先进电子封装技术与关键材料丛书--微电子封装和集成的建模与仿真（英文版）

图书标准信息

• 作者 刘勇 著；刘胜
• 出版社 化学工业出版社
• 出版时间 2021-12
• 版次 2
• ISBN 9787122392275
• 定价 498.00元
• 装帧 精装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 696页
• 字数 1.442千字

【内容简介】

随着电子封装的发展，电子封装已从传统的四个主要功能（电源系统、信号分布及传递、散热与机械保护）扩展为六个功能，即增加了DFX 及系统测试两个新的功能。其中DFX 是为“X”而设计，X 包括：可制造性、可靠性、可维护性、成本，甚至六西格玛。DFX 有望在产品设计阶段实现工艺窗口的确定、可靠性评估和测试结构及参数的设计等功能，真正做到“次就能成功”，从而将计算机辅助工程（CAE）变为计算机主导工程（CE），以大大加速产品的上市速度。本书是全面介绍DFX 在封装中应用的图书。作为封装工艺过程和快速可靠性评估及测试建模仿真的本专著，书中包含两位作者在工业界二十多年的丰富经验，以及在MEMS、IC和LED 封装部分成功的实例，希望能给国内同行起到抛砖引玉的作用。同时，读者将会从书中的先进工程设计和微电子产品的并行工程和协同设计方法中受益。
   本书第2 版新增了两位作者在电子制造和封装领域新的成果与经验，例如电力电子模块的建模和仿真、电子封装耐热性的分析模型、3D TSV 封装等内容。
   本书主要读者对象为学习DFX（制造工艺设计、测试设计、可靠性设计等）的研究人员、工程师和学生等。

【作者简介】

刘胜，武汉大学工业科学研究院，长江学者、科技部863计划、十一五重大项目“半导体照明工程”总体专家组成员，院长、教授，长江学者，博士生导师。1992年毕业于Stanford大学、获得博士学位。1998年在美国韦恩州立大学任终身副教授。2006年回国任华中科技大学教授，同时受聘于武汉光电国家实验室。目前是中国科技部“863计划”“十一五”半导体照明重大专项的11个专家之一， “863计划”“十五”微机电系统(MEMS)重大专项总体专家组成员5个专家之一。1995年获得美国白宫总统教授奖，1996年获得ASME青年工程师奖，1999年被评为中国海外杰出青年科学家。

