电子工业出版社-网上书店

集成电路被称为电子产品的"心脏”，是所有信息技术产业的核心；集成电路封装技术是将集成电路"打包”的技术，已成为"后摩尔时代”的重要技术手段；集成电路封装可靠性技术是集成电路乃至电子整机可靠性的基础和核心。集成电路失效，约一半是由封装失效引起的，封装可靠性已成为人们普遍关注的焦点。本书在介绍集成电路封装技术分类和封装可靠性表征技术的基础上，分别从塑料封装、气密封装的产品维度和热学、力学的应力维度，描述了集成电路封装的典型失效模式、失效机理和物理特性；结合先进封装结构特点，介绍了与封装相关的失效分析技术和质量可靠性评价方法；从材料、结构和应力三个方面，描述了集成电路的板级组装可靠性。本书旨在为希望了解封装可靠性技术的人们打开一扇交流的窗口，在集成电路可靠性与电子产品可靠性之间搭建一座沟通的桥梁。本书主要供从事电子元器件、电子封装，以及与电子整机产品研究、设计、生产、测试、试验相关的工程技术人员及管理人员阅读，也可作为各类高等院校相关专业的教学参考书

第1章  集成电路封装技术及可靠性概述	1
1.1　封装技术发展概况	1
1.1.1  集成电路封装功能	1
1.1.2  集成电路常见封装类型	2
1.1.3  集成电路封装技术发展趋势	10
1.2　封装技术与可靠性的关系	17
1.2.1  封装热性能与可靠性	17
1.2.2  封装机械性能与机械环境适应性	18
1.2.3  封装气密性与潮湿环境适应性	18
1.2.4  封装材料与电磁干扰	19
1.2.5  封装材料与抗辐射性能	20
1.3　封装可靠性技术及其发展	21
1.3.1  集成电路封装可靠性	21
1.3.2  集成电路封装失效机理研究	22
1.3.3  集成电路封装可靠性技术发展	23
参考文献	26
第2章  集成电路封装物理特性及可靠性表征	29
2.1　物理特性表征及标准要求	29
2.1.1  常规物理特性	29
2.1.2  特殊物理特性	47
2.1.3  锡须生长特性	49
?
2.2　可靠性表征及标准要求	52
2.2.1  封装失效率	52
2.2.2  封装耗损寿命	54
2.2.3  失效率和寿命标准要求	55
2.3　环境适应性表征及标准要求	57
2.3.1  高温环境适应性	57
2.3.2  温变环境适应性	57
2.3.3  机械环境适应性	57
2.3.4  环境适应性标准要求	58
参考文献	60
第3章  塑料封装的失效模式、失效机理及可靠性	62
3.1　塑料封装的可靠性概述	62
3.2　塑料封装的失效模式和失效机理	63
3.2.1  塑封料相关的失效模式和失效机理	63
3.2.2  封装界面相关的失效模式和失效机理	65
3.2.3  倒装封装相关的失效模式和失效机理	67
3.2.4  键合退化相关的失效模式和失效机理	67
3.3　塑料封装的检测分析	73
3.3.1  模塑料的检测分析	73
3.3.2  封装界面分层的检测方法	76
3.3.3  封装界面热阻及芯片红外热成像检测方法	81
3.3.4  封装微变形检测技术	82
3.4　应力和可靠性	86
3.4.1  塑料封装的湿-热-机械可靠性	86
3.4.2  SiP封装的应力和可靠性	98
3.4.3  WLCSP封装的应力和可靠性	99
3.5　塑料封装典型失效案例	103
3.5.1  湿气侵入导致的腐蚀	103
3.5.2  高温导致的孔洞及键合退化	104
参考文献	105
第4章  气密封装的失效模式、失效机理及可靠性	108
4.1　气密封装的结构特点	108
