集成電路封裝可靠性技術

第1章 積體電路封裝技術及可靠性概述1
1.1封裝技術發展概況1
1.1.1積體電路封裝功能1
1.1.2積體電路常見封裝類型2
1.1.3積體電路封裝技術發展趨勢10
1.2封裝技術與可靠性的關係17
1.2.1封裝熱性能與可靠性17
1.2.2封裝機械性能與機械環境適應性18
1.2.3封裝氣密性與潮濕環境適應性18
1.2.4封裝材料與電磁干擾19
1.2.5封裝材料與抗輻射性能20
1.3封裝可靠性技術及其發展21
1.3.1積體電路封裝可靠性21
1.3.2積體電路封裝失效機理研究22
1.3.3積體電路封裝可靠性技術發展23
參考文獻26

第2章 積體電路封裝物理特性及可靠性表徵29
2.1物理特性表徵及標準要求29
2.1.1常規物理特性29
2.1.2特殊物理特性47
2.1.3錫鬚生長特性49
2.2可靠性表徵及標準要求52
2.2.1封裝失效率52
2.2.2封裝耗損壽命54
2.2.3失效率和壽命標準要求55
2.3環境適應性表徵及標準要求57
2.3.1高溫環境適應性57
2.3.2溫變環境適應性57
2.3.3機械環境適應性57
2.3.4環境適應性標準要求58
參考文獻60

第3章 塑膠封裝的失效模式、失效機理及可靠性62
3.1塑膠封裝的可靠性概述62
3.2塑膠封裝的失效模式和失效機理63
3.2.1塑封料相關的失效模式和失效機理63
3.2.2封裝介面相關的失效模式和失效機理65
3.2.3倒裝封裝相關的失效模式和失效機理67
3.2.4鍵合退化相關的失效模式和失效機理67
3.3塑膠封裝的檢測分析73
3.3.1模塑膠的檢測分析73
3.3.2封裝介面分層的檢測方法76
3.3.3封裝介面熱阻及晶片紅外熱成像檢測方法81
3.3.4封裝微變形檢測技術82
3.4應力和可靠性86
3.4.1塑膠封裝的濕-熱-機械可靠性86
3.4.2SiP封裝的應力和可靠性98
3.4.3WLCSP封裝的應力和可靠性99
3.5塑膠封裝典型失效案例103
3.5.1濕氣侵入導致的腐蝕103
3.5.2高溫導致的孔洞及鍵合退化104
參考文獻105

第4章 氣密封裝的失效模式、失效機理及可靠性108
4.1氣密封裝的結構特點108
4.2氣密封裝的失效模式和失效機理110
4.2.1粒子污染111
4.2.2熱-機械應力111
4.2.3水汽/氣體吸收113
4.3氣密封裝的性能檢測114
4.3.1氣密性的檢測114
4.3.2鍵合性能的檢測117
4.3.3多餘物的檢測119
4.3.4其他性能檢測119
4.4應力和可靠性121
4.4.1氣密封裝可靠性評價方法122
4.4.2潮濕與溫度綜合載荷下的氣密性退化特徵124
4.4.3高溫載荷下粘接劑釋氣規律125
4.4.4高頻振動載荷下的脆性斷裂127
4.5氣密封裝典型失效案例128
4.5.1HIC金屬-玻璃封接介面間歇滲漏退化機理分析128
4.5.2氣密蓋板的隨機振動非接觸線上監測130
參考文獻133

第5章 3D封裝的失效模式、失效機理及可靠性136
5.13D封裝的發展歷程與主流技術136
5.23D封裝的主要結構特徵138
5.2.13D晶片疊層結構138
5.2.23D封裝疊層結構141
5.2.33DTSV封裝結構142
5.33D封裝的失效模式和失效機理143
5.3.13D封裝常見失效模式143
5.3.23D封裝失效機理150
5.43D封裝技術的可靠性151
5.4.13D晶片疊層技術的可靠性151
5.4.23D封裝疊層技術的可靠性153
5.4.33DTSV封裝技術的可靠性159
5.53D封裝典型失效案例168
5.5.1CoWoS3D封裝結構失效案例168
5.5.2扇出型封裝失效案例172
5.5.3TSV結構失效案例175
參考文獻180

