統計程序控制（SPC） 6
1.2 電子封裝技術的發展 6
1.2.1 摩爾定律 6
1.2.2 積體電路和混合電路 8
1.2.3 高可靠封裝類型 8
1.2.4 金屬封裝類型 10
1.2.5 封裝外形圖及標注 11
1.3 封裝工藝及檢驗 12
1.3.1 高可靠封裝 12
1.3.2 檢驗 12
1.3.3 執行標準 13
1.3.4 美國標準 14
參考文獻 15

第2章 劃片 16
2.1 劃片工藝概述 16
2.1.1 劃片工藝介紹 16
2.1.2 劃片方式 17
2.1.3 劃片工藝步驟 19
2.1.4 機遇與挑戰 22
2.2 劃片刀及原理 23
2.2.1 劃片刀組成 23
2.2.2 劃片刀結構特點 23
2.2.3 劃片刀切割機理 25
2.2.4 刀刃與線寬 26
2.2.5 刀片磨損 26
2.3 崩邊、分層及影響因素 28
2.3.1 正面崩邊 28
2.3.2 背面崩邊 30
2.3.3 劃片刀選型 32
2.3.4 砂輪轉速 32
2.3.5 藍膜粘接強度 32
2.3.6 晶圓厚度 33
2.3.7 冷卻水添加劑 33
2.3.8 劃片參數 34
2.4 鐳射切割 34
2.4.1 鐳射切割的優勢 34
2.4.2 紫外鐳射劃片 35
2.4.3 鐳射隱形劃片 37
2.4.4 微水刀鐳射 38
2.5 劃片工藝面對的挑戰 38
2.5.1 超薄晶圓 38
2.5.2 低k介質晶圓 39
2.5.3 砷化鎵 40
2.5.4 碳化矽 42
參考文獻 43

第3章 粘片 45
3.1 粘片工藝概述 45
3.1.1 粘片工藝介紹 45
3.1.2 粘片工藝的選擇 46
3.1.3 粘片品質標準———剪切強度 46
3.1.4 粘片品質指標———空洞率 47
3.2 導熱膠粘片 47
3.2.1 粘接原理 47
3.2.2 導電膠的固化 48
3.2.3 玻璃化轉變溫度Tg 48
3.3 導電膠的特性 49
3.3.1 導電膠的組成 49
3.3.2 導電膠的導電原理 49
3.3.3 各向異性導電膠 49
3.3.4 導電性與粘接強度 50
3.3.5 水汽與導電性 51
3.3.6 固化溫度與導電性 51
3.3.7 銀遷移 53
3.4 粘接可靠性的失效模式與影響分析（FMEA） 53
3.4.1 FMEA 53
3.4.2 晶片粘接失效模式統計 54
3.4.3 晶片粘接FMEA表格的建立 55
3.5 導熱膠的失效 56
3.5.1 吸濕與氧化腐蝕 56
3.5.2 裂紋和分層 56
3.5.3 蠕變 57
3.5.4 溢出膠量與應力 57
3.5.5 膠層厚度與應力 58
3.5.6 不良應力與導熱膠粘接失效 59
3.5.7 保存與使用失效 59
3.6 晶片的堆疊與應力 60
3.6.1 多晶片堆疊 60
3.6.2 多層晶片堆疊應力集中 61
3.6.3 晶片的裂紋 62
3.6.4 爬膠與膠膜 62
3.7 焊接的基本概念 63
3.7.1 潤濕 63
3.7.2 鋪展 64
3.7.3 填縫 65
3.7.4 釺焊 65
3.7.5 軟焊料 66
3.7.6 介面金屬間化合物（IMC） 66
3.7.7 共晶 66
3.7.8 固溶體 67
3.7.9 相圖 68
3.8 晶片焊接工藝 68
3.8.1 晶片焊接 68
3.8.2 共晶摩擦粘片 68
3.8.3 燒結粘片 68
3.8.4 多溫度梯度粘片 68
3.9 典型焊料相圖與性質 70
3.9.1 Sn-Pb合金 70
3.9.2 Au-Sn合金 71
3.9.3 Au-Si合金 72
3.9.4 Au-Ge合金 73
3.10 真空燒結粘片 73
3.10.1 真空燒結的含義 73
3.10.2 燒結溫度曲線 74
3.10.3 焊料熔融時間 75
3.10.4 燒結過程中的氣氛 76
3.10.5 燒結過程中的還原氣體 78
3.10.6 燒結過程中的焊接壓力 79
3.11 晶片焊接失效模式 81
3.11.1 失效模式分析 81
3.11.2 晶片脫落失效原因及採取措施 82
3.11.3 粘接空洞失效原因及採取措施 82
3.11.4 內部氣氛不合格原因及採取措施 83
3.12 焊接空洞 83
3.12.1 焊接空洞的標準 83
3.12.2 氧化對空洞的影響 84
3.12.3 助焊劑選型與空洞 84
3.12.4 焊接工藝與空洞率 84
3.12.5 真空度與焊接空洞 85
參考文獻 86

