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新书上架！《晶圆级芯片封装技术》

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主要观点总结

本书《晶圆级芯片封装技术》提供了对晶圆级芯片封装（WLCSP）技术的全面概述，包括其在模拟和功率半导体中的应用。本书包括扇入型和扇出型WLCSP的概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估等关键主题。此外，还介绍了可堆叠的晶圆级封装解决方案、晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项、TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成解决方案、WLCSP的热管理、设计和分析以及电气和多物理仿真等内容。译者对原文进行了准确的翻译，并提供了有关晶圆级芯片封装技术的全面和最新的内容，对工程师和研究者都有很大的参考价值。

关键观点总结

关键观点1: 本书提供了晶圆级芯片封装技术的全面概述，包括其在模拟和功率半导体中的应用。

本书内容涵盖晶圆级封装的优势、发展历程、最新技术进展以及行业应用前景等方面。

关键观点2: 详细介绍了扇入型和扇出型WLCSP的关键技术

包括其概念、凸点工艺流程、设计要点以及可靠性评估等，帮助读者深入了解这两种封装形式的特点和优势。

关键观点3: 涵盖了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、TSV、MEMS和光电子应用等

书中对这些技术的原理、应用和发展趋势进行了详细介绍，反映了晶圆级封装技术的最新发展。

关键观点4: 对晶圆级封装在模拟和功率半导体中的应用进行了深入探讨

包括其在移动通信、计算设备等领域的应用，以及未来可能的应用场景。

关键观点5: 提供了关于WLCSP器件组装的内容

包括组装工艺、组装过程中的注意事项以及组装后的测试等内容。


正文

◆图书简介◆


《晶圆级芯片封装技术》主要从技术和应用两个层面对晶圆级芯片封装（Wafer-Level Chip-Scale Package，WLCSP）技术进行了全面的概述，并以系统的方式介绍了关键的术语，辅以流程图和图表等形式详细介绍了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、硅通孔（TSV）、微机电系统（MEMS）和光电子应用等，并着重针对其在模拟和功率半导体方面的相关知识进行了具体的讲解。《晶圆级芯片封装技术》主要包括模拟和功率WLCSP的需求和挑战，扇入型和扇出型WLCSP的基本概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估，WLCSP的可堆叠封装解决方案，晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项，TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成的解决方案，WLCSP的热管理、设计和分析的关键主题，模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真，WLCSP器件的组装，WLCSP半导体的可靠性和一般测试等内容。
《晶圆级芯片封装技术》可作为微电子、集成电路等领域工程技术人员的参考书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教学辅导书。

