微电子封装技术

摩尔定律表明，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目每隔18～24个月就会增加1倍，性能也提升1倍。这种趋势已经持续超过半个世纪。随着集成电路芯片工艺进入10nm以下，中国台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电）已经突破3nm芯片工艺，未来还将挑战1nm工艺，但摩尔定律的维持越来越困难。经济方面，更先进的制程投入的成本十分庞大，风险越来越大； 技术方面也面临着多方面的限制，如光刻(光刻机、光刻胶)、器件物理中的量子效应、互连的寄生效应、功耗、延时、封装等。摩尔定律仍将继续，但必然面临极限。
集成电路等技术的发展，推动了移动互联网、智能穿戴、物联网、5G、人工智能等新技术的高速发展，反过来又对集成电路技术提出了更高更新的要求，如更高的速度、更低的功耗和更小的体积。
在摩尔定律之外，存在着多种可能路径来解决上述新的要求。后CMOS时代，可能有新型晶体管来替代； 材料方面，除了硅基的芯片外，可能有碳基二维材料或者其他新材料及其组合的芯片； 在部分应用中，量子计算机可能部分代替传统计算机，以提高效率。此外，计算机的效率也依赖于代码，对现有代码的优化也可能大幅提升计算的效率。
除了上述解决方案之外，先进的封装技术是现有技术成熟和技术演化不确定性较小的解决方案，能够通过渐进的技术提升和迭代，提供高性价比的解决方案，满足未来较长时间的需要。台积电创始人张忠谋在2014年就指出，半导体行业的下一个机会是物联网(Internet of Things,IoT)，其中关键的技术包括系统级封装、低功耗、传感器三大技术。封装技术可以提高IC速度、降低功耗、减少体积，并已经发挥了越来越重要的作用，其技术涉及材料、电子工程、工业软件、高端装备制造等众多学科和产业领域，需要大量多学科的人才和复合型人才。
半导体集成电路，特别是高端芯片已经成为国际竞争的重要领域。随着国家对半导体集成电路的投入加大，我国在半导体集成电路领域快速发展。目前在封装领域与外部对手差距相对较小，更多的创新型、领军型人才更早接触并投入到相关专业领域，对未来引领封装领域创新有重要的意义。
围绕上述人才需求，本书面向信息电子制造产业，介绍微电子封装及电子组装制造的基本概念，封装的主要形式、基本工艺、主要材料，兼顾传统封装技术和先进封装技术，并专门介绍产业和研究/开发热点。希望本书能够成为封装领域卓越工程师和高层次人才培养的入门书，为集成电路的产业发展和教育教学发挥积极的作用。
周玉刚承担了本书编写的资料搜集和具体撰写工作，张荣对本书的修改提出了许多指导意见。
编者
2022年8月

本书面向信息电子制造产业，介绍微电子封装及电子组装制造的基本概念，封装的主要形式、基本工艺、主要材料，兼顾传统封装技术和先进封装技术，并专门介绍产业和研究/开发热点，兼顾微电子封装技术的基础知识与发展趋势。 全书包括绪论以及传统封装工艺与封装形式、先进封装技术（FC、BGA、WLP、CSP、SIP、3D）、微电子组装与基板工艺、封装材料与绿色制造、封装热管理与可靠性五部分内容，共20 章。 本书适合从事微电子和电子专业相关的研发、生产的科技人员，特别是从事集成电路封装和组装的人员系统地了解微电子封装的基础知识和发展趋势，也适合高等学校本科层次教学使用。

本书面向信息电子制造产业，介绍微电子封装及电子组装制造的基本概念，封装的主要形式、基本工艺、主要材料，兼顾传统封装技术和先进封装技术，并专门介绍产业和研究/开发热点，兼顾微电子封装技术的基础知识与发展趋势。 全书包括绪论以及传统封装工艺与封装形式、先进封装技术（FC、BGA、WLP、CSP、SIP、3D）、微电子组装与基板工艺、封装材料与绿色制造、封装热管理与可靠性五部分内容，共20 章。 本书适合从事微电子和电子专业相关的研发、生产的科技人员，特别是从事集成电路封装和组装的人员系统地了解微电子封装的基础知识和发展趋势，也适合高等学校本科层次教学使用。