【目录】

Foreword by Jianbin Luo xv 

Foreword by C. P.  xvii 

Foreword by Zhigang Suo xix 

Preface to Second Edition xxi 

Preface to First Edition xxiii 

Acknowledgments xxv 

About the Authors xxvii 

Part I Mechanics and Modeling 1 

1 Constitutive Models and Finite Element Method 3 

1.1 Constitutive Models for Typical Materials 3 

1.1.1 Linear Elasticity 3 

1.1.2 Elastic-Visco-Plasticity 5 

1.2 Finite Element Method 9 

1.2.1 Basic Finite Element Equations 9 

1.2.2 Nonlinear Solution Methods 12 

1.2.3 Advanced Modeling Techniques in Finite Element Analysis 14 

1.2.4 Finite Element Applications in Semiconductor Packaging Modeling 17 

1.3 Chapter Summary 18 

References 19 

2 Material and Structural Testing for Small Samples 21 

2.1 Material Testing for Solder Joints 21 

2.1.1 Specimens 21 

2.1.2 A Thermo-Mechanical Fatigue Tester 23 

2.1.3 Tensile Test 24 

2.1.4 Creep Test 26 

2.1.5 Fatigue Test 31 

2.2 Scale Effect of Packaging Materials 32 

2.2.1 Specimens 33 

2.2.2 Experimental Results and Discussions 34 

2.2.3 Thin Film Scale Dependence for Polymer Thin Films 39 

2.3 Two-Ball Joint Specimen Fatigue Testing 41 

2.4 Chapter Summary 41 

References 43  

3 Constitutive and User-Supplied Subroutines for Solders Considering Damage Evolution 45 

3.1 Constitutive Model for Tin-Lead Solder Joint 45 

3.1.1 Model Formulation 45 

3.1.2 Determination of Material Constants 47 

3.1.3 Model Prediction 49 

3.2 Visco-Elastic-Plastic Properties and Constitutive Modeling of Underfills 50 

3.2.1 Constitutive Modeling of Underfills 50 

3.2.2 Identification of Material Constants 55 

3.2.3 Model Verification and Prediction 55 

3.3 A Damage Coupling Framework of Unified Viscoplasticity for the Fatigue of Solder Alloys 56 

3.3.1 Damage Coupling Thermodynamic Framework 56 

3.3.2 Large Deformation Formulation 62 

3.3.3 Identification of the Material Parameters 63 

3.3.4 Creep Damage 66 

3.4 User-Supplied Subroutines for Solders Considering Damage Evolution 67 

3.4.1 Return-Mapping Algorithm and FEA Implementation 67 

3.4.2 Advanced Features of the Implementation 69 

3.4.3 Applications of the Methodology 71 

3.5 Chapter Summary 76 

References 76 

4 Accelerated Fatigue Life Assessment Approaches for Solders in Packages 79 

4.1 Life Prediction Methodology 79 

4.1.1 Strain-Based Approach 80 

4.1.2 Energy-Based Approach 82 

4.1.3 Fracture Mechanics-Based Approach 82 

4.2 Accelerated Testing Methodology 82 

4.2.1 Failure Modes via Accelerated Testing Bounds 83 

4.2.2 Isothermal Fatigue via Thermal Fatigue 83 

4.3 Constitutive Modeling Methodology 83 

4.3.1 Separated Modeling via Unified Modeling 83 

4.3.2 Viscoplasticity with Damage Evolution 84 

4.4 Solder Joint Reliability via FEA 84 

4.4.1 Life Prediction of Ford Joint Specimen 84 

4.4.2 Accelerated Testing: Insights from Life Prediction 87 

4.4.3 Fatigue Life Prediction of a PQFP Package 91 

4.5 Life Prediction of Flip-Chip Packages 93 

4.5.1 Fatigue Life Prediction with and without Underfill 93 

4.5.2 Life Prediction of Flip-Chips without Underfill via Unified and Separated Constitutive Modeling 95 

4.5.3 Life Prediction of Flip-Chips under Accelerated Testing 96 

4.6 Chapter Summary 99 

References 99 

5 Multi-Physics and Multi-Scale Modeling 103 

5.1 Multi-Physics Modeling 103 

5.1.1 Direct-Coupled Analysis 103 

5.1.2 Sequential Coupling 104 

5.2 Multi-Scale Modeling 106 

5.3 Chapter Summary 107 

References 108 

6 Modeling Validation Tools 109 