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◆ 目录：◆
译者序
原书前言
致谢
作者简介
第1章　晶圆级芯片模拟和功率器件封装的需求和挑战 1
1.1　模拟和功率WLCSP需求 1
1.2　芯片收缩影响 2
1.2.1　芯片收缩产生的影响 2
1.2.2　晶圆级片上系统与系统级封装 3
1.3　扇入与扇出 3
1.4　功率WLCSP开发 4
1.4.1　与常规分立功率封装相比的晶圆级MOSFET 4
1.4.2　更高的载流能力 5
1.4.3　低Rds （on）电阻和更好的热性能 6
1.4.4　功率IC封装的发展趋势 7
1.4.5　晶圆级无源器件的发展趋势 8
1.4.6　晶圆级堆叠/3D功率芯片SiP 8
1.5　总结 10
参考文献 10
第2章　扇入型WLCSP 12
2.1　扇入型WLCSP简介 12
2.2　WLCSP凸点技术 13
2.3　WLCSP 凸点工艺和成本考虑 14
2.4　WLCSP 的可靠性要求 16
2.5　跌落测试中的应力 17
2.6　TMCL 中的应力 18
2.7　高可靠性WLCSP设计 19
2.8　用于精确可靠性评估的测试芯片设计 19
2.9　BoP设计规则 25
2.10　RDL设计规则 28
2.11　总结 31
参考文献 31
第3章　扇出型WLCSP 32
3.1　扇出型WLCSP简介 32
3.2　高产扇出模式的形成 37
3.3　再分布芯片封装和嵌入式晶圆级球栅阵列 38
3.4　扇出型WLCSP的优势 38
3.5　扇出型WLCSP的挑战 39
3.6　扇出型WLCSP的可靠性 45
3.7　扇出型设计规则 46
3.8　扇出型WLCSP的未来 47
参考文献 51
第4章　可堆叠的晶圆级模拟芯片封装 52
4.1　引言 52
4.2　多芯片模块封装 53
4.3　叠片封装和叠层封装 55
4.4　三维集成电路（3D IC） 58
4.4.1　硅通孔（TSV） 59
4.4.2　TSV的形成 60
4.4.3　先通孔、后通孔和中通孔 62
4.4.4　TSV填充 63
4.4.5　3D IC键合 64
4.4.6　TSV 3D IC集成 65
4.5　晶圆级3D集成 66
4.5.1　3D MEMS和传感器WLCSP 67
4.6　嵌入式WLCSP 70
4.7　总结 71
参考文献 72
第5章　晶圆级分立式功率MOSFET封装设计 74
5.1　分立式功率WLCSP的介绍与发展趋势 74
5.2　分立式功率WLCSP设计结构 75
5.2.1　典型的分立式功率WLCSP设计结构 76
5.2.2　功率MOSFET BGA 76
5.2.3　在分立式功率WLCSP中将MOSFET漏极移到前侧 78
5.3　晶圆级MOSFET的直接漏极设计 78
5.3.1　直接漏极VDMOSFET WLCSP的构建 79
5.3.2　直接漏极VDMOSFET WLCSP的其他结构 79
5.4　带有铜柱凸点的功率VDMOSFET WLCSP 80
5.4.1　在功率WLCSP上进行铜柱凸点构建 80
5.4.2　铜柱凸点过程中铝层下的BPSG剖面 81
5.5　带嵌入式WLCSP的3D功率模块 87
5.5.1　引言 87
5.5.2　嵌入式WLCSP模块 89
5.5.3　可靠性测试 90
5.5.4　讨论 95
5.6　总结 96
参考文献 96
第6章　用于模拟和功率集成解决方案的晶圆级TSV/堆叠芯片封装 97
6.1　模拟和功率集成的设计理念 97
6.2　模拟和功率SoC WLCSP 101
6.2.1　模拟和功率SoC WLCSP设计布局 101
6.2.2　焊点应力和可靠性分析 102
6.3　带TSV的晶圆级功率堆叠芯片3D封装 104
6.3.1　晶圆级功率堆叠芯片封装的设计理念 104
6.3.2　热分析 105
6.3.3　组装过程中的应力分析 107
6.4　用于模拟和功率集成的晶圆级TSV/堆叠芯片概念 118
6.5　带有有源和无源芯片的集成功率封装 119
6.6　总结 120
参考文献 120
第7章　WLCSP的热管理、设计和分析 121
7.1　热阻及其测量方法 121
7.1.1　热阻的概念 121
7.1.2　结温敏感参数法 122
7.1.3　热阻测量 124
7.1.4　热阻测量环境：结-环境热阻 124
7.2　WLCSP导热测试板 125
7.2.1　低效导热测试板 127
7.2.2　高效导热测试板 127