周玉刚，南京大学教授。1992-2001年就读于南京大学，获学士和博士学位。2004-2013年，参与香港微晶先进光电技术有限公司的创建和发展，历任高级工程师到研发总监，成功开发出倒装焊LED、集成驱动电路的芯片级光源等技术，多项成果国际领先、国际先进。2013年入职南京大学，迄今连续10年负责南京大学电子科学与工程学院卓越工程师班“微电子封装技术”课程教学和工程实践，课程得到长电科技等龙头企业的支持。发表SCI论文70余篇，获他引1600余次，以发明人获发明专利授权13项。

张荣，我国早开展宽禁带半导体研究的科学家之一，在宽禁带半导体材料和器件，特别是光电探测器件与成像技术、发光器件与显示技术、功率电子器件与可靠性方面有比较系统的研究。多项研究成果完成产业化，实现了重要应用。在半导体人才培养方面有丰富的经验，任厦门大学集成电路产教融合创新平台主任。先后获国家技术发明二等奖、国家自然科学二等奖、国家技术发明三等奖、4项省部级科技成果一等奖和何梁何利科学与技术进步奖。授权国内外发明专利100多件,发表SCI论文400余篇。

第1章绪论

1.1封装概述

1.1.1封装的定义

1.1.2封装的基本功能

1.1.3广义封装与封装分级

1.2封装技术的发展趋势

1.2.1封装技术的重大革新与产品类型的演变

1.2.2封装工艺发展的总体方向

1.2.3封装形式的发展方向

1.3本书内容导读

习题

参考文献

第2章晶圆减薄与切割

2.1晶圆减薄

2.1.1减薄的作用

2.1.2主要减薄技术

2.1.3磨削减薄技术

2.2晶圆切割

2.2.1晶圆切割工艺步骤

2.2.2机械切割

2.2.3激光切割

2.3芯片分离技术的发展

2.3.1先切割后减薄技术

2.3.2隐形切割后背面磨削技术

2.3.3等离子切割技术

习题

参考文献

第3章芯片贴装

3.1导电胶黏结技术

3.1.1导电胶的成分

3.1.2导电胶黏结工艺过程

3.2共晶焊接技术

3.2.1共晶反应与相图

3.2.2共晶焊接的原理与工艺方法

3.2.3共晶焊接的局限

3.3焊料焊接技术

3.4低熔点玻璃黏结技术

3.5新型芯片黏结技术

3.5.1芯片黏结薄膜工艺

3.5.2金属焊膏烧结技术

习题

参考文献

第4章引线键合

4.1引线键合概述

4.2引线键合的分类

4.2.1热压键合

4.2.2热超声键合

4.2.3超声键合

4.3引线键合工艺流程

4.3.1样品表面清洁处理

4.3.2键合过程

4.3.3键合质量的测试

4.4引线键合技术的特点及发展趋势

习题

参考文献

第5章载带自动焊

5.1载带自动焊技术的历史

5.2载带自动焊技术的优点

5.3载带分类

5.4载带自动焊封装工艺流程

5.4.1内引脚焊接

5.4.2包封

5.4.3外引线键合

习题

参考文献

第6章塑封、引脚及封装完成

6.1塑封

6.2塑封后固化

6.3去溢料

6.4引线框架电镀

6.5电镀后退火

6.6切筋成型

6.7激光打码

6.8包装

习题

参考文献

第7章传统封装的典型形式

7.1晶体管外形封装

7.2单列直插式封装

7.3双列直插式封装

7.3.1陶瓷双列直插式封装

7.3.2塑料双列直插式封装 

7.4针栅阵列封装

7.5小外形晶体管封装

7.6小外形封装

7.7四边扁平封装

7.8无引脚封装

7.9载带自动焊封装

7.10封装的分类

习题

参考文献

第8章倒装焊技术

8.1倒装工艺背景与历史

8.2倒装芯片互连的结构

8.3凸点下金属化

8.3.1UBM的功能与结构

8.3.2UBM的制备方法

8.4基板与基板金属化层

8.5凸点材料与制备

8.5.1凸点的功能