6.1 Structural Mechanics Analysis 109 

6.2 Requirements of Experimental Methods for Structural Mechanics Analysis 111 

6.3 Whole Field Optical Techniques 112 

6.4 Thermal Strains Measurements Using Moire Interferometry 113 

6.4.1 Thermal Strains in a Plastic Ball Grid Array (PBGA) Interconnection 113 

6.4.2 Real-Time Thermal Deformation Measurements Using Moire Interferometry 116 

6.5 In-Situ Measurements on. Micro-Machined Sensors 116 

6.5.1 Micro-Machined Membrane Structure in a Chemical Sensor 116 

6.5.2 In-Situ Measurement Using Twyman-Green Interferometry 118 

6.5.3 Membrane Deformations due to Power Cycles 118 

6.6 Real-Time Measurements Using Speckle Interferometry 119 

6.7 Image Processing and Computer Aided Optical Techniques 120 

6.7.1 Image ftocessing for Fringe Analysis 120 

6.7.2 Phase Shifting Technique for Increasing Displacement Resolution 120 

6.8 Real-Time Thermal-Mechanical Loading Tools 123 

6.8.1 Micro-Mechanical Testing 123 

6.8.2 Environmental Chamber 124 

6.9 Warpage Measurement Using PM-SM System 124 

6.9.1 Shadow Moire and Project Moire Setup 125 

6.9.2 Warpage Measurement of a BGA, TXvo Crowded PCBs 127 

6.10 Chapter Summary 131 

References 131 

7 Application of Fracture Mechanics 135 

7.1 Fundamental of Fracture Mechanics 135 

7.1.1 Energy Release Rate 136 

7.1.2 J Integral 138 

7.1.3 Interfacial Crack 139 

7.2 Bulk Material Cracks in Electronic Packages 141 

7.2.1 Background 141 

7.2.2 Crack Propagation in Ceramic/Adhesive/Glass System 142 

7.2.3 Results 146 

7.3 Interfacial Fracture Toughness 148 

7.3.1 Background 148 

7.3.2 Interfacial Fracture Toughness of Flip-Chip Package 0between Passivated Silicon Chip and Underfill 150 

7.4 Three-Dimensional Energy Release Rate Calculation 159 

7.4.1 Fracture Analysis 160 

7.4.2 Results and Comparison 160 

7.5 Chapter Summary 165 

References 165 

8 Concurrent Engineering for Microelectronics 169 

8.1 Design Optimization 169 

8.2 New Developments and Trends in Integrated Design Tools 179 

8.3 Chapter Summary 183 

References 183 

Part II Modeling in Microelectronic Packaging and Assembly 185 

9 Typical IC Packaging and Assembly Processes 187 

9.1 Wafer Process and Thinning 188 

9.1.1 Wafer Process Stress Models 188 

9.1.2 Thin Film Deposition 189 

9.1.3 Backside Grind for Thinning 191 

9.2 Die Pick Up 193 

9.3 Die Attach 198 

9.3.1 Material Constitutive Relations 200 

9.3.2 Modeling and Numerical Strategies 201 

9.3.3 FEA Simulation Result of Flip-Chip Attach 204 

9.4 Wire Bonding 206 

9.4.1 Assumption, Material Properties and Method of Analysis 207 

9.4.2 Wire Bonding Process with Different Parameters 208 

9.4.3 Impact of Ultrasonic Amplitude 210 

9.4.4 Impact of Ultrasonic Frequency 212 

9.4.5 Impact of Friction Coefficients between Bond Pad and FAB 214 

9.4.6 Impact of Different Bond Pad Thickness 217 

9.4.7 Impact of Different Bond Pad Structures 217 

9.4.8 Modeling Results and Discussion for Cooling Substrate Temperature after Wire Bonding 221 

9.5 Molding 223 

9.5.1 Molding Flow Simulation 223 

9.5.2 Curing Stress Model 230 

9.5.3 Molding Ejection and Clamping Simulation 236 

9.6 Leadframe Forming/Singulation 241 

9.6.1 Euler Forward versus Backward Solution Method 242 

9.6.2 Punch Process Setup 242 

9.6.3 Punch Simulation by ANSYS Implicit 244 

9.6.4 Punch Simulation by LS-DYNA 246 

9.6.5 Experimental Data 248 

9.7 Chapter Summary 252 

References 252 

10 Opto Packaging and Assembly 255 