第4章 引線鍵合 90
4.1 引線鍵合概述 90
4.1.1 引線鍵合介紹 90
4.1.2 引線鍵合機理 90
4.1.3 分類 90
4.1.4 鍵合絲 91
4.1.5 鍵合工具 91
4.1.6 線徑與電流 92
4.2 金絲鍵合 93
4.2.1 工藝步驟 93
4.2.2 關鍵參數 95
4.3 鋁絲鍵合 99
4.3.1 工藝步驟 99
4.3.2 關鍵參數 100
4.3.3 超聲鍵合介面 101
4.4 引線鍵合評價方法 102
4.4.1 鍵合拉力測試 102
4.4.2 焊球剪切應力測試 105
4.4.3 鍵合目檢 105
4.5 金鋁鍵合 107
4.5.1 金鋁效應概述 107
4.5.2 Au/Al與Al/Au體系 109
4.5.3 影響因素 112
4.5.4 表現形式 113
4.5.5 應對措施 114
4.6 焊盤起皮 116
4.6.1 焊盤起皮現象 116
4.6.2 超聲參數 118
4.6.3 劈刀 119
4.6.4 滑移 119
4.6.5 工藝參數 121
4.6.6 晶圓製造 122
4.7 熱影響區 124
4.7.1 概述 124
4.7.2 屬性變化 125
4.7.3 熱影響區長度影響因素 127
參考文獻 131