7.2.3　WLCSP的典型JEDEC板 127
7.3　WLCSP的热分析与管理 128
7.3.1　参数化模型的构建 128
7.3.2　参数化模型的应用 132
7.3.3　热仿真分析 133
7.4　WLCSP的瞬态热分析 137
7.4.1　4×5 WLCSP的概述和瞬态材料特性 137
7.5　总结 140
参考文献 141
第8章　模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真 142
8.1　电气仿真方法：提取电阻、电感和电容 142
8.1.1　提取电感和电阻 142
8.1.2　电容提取方法 148
8.2　扇出型模制芯片级封装的电气仿真 154
8.2.1　MCSP简介 154
8.2.2　带GGI工艺的40引脚MCSP的RLC仿真 155
8.2.3　引线键合MCSP及其与GGI型MCSP的电气性能比较 155
8.3　0.18μm晶圆级功率技术的电迁移预测和测试 164
8.3.1　简介 164
8.3.2　电迁移模型的建立 164
8.3.3　电迁移晶圆级实验测试 165
8.3.4　有限元仿真 167
8.3.5　讨论 175
8.4　模拟无铅焊点中微观结构对电迁移的影响 175
8.4.1　简介 175
8.4.2　迁移的直接积分法 176
8.4.3　WLCSP中焊料凸点微观结构的有限元分析建模 177
8.4.4　仿真结果与讨论 180
8.4.5　讨论 185
8.5　总结 185
参考文献 185
第9章　WLCSP 组装 187
9.1　引言 187
9.2　PCB 设计 188
9.2.1　SMD和NSMD 188
9.2.2　焊盘尺寸 189
9.2.3　PCB焊盘表面处理 189
9.2.4　WLCSP 下的通孔 190
9.2.5　局部靶标 190
9.2.6　PCB材料 191
9.2.7　PCB布线和铜覆盖 192
9.3　钢网和焊锡膏 192
9.3.1　通用钢网设计指南 192
9.3.2　焊锡膏 193
9.4　器件放置 193
9.4.1　取放流程 194
9.4.2　定位精度 194
9.4.3　喷嘴和送料器 195
9.4.4　高速表面贴装注意事项 195
9.4.5　定位精度要求 196
9.4.6　放置原则选项 196
9.4.7　视觉系统 197
9.4.8　算法 197
9.4.9　送料和助焊剂 198
9.4.10　总结 198
9.5　回流焊 198
9.5.1　预热区 199
9.5.2　保温 200
9.5.3　回流 200
9.5.4　冷却 201
9.5.5　回流炉 201
9.5.6　WLCSP回流 201
9.5.7　无铅（Sn–Ag–Cu）焊料的回流曲线和关键参数 202
9.5.8　双面 SMT 203
9.5.9　回流后检验 203
9.5.10　助焊剂清洁 204
9.5.11　返工 204
9.5.12　底部填充 205
9.5.13　WLSCP 底层填充工艺要求 205
9.6　WLCSP储存和保质期 206
9.7　总结 207
参考文献 207
第10章　WLCSP典型可靠性和测试 208
10.1　WLCSP可靠性测试概述 208
10.1.1　可靠性寿命 208
10.1.2　失效率 208
10.1.3　模拟和功率WLCSP的典型可靠性测试 210
10.2　WLCSP焊球剪切性能和失效模式 213
10.2.1　引言 213
10.2.2　测试程序和试样 214
10.2.3　冲击测试的实验研究 215
10.2.4　基于FEM的仿真与分析 216
10.2.5　讨论 221
10.3　WLCSP组装回流工艺和PCB设计的可靠性 223
10.3.1　引言 223
10.3.2　3种PCB设计及其FEA模型 224
10.3.3　仿真结果 228
10.3.4　讨论和改进计划 230
10.4　WLCSP板级跌落测试 234
10.4.1　引言 234
10.4.2　WLCSP跌落测试和模型设置 234
10.4.3　不同设计变量的跌落冲击仿真/测试及讨论 237
10.4.4　跌落测试 239
10.4.5　讨论 241
10.5　WLCSP可靠性设计 241
10.5.1　引言 241
10.5.2　有限元模型设置 242
10.5.3　跌落测试和热循环仿真结果 243
10.5.4　跌落测试和热循环测试 253
10.5.5　讨论 257
10.6　总结 257
参考文献 258