8.5.2凸点的类型

8.5.3焊料凸点及其制备方法

8.5.4金凸点与铜凸点及制备方法

8.5.5铜柱凸点及制备方法

8.5.6其他新型凸点

8.6倒装键合工艺

8.6.1焊料焊接

8.6.2金属直接键合

8.6.3导电胶连接

8.6.4凸点材料、尺寸与倒装工艺发展趋势

8.7底部填充工艺

8.7.1底部填充的作用

8.7.2底部填充工艺与材料

习题

参考文献

第9章BGA封装

9.1BGA的基本概念

9.2BGA封装出现的背景与历史

9.3BGA封装的分类与结构

9.3.1塑料BGA封装

9.3.2陶瓷BGA封装

9.3.3载带BGA封装

9.3.4金属BGA封装

9.4BGA封装工艺

9.4.1工艺流程

9.4.2BGA封装基板及制备

9.4.3主要封装工艺

9.5BGA的安装互连技术

9.5.1BGA的安装工艺流程

9.5.2BGA焊接的质量检测技术

习题

参考文献

第10章芯片尺寸封装

10.1概述

10.1.1CSP的定义

10.1.2CSP的特点

10.2CSP的分类

10.2.1按照内部互连方式分类

10.2.2按照外引脚类型分类

10.2.3按照基片种类分类

10.3基本类型CSP的结构与工艺

10.3.1引线框架式 CSP

10.3.2刚性基板式CSP

10.3.3挠性基板式CSP

10.3.4晶圆级CSP

10.3.5基于EMC包封的CSP

10.4堆叠CSP的结构与工艺

10.4.1芯片堆叠CSP

10.4.2引线框架堆叠CSP

10.4.3载带堆叠CSP

10.4.4焊球堆叠CSP

10.4.53D封装

10.5CSP的发展趋势

习题

参考文献

第11章晶圆级封装

11.1概述

11.2WLCSP技术的分类

11.3WLCSP工艺流程

11.3.1BOP技术

11.3.2RDL技术

11.3.3包封式WLP技术

11.3.4柔性载带WLP技术

11.4扇入型WLP与扇出型WLP 

11.5FOWLP工艺流程与技术特点

11.5.1FOWLP的基本工艺流程

11.5.2FOWLP的优点

11.5.3FOWLP面临的挑战

11.6WLP的发展趋势与异构集成

11.6.1WLP的应用发展趋势

11.6.2WLP的技术发展

习题

参考文献

第12章2.5D/3D封装技术

12.13D封装的基本概念

12.1.13D封装的优势与发展背景

12.1.23D封装的结构类型与特点

12.2封装堆叠

12.2.1基于引线框架堆叠的3D封装技术

12.2.2载带堆叠封装

12.2.3基于焊球互连的封装堆叠

12.2.4柔性载带折叠封装

12.2.5基于边缘连接器的堆叠

12.2.6侧面图形互连堆叠

12.3芯片堆叠

12.3.1基于焊线的堆叠

12.3.2基于倒装 焊线的堆叠

12.3.3基于硅通孔的3D封装

12.3.4薄芯片集成3D封装

12.3.5芯片堆叠后埋入

12.4芯片埋入类型3D封装

12.4.1塑封芯片埋入

12.4.2层压芯片埋入

12.52.5D封装和封装转接板 

12.5.12.5D封装结构

12.5.2转接板的主要类型和作用

12.5.3TSV转接板2.5D封装

12.5.4TGV转接板2.5D封装

12.5.5无通孔的转接板2.5D封装

12.5.6无转接板的2.5D封装

12.6TSV工艺

12.6.1TSV技术概述

12.6.2TSV工艺流程

12.6.3TSV技术的关键工艺

12.6.4TSV应用发展情况

12.6.5TSV技术展望

12.73D封装的应用、面临挑战与发展趋势

习题

参考文献

第13章系统级封装技术

13.1系统级封装的概念