4.2　气密封装的失效模式和失效机理	110
4.2.1  粒子污染	111
4.2.2  热-机械应力	111
4.2.3  水汽/气体吸收	113
4.3　气密封装的性能检测	114
4.3.1  气密性的检测	114
4.3.2  键合性能的检测	117
4.3.3  多余物的检测	119
4.3.4  其他性能检测	119
4.4　应力和可靠性	121
4.4.1  气密封装可靠性评价方法	122
4.4.2  潮湿与温度综合载荷下的气密性退化特征	124
4.4.3  高温载荷下粘接剂释气规律	125
4.4.4  高频振动载荷下的脆性断裂	127
4.5　气密封装典型失效案例	128
4.5.1  HIC金属-玻璃封接界面间歇渗漏退化机理分析	128
4.5.2  气密盖板的随机振动非接触在线监测	130
参考文献	133
第5章  3D封装的失效模式、失效机理及可靠性	136
5.1　3D封装的发展历程与主流技术	136
5.2　3D封装的主要结构特征	138
5.2.1  3D芯片叠层结构	138
5.2.2  3D封装叠层结构	141
5.2.3  3D TSV封装结构	142
5.3　3D封装的失效模式和失效机理	143
5.3.1  3D封装常见失效模式	143
5.3.2  3D封装失效机理	150
5.4　3D封装技术的可靠性	151
5.4.1  3D芯片叠层技术的可靠性	151
5.4.2  3D封装叠层技术的可靠性	153
5.4.3  3D TSV封装技术的可靠性	159
5.5　3D封装典型失效案例	168
5.5.1  CoWoS 3D封装结构失效案例	168
5.5.2  扇出型封装失效案例	172
5.5.3  TSV结构失效案例	175
参考文献	180
第6章  集成电路封装热性能及分析技术	185
6.1　集成电路热效应	185
6.1.1  集成电路热问题	185
6.1.2  集成电路热效应分类	186
6.2　封装热分析理论基础	189
6.2.1  热传导	189
6.2.2  对流换热	191
6.2.3  辐射换热	192
6.3　热致封装相关失效模式	193
6.3.1  温度与器件封装失效的相关性	194
6.3.2  热失配引起的开裂失效	195
6.3.3  热疲劳引起的开裂失效	197
6.3.4  高温引起的蠕变失效	197
6.3.5  高温引起的互连退化失效	198
6.3.6  芯片过热烧毁	200
6.4　集成电路封装主要热性能	201
6.4.1  稳态热阻	202
6.4.2  热特性参数	207
6.4.3  瞬态热阻抗	209
6.4.4  比热容与结构函数	212
6.4.5  主要热测试和分析标准	213
6.5　封装热分析技术	216
6.5.1  主要热分析方法及对比	216
6.5.2  电学法	218
6.5.3  红外法	220
6.5.4  拉曼散射法	223
6.5.5  热反射法	226
6.6　封装热性能的主要影响因素	228
6.6.1  封装材料	228
6.6.2  封装尺寸	228
6.6.3  芯片尺寸	229
6.6.4  器件热耗散量	229
6.6.5  气流速度	230
6.6.6  板的尺寸和热导率	231
6.7　微流道热特性及热管理	231
6.7.1  微流道技术及换热效率	232
6.7.2  微流道热管理	233
6.8　叠层芯片封装热分析及结温预测案例[62]	235
6.8.1  热测试叠层芯片及测试板设计	235
6.8.2  基于温敏电阻的叠层芯片温度测试	236