第5章 密封 135
5.1 密封工藝概述 135
5.1.1 密封工藝介紹 135
5.1.2 典型密封工藝 135
5.1.3 內部氣氛 136
5.1.4 熱阻 136
5.1.5 檢驗標準 137
5.2 金錫熔封工藝 137
5.2.1 金錫熔封主要特點 137
5.2.2 熔封品質影響因素 139
5.2.3 常見缺陷 140
5.3 金錫焊料環 140
5.3.1 微觀分析與性能分析 140
5.3.2 焊料製備技術難點 143
5.3.3 焊料製備方法 144
5.4 金錫熔封燒結工藝流程 146
5.4.1 基本要求及流程 146
5.4.2 準備工作 146
5.4.3 裝架 147
5.4.4 熔封 148
5.5 金錫燒結的密封空洞 148
5.5.1 密封空洞 148
5.5.2 密封空洞的影響因素 149
5.5.3 密封工藝優化方法及實驗結果 150
5.5.4 密封空洞的控制效果 153
5.6 密封夾具與焊料流淌 153
5.6.1 密封夾具與壓力模型 153
5.6.2 焊料流場模擬結果（壓塊） 155
5.6.3 焊料流場模擬結果（夾子） 156
5.7 密封空洞與微觀觀察 158
5.7.1 空洞觀察方法 158
5.7.2 幾種典型空洞 159
5.8 密封介面化合物 162
5.8.1 焊縫的形成 162
5.8.2 焊縫形貌及成分 163
5.8.3 金-錫-鎳介面反應過程 165
5.8.4 溫度對焊接介面的影響 167
5.8.5 壓力對焊接介面的影響 170
5.8.6 冷卻速率對化合物的影響 170
5.8.7 退火與金-錫-鎳化合物 170
5.9 平行縫焊工藝 171
5.9.1 平行縫焊工藝特點 171
5.9.2 工藝原理 172
5.9.3 工藝過程 174
5.9.4 工藝參數 175
5.10 平行縫焊焊接品質影響因素 177
5.10.1 速度與熱量 177
5.10.2 體積與熱量 178
5.10.3 脈寬與熱量 179
5.10.4 電極角度與焊縫寬度 181
5.10.5 電極材料與散熱 181
5.10.6 封蓋夾具與工藝穩定性 182
5.10.7 蓋板轉角與焊接缺陷 182
5.10.8 焊接能量與PIND 183
5.10.9 壓力與熱量 185
5.10.10 鍍層品質要求 185
5.10.11 蓋板品質要求 186
5.11 平行縫焊抗鹽霧性能 186
5.11.1 腐蝕現象 186
5.11.2 腐蝕機理 186
5.11.3 腐蝕現象 187
5.11.4 優化方向 188
5.12 AuSn焊料環的平行縫焊 189
5.12.1 原理及方法 189
5.12.2 應用場景 189
5.12.3 檢驗標準 189
5.12.4 典型失效 190
5.12.5 熔焊模型 191
5.12.6 影響因素 191
5.12.7 應用限制 192
5.13 儲能焊工藝 192
5.13.1 儲能焊概述 192
5.13.2 工藝原理 193
5.13.3 工藝步驟 193
5.14 儲能焊顆粒雜訊問題 194
5.14.1 簡介 194
5.14.2 PIND失效魚骨圖 194
5.14.3 封焊前可動多餘物控制 194
5.14.4 封焊前可動多餘物預檢測 195
5.14.5 封焊時金屬顆粒物的產生及飛濺控制 196
5.14.6 電流趨膚效應引發顆粒物飛濺 199
5.14.7 外殼設計對PIND控制的作用 200
5.15 玻璃熔封 201
5.15.1 概述 201
5.15.2 玻璃熔封的特點 202
5.15.3 玻璃熔封機理 202
5.15.4 黑瓷外殼 202
5.15.5 黑瓷封裝工藝 204
5.15.6 典型失效模式 206
5.15.7 國產黑瓷外殼新機遇 207
5.16 封裝熱阻 207
5.16.1 封裝的熱性能 207
5.16.2 陶瓷封裝的散熱路徑 208
5.16.3 結-殼熱阻R TH（J-C） 模擬計算 210
5.16.4 結環境阻RTH（J-A） 模擬計算 214
5.16.5 封裝散熱材料 217
5.16.6 多晶片熱阻 217
5.16.7 晶片面積 217
5.16.8 焊接空洞 218
5.17 氣密性檢測 218
5.17.1 質譜儀原理 218
5.17.2 氦質譜檢漏 219
5.17.3 細檢漏 219
5.17.4 管殼吸附氦氣 219
5.17.5 小漏率 220
5.18 X射線照相檢測 220
5.18.1 X射線在封裝中的應用 220
5.18.2 X射線照相檢測原理 221
5.18.3 密封空洞成像原理 222
5.19 水汽含量檢測 223
5.19.1 水汽檢測 223
5.19.2 主要有害氣氛 223
5.19.3 內部氣氛影響因素 224
5.19.4 內部氣氛控制 225
5.19.5 內部氣氛之間的關聯性 225
5.19.6 水汽的時效變化 225
5.19.7 排除氫氣方法 226
5.19.8 小腔體器件 226
參考文獻 227

第6章 高可靠封裝的發展與展望 235
6.1 高可靠封裝的發展 235
6.2 3D封裝 237
6.3 異構集成 237
6.4 高可靠塑封 238
6.5 柔性封裝 238
6.6 封裝抗輻射加固 239
參考文獻 239