10.1 Silicon Substrate Based Opto Package Assembly 255 

10.1.1 State of the Technology 255 

10.1.2 Monte Carlo Simulation of Bonding/Soldering Process 256 

10.1.3 Effect of Matching Fluid 256 

10.1.4 Effect of the Encapsulation 258 

10.2 Welding of a Pump Laser Module 258 

10.2.1 Module Description 258 

10.2.2 Module Packaging Process Flow 258 

10.2.3 Radiation Heat Transfer Modeling for Hermetic Sealing Process 259 

10.2.4 Two-Dimensional FEA Modeling for Hermetic Sealing 260 

10.2.5 Cavity Radiation Analyses Results and Discussions 262 

10.3 Chapter Summary 264 

References 264 

11 MEMS and MEMS Package Assembly 267 

11.1 A Pressure Sensor Packaging (Deformation and Stress) 267 

11.1.1 Piezoresistance in Silicon 268 

11.1.2 Finite Element Modeling and Geometry 270  

11.1.3 Material Properties 270 

11.1.4 Results and Discussion 271 

11.2 Mounting of Pressure Sensor 273 

11.2.1 Mounting Process 273 

11.2.2 ModeUng 274 

11.2.3 Results 276 

11.2.4 Experiments and Discussions 277 

11.3 Thermo-Fluid Based Accelerometer Packaging 279 

11.3.1 Device Structure and Operation Principle 279 

11.3.2 Linearity Analysis 280 

11.3.3 Design Consideration 284 

11.3.4 Fabrication 285 

11.3.5 Experiment 285 

11.4 Plastic Packaging for a Capacitance Based Accelerometer 288 

11.4.1 Micro-Machined Accelerometer 289 

11.4.2 Wafer-Level Packaging 290 

11.4.3 Packaging of Capped Accelerometer 296 

11.5 Tire Pressure Monitoring System (TPMS) Antenna 303 

11.5.1 Test of TPMS System with Wheel Antenna 304 

11.5.2 3D Electromagnetic Modeling of Wheel Antenna 306 

11.5.3 Stress Modeling of Installed TPMS 307 

11.6 Thermo-Fluid Based Gyroscope Packaging 310 

11.6.1 Operating Principle and Design 312 

11.6.2 Analysis of Angular Acceleration Coupling 313 

11.6.3 Numerical Simulation and Analysis 314 

11.7 Microjets for Radar and LED Cooling 316 

11.7.1 Microjet Array Cooling System 319 

11.7.2 Preliminary Experiments 320 

11.7.3 Simulation and Model Verification 322 

11.7.4 Comparison and Optimization of Three Micrqjet Devices 324 

11.8 Air Flow Sensor 327 

11.8.1 Operation Principle 329 

11.8.2 Simulation of Flow Conditions 331 

11.8.3 Simulation of Temperature Field on the Sensor Chip Surface 333 

11.9 Direct Numerical Simulation of Particle Separation by Direct Current Dielectrophoresis 335 

11.9.1 Mathematical Model and Implementation 335 

11.9.2 Results and Discussion 339 

11.10 Modeling of Micro-Machine for Use in Gastrointestinal Endoscopy 342 

11.10.1 Methods 343 

11.10.2 Results and Discussion 348 

11.11 Chapter Summary 353 

References 354 

12 System in Package (SIP) Assembly 361 

12.1 Assembly Process of Side by Side Placed SIP 361 

12.1.1 Multiple Die Attach Process 361 

12.1.2 Cooling Stress and Warpage Simulation after Molding 365 

12.1.3 Stress Simulation in Trim Process 366 

12.2 Impact of the Nonlinear Materials Behaviors on the Flip-Chip Packaging Assembly Reliability 370 

12.2.1 Finite Element Modeling and Effect of Material Models 371 

12.2.2 Experiment 374 

12.2.3 Results and Discussions 375 

12.3 Stacked Die Flip-Chip Assembly Layout and the Matenal Selection 381 

12.3.1 Finite Element Model for the Stack Die FSBGA 383 

12.3.2 Assembly Layout Investigation 385 

12.3.3 Material Selection 389 

12.4 Chapter Summary References Part m Modeling in Microelectronic Package and Integration: Reliability and Test 393 

References 393 

  

Part III Modeling in Microelectronic Package and Integration: Reliability and Test 395 