6.8.3  基于有限元仿真的叠层芯片热分析	238
6.8.4  叠层芯片温度预测模型及验证	240
参考文献	246
第7章  集成电路封装力学特性与试验	251
7.1　集成电路封装力学特性	251
7.1.1  封装各类力学问题	251
7.1.2  封装主要力学特性	252
7.1.3  封装力学失效及预防	257
7.2　集成电路封装力学试验	266
7.2.1  封装常规力学试验	266
7.2.2  封装新型力学试验	268
7.3　集成电路封装力学典型案例	273
7.3.1  封装盖板振动特性案例	273
7.3.2  高密度键合引线碰丝案例	279
参考文献	286
第8章  集成电路封装失效分析技术	288
8.1　封装失效分析的主要内容	288
8.2　封装失效分析程序	289
8.3　非破坏性失效分析技术	292
8.3.1  外观分析技术	292
8.3.2  X射线显微透视分析技术	294
8.3.3  扫描声学显微分析技术	296
8.3.4  粒子碰撞噪声检测技术	298
8.3.5  氦质谱检漏分析技术	299
8.4　破坏性失效分析技术	300
8.4.1  开封及显微制样技术	300
8.4.2  内部气氛分析技术	301
8.4.3  扫描电子显微分析技术	302
8.4.4  透射电子显微分析技术	303
8.4.5  聚焦离子束缺陷分析技术	306
8.5　3D封装失效分析新技术	308
8.5.1  3D X射线分析技术	308
8.5.2  磁显微分析技术	311
8.5.3  同步热发射分析技术	314
8.6　集成电路封装故障树分析	317
8.6.1  集成电路封装故障树分析方法	317
8.6.2  集成电路封装故障树分析应用	318
参考文献	320
第9章  集成电路封装质量和可靠性保证技术	325
9.1　封装质量检测与环境适应性要求	325
9.1.1  封装的质量检测要求	325
9.1.2  封装的环境适应性要求	329
9.2　质量与可靠性分析技术	333
9.2.1  破坏性物理分析	333
9.2.2  结构分析	339
9.2.3  假冒和翻新分析	342
9.3　加速寿命试验评估	350
9.3.1  集成电路产品的加速寿命试验方法	350
9.3.2  封装中常用的加速及失效模型	354
9.3.3  集成电路封装的加速寿命试验案例	356
参考文献	359
第10章  集成电路板级组装可靠性	361
10.1　板级组装工艺与可靠性	361
10.1.1  板级组装工艺的发展历程	362
10.1.2  主流SMT技术	363
10.1.3  板级组装可靠性的工艺影响因素	365
10.2　板级焊点的结构及可靠性	367
10.2.1  焊点结构特点分析	367
10.2.2  焊点结构与可靠性	370
10.3　板级焊点的材料及可靠性	379
10.3.1  有铅焊料组装的可靠性	379
10.3.2  无铅焊料组装的可靠性	382
10.3.3  混装焊料组装的可靠性	386
10.4　环境应力与板级组装可靠性	392
10.4.1  热应力与板级组装可靠性	392
10.4.2  机械应力与板级组装可靠性	395
10.4.3  电流应力与板级组装可靠性	399
10.4.4  耦合应力与板级组装可靠性	402
10.5　板级组装可靠性的试验评价	406
10.5.1  板级组装可靠性的试验评价方法	406
10.5.2  板级组装可靠性的评价及失效案例	411
参考文献	420
缩略语中英文对照表	424