13.2系统级封装发展的背景

13.3SIP与SOC、SOB的比较

13.4SIP的封装形态分类与对应技术方案

13.5系统级封装的技术解析

13.5.1互连技术

13.5.2SIP结构

13.5.3无源元器件与集成技术

13.5.4新型异质元器件与集成技术

13.5.5电磁干扰屏蔽技术

13.5.6封装天线技术

13.6SIP产品的应用

13.7SIP的发展趋势和面临的挑战

13.7.1SIP的发展趋势

13.7.2SIP面临的挑战

习题

参考文献

第14章印制电路板工艺

14.1印制电路板的基本概念

14.2印制电路板的功能

14.3印制电路板的分类

14.3.1按照层数分类

14.3.2按照基材分类

14.3.3按照硬度分类

14.4PCB的技术发展进程

14.5印制电路板的基本工艺概述

14.5.1加成法、减除法和半加成法

14.5.2主要原物料介绍

14.5.3涉及的主要制作工艺

14.6单面、双面刚性PCB的典型工艺流程

14.6.1半加成法双面PCB制作工艺

14.6.2减除法双面PCB制作工艺 

14.6.3单面印制电路板制作工艺

14.6.4加成法双面PCB制作工艺

14.7刚性多层板及其工艺流程

14.8积层多层板

14.8.1积层多层板的历史

14.8.2有芯板和无芯板

14.8.3积层多层板关键技术

14.8.4积层多层板的特点

14.9挠性印制电路

14.9.1挠性印制电路板基本概念

14.9.2挠性印制电路板的主要材料

14.9.3单面挠性电路板的制作

14.9.4双面挠性电路板的制作

14.9.5多层挠性电路板的制作

14.9.6刚挠结合板制作工艺

14.10印制电路板的发展趋势与市场应用

习题

参考文献

第15章封装基板工艺

15.1封装基板的基本概念

15.2陶瓷基板及制作工艺

15.2.1厚膜陶瓷基板

15.2.2薄膜陶瓷基板

15.2.3共烧多层陶瓷基板

15.2.4高电流陶瓷基板

15.3刚性有机基板

15.4挠性有机基板

15.5基板的发展趋势

15.5.1陶瓷封装基板的发展趋势

15.5.2刚性有机基板的发展趋势

15.5.3挠性有机基板的发展趋势

习题

参考文献

第16章电子组装技术

16.1电子组装技术的概念与发展历史

16.2通孔插装和表面贴装的特点与比较

16.3波峰焊技术

16.4表面贴装与回流焊技术

16.5典型组装方式与流程选择

16.6选择性焊接技术

16.7封装中的表面贴装

习题

参考文献

第17章电子产品的绿色制造

17.1电子产品中的有害物质

17.1.1铅

17.1.2其他重金属及其化合物

17.1.3含卤有害有机物

17.1.4助焊剂及清洗剂中的有害物质

17.2电子产品相关环保标准与法规

17.2.1RoHS

17.2.2WEEE

17.2.3REACH

17.2.4其他相关环保法规

17.3电子产品的无铅制造

17.3.1无铅焊料

17.3.2无铅组装焊接技术

17.3.3低污染助焊剂

习题

参考文献

第18章封装中的材料

18.1有机基板材料

18.1.1刚性有机基板材料

18.1.2挠性有机基板材料

18.2无机基板材料

18.2.1陶瓷基板材料

18.2.2玻璃基板材料

18.3引线框架材料

18.4黏结材料

18.5引线键合材料

18.5.1引线键合材料的参数选材要求

18.5.2金丝键合系统

18.5.3铝(硅铝)丝键合系统

18.5.4铜丝键合系统

18.5.5银丝键合系统

18.6环氧树脂模塑料材料

18.6.1填充剂

18.6.2环氧树脂

18.6.3固化剂

18.6.4固化促进剂

18.6.5硅烷偶联剂