13 Wafer Probing Test 397 

13.1 Probe Test Model 397 

13.2 Parameter Probe Test Modeling Results and Discussions 400 

13.2.1 Impact of Probe Tip Geometry Shapes 401 

13.2.2 Impact of Contact Friction 403 

13.2.3 Impact of Probe Tip Scrub 403 

13.3 Comparison Modeling: Probe Test versus Wire Bonding 406 

13.4 Design of Experiment (DOE) Study and Correlation of Probing Experiment and FEA Modeling 409 

13.5 Chapter Summary 411 

References 412 

14 Power and Thermal Cycling, Solder Joint Fatigue Life 413 

14.1 Die Attach Process and Material Relations 413 

14.2 Power Cycling Modeling and Discussion 413 

14.3 Thermal Cycling Modeling and Discussion 420 

14.4 Methodology of Solder Joint Fatigue Life Prediction 426 

14.5 Fatigue Life Prediction of a Stack Die Flip-Chip on Silicon (FSBGA) 427 

14.6 Effect of Cleaned and Non-Cleaned Situations on the Reliability of Flip-Chip Packages 434 

14.6.1 Finite Element Models for the Clean and Non-Clean Cases 435 

14.6.2 Model Evaluation 435 

14.6.3 Reliability Study for the Solder Joints 437 

14.7 Chapter Summary 438 

References 439 

15 Passivation Crack Avoidance 441 

15.1 Ratcheting-Induced Stable Cracking: A Synopsis 441 

15.2 Ratcheting in Metal Films 445 

15.3 Cracking in Passivation Films 447 

15.4 Design Modifications 449 

15.5 Chapter Summary 452 

References 452 

16 Drop Test 453 

16.1 Controlled Pulse Drop Test 453 

16.1.1 Simulation Methods 454 

16.1.2 Simulation Results 457 

16.1.3 Parametric Study 458 

16.2 Free Drop 460 

16.2.1 Simulated Drop Test Procedure 460 

16.2.2 Modeling Results and Discussion 461 

16.3 Portable Electronic Devices Drop Test and Simulation 467 

16.3.1 Test Set-Up 467 

16.3.2 Modeling and Simulation 468 

16.3.3 Results 470 

16.4 Embedded Ultrathin Sensor Chip Drop Test and Simulation 471 

16.4.1 Stress Sensor and Embedded Package 471 

16.4.2 Drop Impact FEM Modeling and Validation 473 

16.4.3 Parametric Study 476 

16.5 Chapter Summary 482 

References 483 

17 Electromigration 485 

17.1 Basic Migration Formulation and Algorithm 485 

17.2 Electromigration Examples from IC Device and Package 489 

17.2.1 A Sweat Structure 489 

17.2.2 A Flip-Chip CSP with Solder Bumps 492 

17.3 Chapter Summary 508 

References 509 

18 Popcorning in Plastic Packages 511 

18.1 Statement of Problem 511 

18.2 Analysis 513 

18.3 Results and Comparisons 515 

18.3.1 Behavior of a Delaminated Package due to Pulsed Heating-Verification 515 

18.3.2 Convergence of the Total Strain Energy Release Rate 516 

18.3.3 Effect of Delamination Size and Various Processes for a Thick Package 517 

18.3.4 Effect of Moisture Expansion Coefficient 526 

18.4 Chapter Summary 527 

References 528 

19 Modeling and Simulation of Power Electronic Modules 531 

19.1 Structure Analysis of Power Electronics with Microchannel Coolers 531 

19.2 Thermal Simulation of IGBT Module on Copper Microchannel Baseplate 533 

19.3 Residual Stress Analysis of IGBT Module on Copper Microchannel Baseplate 538 

19.4 Optimization for Warpage and Residual Stress Due to Reflow Process in IGBT Modules 547 

19.4.1 Effects of Copper Layer Patterns of DBC on Warpage and Stress 548 

19.4.2 Effects of the Arrangement of DBC Plates on Warpage and Residual Stress in IGBT Modules 549 