第6章 積體電路封裝熱性能及分析技術185
6.1積體電路熱效應185
6.1.1積體電路熱問題185
6.1.2積體電路熱效應分類186
6.2封裝熱分析理論基礎189
6.2.1熱傳導189
6.2.2對流換熱191
6.2.3輻射換熱192
6.3熱致封裝相關失效模式193
6.3.1溫度與器件封裝失效的相關性194
6.3.2熱失配引起的開裂失效195
6.3.3熱疲勞引起的開裂失效197
6.3.4高溫引起的蠕變失效197
6.3.5高溫引起的互連退化失效198
6.3.6晶片過熱燒毀200
6.4積體電路封裝主要熱性能201
6.4.1穩態熱阻202
6.4.2熱特性參數207
6.4.3瞬態熱阻抗209
6.4.4比熱容與結構函數212
6.4.5主要熱測試和分析標準213
6.5封裝熱分析技術216
6.5.1主要熱分析方法及對比216
6.5.2電學法218
6.5.3紅外法220
6.5.4拉曼散射法223
6.5.5熱反射法226
6.6封裝熱性能的主要影響因素228
6.6.1封裝材料228
6.6.2封裝尺寸228
6.6.3晶片尺寸229
6.6.4器件熱耗散量229
6.6.5氣流速度230
6.6.6板的尺寸和熱導率231
6.7微流道熱特性及熱管理231
6.7.1微流道技術及換熱效率232
6.7.2微流道熱管理233
6.8疊層晶片封裝熱分析及結溫預測案例[62]235
6.8.1熱測試疊層晶片及測試板設計235
6.8.2基於溫敏電阻的疊層晶片溫度測試236
6.8.3基於有限元模擬的疊層晶片熱分析238
6.8.4疊層晶片溫度預測模型及驗證240
參考文獻246

第7章 積體電路封裝力學特性與試驗251
7.1積體電路封裝力學特性251
7.1.1封裝各類力學問題251
7.1.2封裝主要力學特性252
7.1.3封裝力學失效及預防257
7.2積體電路封裝力學試驗266
7.2.1封裝常規力學試驗266
7.2.2封裝新型力學試驗268
7.3積體電路封裝力學典型案例273
7.3.1封裝蓋板振動特性案例273
7.3.2高密度鍵合引線碰絲案例279
參考文獻286

第8章 積體電路封裝失效分析技術288
8.1封裝失效分析的主要內容288
8.2封裝失效分析程式289
8.3非破壞性失效分析技術292
8.3.1外觀分析技術292
8.3.2X射線顯微透視分析技術294
8.3.3掃描聲學顯微分析技術296
8.3.4粒子碰撞雜訊檢測技術298
8.3.5氦質譜檢漏分析技術299
8.4破壞性失效分析技術300
8.4.1開封及顯微制樣技術300
8.4.2內部氣氛分析技術301
8.4.3掃描電子顯微分析技術302
8.4.4透射電子顯微分析技術303
8.4.5聚焦離子束缺陷分析技術306
8.53D封裝失效分析新技術308
8.5.13DX射線分析技術308
8.5.2磁顯微分析技術311
8.5.3同步熱發射分析技術314
8.6積體電路封裝故障樹分析317
8.6.1積體電路封裝故障樹分析方法317
8.6.2積體電路封裝故障樹分析應用318
參考文獻320

第9章 積體電路封裝品質和可靠性保證技術325
9.1封裝品質檢測與環境適應性要求325
9.1.1封裝的品質檢測要求325
9.1.2封裝的環境適應性要求329
9.2品質與可靠性分析技術333
9.2.1破壞性物理分析333
9.2.2結構分析339
9.2.3假冒和翻新分析342
9.3加速壽命試驗評估350
9.3.1積體電路產品的加速壽命試驗方法350
9.3.2封裝中常用的加速及失效模型354
9.3.3積體電路封裝的加速壽命試驗案例356
參考文獻359

第10章 積體電路板級組裝可靠性361
10.1板級組裝工藝與可靠性361
10.1.1板級組裝工藝的發展歷程362
10.1.2主流SMT技術363
10.1.3板級組裝可靠性的工藝影響因素365
10.2板級焊點的結構及可靠性367
10.2.1焊點結構特點分析367
10.2.2焊點結構與可靠性370
10.3板級焊點的材料及可靠性379
10.3.1有鉛焊料組裝的可靠性379
10.3.2無鉛焊料組裝的可靠性382
10.3.3混裝焊料組裝的可靠性386
10.4環境應力與板級組裝可靠性392
10.4.1熱應力與板級組裝可靠性392
10.4.2機械應力與板級組裝可靠性395
10.4.3電流應力與板級組裝可靠性399
10.4.4耦合應力與板級組裝可靠性402
10.5板級組裝可靠性的試驗評價406
10.5.1板級組裝可靠性的試驗評價方法406
10.5.2板級組裝可靠性的評價及失效案例411
參考文獻420
縮略語中英文對照表424

周斌，博士，工業和資訊化部電子第五研究所研究員，重量重點實驗室副總工程師，國防科工局優秀中青年，中國電子學會優秀科技工作者。主要從事裸晶片KGD、優選封裝及微系統可靠性和熱管理技術研究。承擔國家核心產品攻關重大專項、國防基礎科研重點項目、預研、品質攻關等專案20余項，研製開發了多通道互聯電阻線上監測系統、多熱源紅外發射率校正及測溫系統和可靠性模擬評價軟體等5台/套軟硬體成果。獲國防科技進步二等獎4項，國防科技創新團隊獎和中國電子資訊科技創新團隊獎各1項，發表SCI/EI論文49篇，授權發明專利8項，合作出版編著2本，譯著1本。