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◆ 前言：◆
晶圆级芯片封装（WLCSP）是一种裸片封装，它不仅在所有IC封装形式中提供尽可能小的封装面积，而且具有卓越的电气性能和热性能，这主要归功于其组装的芯片和应用PCB之间直接通过焊料进行连接，具有低电阻、低热阻和低电感。对于性能要求高、尺寸要求较小的移动电子产品，其散热仅限于通过PCB传导到移动设备的外壳，而WLCSP是平衡这一看似矛盾需求的最佳芯片封装方案。
与倒装芯片封装相同，WLCSP向前迈出了大胆的一步，在半导体芯片上放置了足够大的焊料凸点，并允许其直接倒装在应用基板上。由于焊点占据了芯片/PCB 热膨胀系数（CTE）失配热/机械应力的很大一部分，除了基本的设备特定可靠性测试外，WLCSP在跌落测试、弯曲测试和温度循环测试等移动设备的可靠性测试中也表现出了优异的可靠性。这种封装形式的鲁棒性也在数十亿移动消费电子设备的日常使用寿命中得到了证明。随着凸点技术的不断发展，如聚合物再钝化焊盘上凸点（Bump on Pad，BoP）、铜的再分布层（Redistrbution Layer，RDL）、RDL上的正面模制铜柱、强力的硅背面研磨、先进的合金焊料和设计技巧，使得WLCSP将硅片尺寸范围从早期的2-3mm扩展到了8-10mm，同时持续减少了200mm和300mm晶圆尺寸大批量生产时的单位成本。封装尺寸范围的可用性和有利的成本结构使WLCSP成为各种半导体器件的良好封装候选，从模拟/混合信号和无线连接芯片到光电子、功率电子以及逻辑和存储器芯片。3D晶圆级芯片堆叠的创新进一步使WLCSP成为MEMS和传感器芯片封装的可行选择。
WLCSP的优点在于从开始到结束都是基于晶圆的处理。WLCSP打破了晶圆厂工艺和后端封装操作的界限，不同于传统封装技术，其封装过程更加集成化和自动化。WLCSP的封装操作因其高自动化和高产率而广为人知，包括凸点、检查和测试，从一步到另一步都是完全自动化的。并且，得益于半个世纪的晶圆加工技术设计技巧积累，整体WLCSP（通常称为凸点）的良率也接近100%。考虑到这一点，即使对于芯片扇出型封装，基于200mm或300mm尺寸重构晶圆的晶圆加工形式从一开始就是优选的方法就一点也不奇怪了。
WLCSP在过去十年中取得了巨大的增长，这主要得益于全球消费者对移动通信和计算设备需求的持续增长。随着两位数的市场价值（包括晶圆凸点、测试和晶圆加工服务，如背面研磨、标记、切割以及胶带和卷轴）的增长，WLCSP仍然是各种背景的封装工程师所采用的最重要的封装技术之一。
《晶圆级芯片封装技术》的目的是为读者提供关于WLCSP技术的全面概述。作者还打算分享WLCSP在模拟和功率半导体中应用的具体知识。本书还简要介绍了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、TSV、MEMS和光电子应用等。
《晶圆级芯片封装技术》共有10章，第1章概述了模拟和功率WLCSP的需求和挑战；第2、3章涵盖了扇入型和扇出型WLCSP的基本概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估；第4章专门介绍涉及WLCSP的可堆叠封装解决方案；第5章详细介绍了晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项；第6章详细讨论了TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成的解决方案；第7章是关于WLCSP的热管理、设计和分析的关键主题；第8章继续介绍模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真，并介绍了0.18μm功率技术电迁移研究的新进展；第9章涉及WLCSP器件的组装；第10章总结了WLCSP半导体的可靠性和一般测试。