19.4.3 Effects of the Thickness of Packaging Components on Warpage and Residual Stress in IGBT Modules 550 

19.4.4 Effects of Pre-warped Copper Substrate on Warpage and Stress in IGBT Modules 551 

19.4.5 Experiment 552 

19.5 An Optimal Structural Design to Improve the Reliability of Al2O3-DBC Substrates under Thermal Cycling 554 

19.5.1 Failure Mechanisms of DBC Substrate 556 

19.5.2 Optimal Structure Design of DBC Substrate 558 

19.5.3 Results and Discussion 562 

19.6 Chapter Summary 565 

References 565 

20 Analytical Models for Thermal Resistances in Electronics Packaging 569 

20.1 Resistances Eccentric Heat Source on Rectangular Plate with Convective Cooling at Upper and Lower Surfaces 569 

20.1.1 Network Model 571 

20.1.2 Comparisons and Discussion 575 

20.2 Thermal Resistance Model for Calculating Mean Die Temperature of A Typical BGA Packaging 577 

20.2.1 Model Development 578 

20.2.2 Analysis and Calculation 587 

20.2.3 Results and Discussions 589 

20.3 Chapter Summary 590 

References 590 

21 3D Through Silicon Via (TSV) Packaging 593 

21.1 A New Prewetting Process of TSV Electroplating for 3D Integration 593 

21.1.1 Modeling and Simulation 593 

21.1.2 Experiments 596 

21.1.3 Results and Discussions 598 

21.2 Study of Annular Copper-Filled TSVs of Sensor and Interposer Chips for 

3D Integration 599 

21.2.1 Experiments 600 

21.2.2 Results and Discussion 602 

21.3 Chapter Summary 608 

References 608 

Part IV Modern Modeling and Simulation Methodologies: Application to Nano Packaging 611 

22 Classical Molecular Dynamics 613 

22.1 General Description of Molecular Dynamics Method 613 

22.2 Mechanism of Carbon Nanotube Welding onto the Metal 614 

22.2.1 Computational Methodology 614 

22.2.2 Results and Discussion 615 

22.3 Applications of Car-Parrinello Molecular Dynamics 622 

22.3.1 Car-Parrinello Simulation of Initial Growth Stage of Gallium Nitride 

on Carbon Nanotube 622 

22.3.2 Effects of Mechanical Deformation on Outer Surface Reactivity of Carbon Nanotubes 626 

22.3.3 Adsorption Configuration of Magnesium on Wurtzite Gallium Nitride Surface Using First-Principles Calculations 631 

22.4 Nano-Welding by RF Heating 636 

22.5 Chapter Summary 640 

References 640 

23 Aluminum Nitride Deposition 645 

23.1 Study Effects of Temperature and N: Al Flux Ratio on Deposited AlN 645 

23.1.1 Model and Methods 645 

23.1.2 Results and Discussion 647 

23.2 AlN Deposition on GaN Substrate 653 

Contents xiii 

23.2.1 Analysis Methods 654 

23.2.2 Results and Discussion 655 

23.3 Atomic Simulation of AlGaN Film Deposition on AlN Template 662 

23.3.1 Analysis Methods 662 

23.3.2 Results and Discussion 662 

23.4 Chapter Summary 667 

References 667 

24 Mechanical Properties of AlN and Graphene 671 

24.1 Mechanical Properties of AlN with Raman Verification 671 

24.1.1 Methodology 672 

24.1.2 Results and Analysis 672 

24.2 Stress Evolution in AlN and GaN Grown on Si(111): Experiments and Theoretical Modeling 676 

24.2.1 Sample Preparation and Material Characteristics 677 

24.2.2 Stress Characterization 679 

24.2.3 Simulations 681 

24.3 Molecular Distinctive Nanofriction of Graphene Coated Copper Foil 685 

24.3.1 Modeling and Method 686 

24.3.2 Results and Discussion 687 

24.4 Chapter Summary 691 

References 692 

Appendix Conversion Tables and Constants 696