集成电路系列丛书”主编序言
培根之土 润苗之泉 启智之钥 强国之基


王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是人世间不可挽回的自然规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。
图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。
尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。
《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。
为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。
2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一——施普林格（Springer）合作出版发行。
受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。
为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷：
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养
☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与投资
☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计
☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造
☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备
☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料
☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用
2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。
在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。
科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。
书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。
编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例：
《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成；
《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿；
《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就；
《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”；
《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。
这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。


王阳元
2021年7月1日于北京燕园


 
前言
可靠性是评价产品质量的重要指标之一，是一门涉及材料学、电子学、热学、力学的综合性学科。可靠性工作的关键是确保产品的功能性能在实际使用中得到充分发挥。伴随着质量强国战略的实施，可靠性工作在我国得到空前重视，以可靠性提升为重点的质量工作已成为行业发展的主题，也是我国制造业实现高质量发展的必由之路。
随着半导体工艺技术的快速发展，半导体先进制程已进入7nm、5nm时代，并正朝着3nm和2nm时代迈进，工艺节点不断逼近原子尺寸，继续缩小特征尺寸将面临物理尺寸的极限；未来要保持电子产品向更高性能、更小体积和更低功耗方面持续发展，产业界和学术界对此给出了“延续摩尔”（More Moore）和“超越摩尔”（More than Moore）并行的解决方案，而先进封装是其中的关键技术。近年来，基板上晶圆级芯片封装（CoWoS）、扇出型封装（InFO）、芯粒（Chiplet）架构等2.5D封装和基于硅通孔（TSV）的3D封装及微系统集成封装等先进封装技术日新月异，为智能手机、无人驾驶飞机等电子产品的性能带来了许多颠覆性的进步。随着先进封装技术的不断发展，集成电路芯片与集成电路封装之间的界限日渐模糊，形成了融合发展的新态势。
集成电路封装可靠性是一个系统工程，涉及材料、工艺、结构、使用环境等方方面面，伴随新材料、新技术和新工艺在集成电路封装中的大量应用，部分先进封装面临失效机理尚不明晰、缺陷定位难度加大、可靠性评价缺少针对性等行业共性问题。探索微凸点、硅通孔、重布线层等先进封装结构在热、电、力综合作用下的失效模式和失效机理，研究基板上晶圆级芯片封装、3D晶圆级封装等复杂封装结构的新的缺陷定位和失效分析技术，发展有针对性的、基于失效物理的微系统集成封装可靠性评价方法，对于推动新一代电子产品的功能性能和可靠性双提升，助力我国电子信息产业发展，具有重要意义。
把握“后摩尔时代”战略机遇，发挥我国基础工业门类齐全、封装测试技术快速崛起、可靠性意识显著增强的综合优势，在“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会的组织安排下，由工业和信息化部电子第五研究所负责编写《集成电路封装可靠性技术》一书，既是编委会对我们的肯定，又是时代赋予我们的使命，更是历史的责任。
工业和信息化部电子第五研究所是国内最早从事电子产品质量与可靠性研究的权威机构，在我国质量可靠性领域开创了多个“唯一”和“第一”。自“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会正式启动编写工作开始，我们立即成立了编写组，确立编写目标，明确工作任务，并在编写过程中进行了多次讨论、调整和修改。本书共10章，首先，在介绍集成电路封装技术分类和封装可靠性表征技术的基础上，分别从塑料封装、气密封装的产品维度和热学、力学的应力维度，描述了集成电路封装的典型失效模式、失效机理和物理特性；然后，结合先进封装结构特点，介绍了与封装相关的失效分析技术和质量可靠性评价方法；最后，从材料、结构和应力三个方面，描述了集成电路的板级组装可靠性。本书主要作者为国家级重点实验室先进封装与微系统可靠性技术团队的核心成员，多年从事封装可靠性研究和集成电路失效分析工作。在编写过程中，我们参考了可靠性相关领域的大量文献、资料及编写组此前的部分研究成果。主要作者及其分工如下：第1章由恩云飞、何小琦、周斌执笔，第2章由何小琦、恩云飞、杨少华执笔，第3章由杨少华、恩云飞、杨晓锋执笔，第4章由陈思、周斌、陈媛执笔，第5章由杨晓锋、施宜军、付兴执笔，第6章由周斌、付志伟、付兴执笔，第7章由苏伟、陈思、付兴执笔，第8章由陈媛、杨少华、付兴执笔，第9章由王宏跃、恩云飞、武慧薇执笔，第10章由付志伟、周斌、尧彬执笔。恩云飞、周斌负责全书的组织、策划、汇总和校审工作，其他执笔人分别负责相关章节的自校和互校工作。
本书在完成内部校对和评审后，提交给“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会，由编委会组织北京工业大学秦飞教授、厦门大学于大全教授、中国电子科技集团公司第五十八研究所明雪飞副所长审阅；在审稿完成后，我们依据审稿意见完成了修改工作。
感谢中国半导体行业协会封装分会荣誉理事长毕克允先生、新潮集团董事长王新潮先生等给予的大力支持。感谢“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会沈阳先生、周健先生在本书编写过程中给予的热忱帮助。同时，感谢工业和信息化部电子第五研究所张战刚、王磊、牛皓、柳月波等同事提供的技术资料，感谢工业和信息化部电子第五研究所朱建垣、洪丹妮等，华南理工大学研究生梁振堂等，西安电子科技大学研究生张伊铭等，厦门理工学院研究生周向胜等，在文献调研、编辑、排版等方面付出的辛勤劳动。本书在编写过程中，还参阅了部分行业专家同仁，以及工业和信息化部电子第五研究所可靠性研究分析中心、重点实验室和元器件检测中心同事的文献、资料，在此一并表示衷心感谢。
由于先进封装可靠性涉及面广，技术发展迅速，需要不断深入研究和探索，加之编写人员的理解水平和知识面有限，书中难免仍存在错误和疏漏之处，恳请广大读者朋友提出宝贵意见，以便我们在修订时改正。
谨以本书向为中国电子产品可靠性提升和集成电路封装产业发展而努力奋斗的从业者致敬！
编著者   
2022年1月

本书配套资源下载

对不起，暂无音视频资源！