凭借多年的半导体封装经验，以及对晶圆级封装的关注，作者试图在10章中提供均衡且最新的内容。我们希望《晶圆级芯片封装技术》对于那些需要在短时间内学习WLCSP技术最重要知识的年轻工程师来说，是一个很好的入门材料。同时，我们也希望经验丰富的工程师能发现本书是很好的参考资料，不仅能帮助他们跟上快速的技术进步，还能帮助他们应对日常的工程挑战。
Shichun Qu　　
美国加利福尼亚州圣何塞　　
Yong Liu　　
美国缅因州南波特兰
◆ 序言：◆
随着电子信息产业的不断发展，智能手机、5G、AI等新兴市场对封装技术提出了更高的要求，使得封装技术朝着高度集成、三维、超细节距互连等方向发展。晶圆级封装技术可以减小芯片尺寸、布线长度、焊球间距等，因此可以提高集成电路的集成度、处理器的速度等，并降低功耗，提高可靠性，顺应了电子产品日益轻薄短小、低成本的发展需求。而晶圆级芯片封装涉及器件、封装结构设计、材料、工艺、电设计、热管理、热机械性能、可靠性等多学科，需要一批较好的有关晶圆级芯片封装的科研参考资料和教学参考书。《晶圆级芯片封装技术》图文并茂、数据翔实，对我国高校微电子专业高年级本科生和研究生，尤其是从事晶圆级芯片封装技术研究的学生，以及从事晶圆级芯片封装相关制造、研究和应用的专业技术人员都会有较大帮助。
《晶圆级芯片封装技术》得以翻译出版离不开机械工业出版社相关编辑的精心策划与指导，衷心感谢机械工业出版社对我们的信任，以及相关编辑和审校人员认真细致的工作和良好的协同合作精神。《晶圆级芯片封装技术》翻译主要由哈尔滨工业大学材料精密结构焊接与连接全国重点实验室的张墅野老师团队负责，包括何鹏、荆馨仪、周成龙、李子寒、邵建航、刘进鸿、初远帆、梁凯洺、万文强、朱鹏宇、李振锋等人，译者在此衷心感谢所有相关人员的辛勤工作。晶圆级芯片封装技术涉及知识面较宽，新兴材料和新工艺概念术语较多，因译者翻译和学术水平有限，其中的译文表达不当之处在所难免，如有错译以及不妥之处，恳请广大读者给予谅解并指正。
再次衷心感谢参与《晶圆级芯片封装技术》翻译、审校的各位译者和审校者，没有他们渊博的知识和忘我认真的工作，本书很难达到目前的水平。衷心感谢在本书翻译过程中给予我们支持和帮助的所有朋友和人士。如果《晶圆级芯片封装技术》对读者、对我国的微电子封装的教学和微电子封装产业的发展有所帮助，那将是我们最大的欣慰。
译　者　　
◆ 作者简介：◆
Shichun Qu博士，于2007年加入美国加州圣克拉拉的国家半导体公司，参与了先进引线框架封装的开发、焊盘上高温引线键合金属化研究和生产鉴定，以及高引脚数WLCSP技术研究。2011年加入仙童半导体公司后，他大部分时间都致力于了解WLCSP芯片/PCB的相互作用，并微调WLCSP设计和凸点工艺，通过在更高引脚数下扩展使用低掩模数凸点技术来实现有竞争力的制造成本。
Yong Liu博士，自2001年以来一直在美国仙童半导体公司工作，2008年起担任高级技术人员,目前是仙童半导体公司全球电气、热机械建模和分析团队的负责人。他的主要兴趣领域是先进的模拟和电力电子封装、建模和仿真、可靠性和组装工艺。他在期刊和会议上合作发表了170多篇论文，并在3D/Stack/TSV IC 和电力电子封装领域获得了45项美国专利。
◆ 译者简介：◆
张墅野，哈尔滨工业大学副教授、博士生导师，IEEE Senior member，长期从事2.5D/3D架构的异构集成封装工艺及可靠性研究。主持国家重点研发计划课题和国家自然科学基金面上项目等11项，发表SCI文章92篇，申请国家发明专利20项，授权13项，软件著作权1项。荣获省部级行业奖励4项，2021年IEEE电子封装成就证书。

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