晶圓級芯片封裝技術

曲世春（Shichun Qu）博士，於2007年加入美國加州聖克拉拉的國家半導體公司，參與了先進引線框架封裝的開發、焊盤上高溫引線鍵合金屬化研究和生產鑒定，以及高引腳數WLCSP技術研究。2011年加入仙童半導體公司後，他大部分時間都致力於瞭解WLCSP芯片/PCB的相互作用，並微調WLCSP設計和凸點工藝，通過在更高引腳數下擴展使用低掩模數凸點技術來實現有競爭力的製造成本。

譯者序
原書前言
致謝
作者簡介
第1章　晶圓級芯片模擬和功率器件封裝的需求和挑戰1
1.1　模擬和功率WLCSP需求1
1.2　芯片收縮影響2
1.2.1　芯片收縮產生的影響2
1.2.2　晶圓級片上系統與系統級封裝3
1.3　扇入與扇出3
1.4　功率WLCSP開發4
1.4.1　與常規分立功率封裝相比的晶圓級MOSFET4
1.4.2　更高的載流能力5
1.4.3　低Rds （on）電阻和更好的熱性能6
1.4.4　功率IC封裝的發展趨勢7
1.4.5　晶圓級無源器件的發展趨勢8
1.4.6　晶圓級堆疊/3D功率芯片SiP8
1.5　總結10
參考文獻10
第2章　扇入型WLCSP12
2.1　扇入型WLCSP簡介12
2.2　WLCSP凸點技術13
2.3　WLCSP 凸點工藝和成本考慮14
2.4　WLCSP 的可靠性要求16
2.5　跌落測試中的應力17
2.6　TMCL 中的應力18
2.7　高可靠性WLCSP設計19
2.8　用於精確可靠性評估的測試芯片設計19
2.9　BoP設計規則25
2.10　RDL設計規則28
2.11　總結31
參考文獻31
第3章　扇出型WLCSP32
3.1　扇出型WLCSP簡介32
3.2　高產扇出模式的形成37
3.3　再分佈芯片封裝和嵌入式晶圓級球柵陣列38
3.4　扇出型WLCSP的優勢38
3.5　扇出型WLCSP的挑戰39
3.6　扇出型WLCSP的可靠性45
3.7　扇出型設計規則46
3.8　扇出型WLCSP的未來47
參考文獻51
第4章　可堆疊的晶圓級模擬芯片封裝52
4.1　引言52
4.2　多芯片模塊封裝53
4.3　疊片封裝和疊層封裝55
4.4　三維集成電路（3D IC）58
4.4.1　矽通孔（TSV）59
4.4.2　TSV的形成60
4.4.3　先通孔、後通孔和中通孔62
4.4.4　TSV填充63
4.4.5　3D IC鍵合64
4.4.6　TSV 3D IC集成65
4.5　晶圓級3D集成66
4.5.1　3D MEMS和傳感器WLCSP67
4.6　嵌入式WLCSP70
4.7　總結71
參考文獻72
第5章　晶圓級分立式功率MOSFET封裝設計74
5.1　分立式功率WLCSP的介紹與發展趨勢74
5.2　分立式功率WLCSP設計結構75
5.2.1　典型的分立式功率WLCSP設計結構76
5.2.2　功率MOSFET BGA76
5.2.3　在分立式功率WLCSP中將MOSFET漏極移到前側78
5.3　晶圓級MOSFET的直接漏極設計78
5.3.1　直接漏極VDMOSFET WLCSP的構建79
5.3.2　直接漏極VDMOSFET WLCSP的其他結構79
5.4　帶有銅柱凸點的功率VDMOSFET WLCSP80
5.4.1　在功率WLCSP上進行銅柱凸點構建80
5.4.2　銅柱凸點過程中鋁層下的BPSG剖面81
5.5　帶嵌入式WLCSP的3D功率模塊87
5.5.1　引言87
5.5.2　嵌入式WLCSP模塊89
5.5.3　可靠性測試90
5.5.4　討論95
5.6　總結96
參考文獻96
第6章　用於模擬和功率集成解決方案的晶圓級TSV/堆疊芯片封裝97
6.1　模擬和功率集成的設計理念97
6.2　模擬和功率SoC WLCSP101
6.2.1　模擬和功率SoC WLCSP設計佈局101
6.2.2　焊點應力和可靠性分析102
6.3　帶TSV的晶圓級功率堆疊芯片3D封裝104
6.3.1　晶圓級功率堆疊芯片封裝的設計理念104
6.3.2　熱分析105
6.3.3　組裝過程中的應力分析107
6.4　用於模擬和功率集成的晶圓級TSV/堆疊芯片概念118
6.5　帶有有源和無源芯片的集成功率封裝119
6.6　總結120
參考文獻120
第7章　WLCSP的熱管理、設計和分析121
7.1　熱阻及其測量方法121
7.1.1　熱阻的概念121
7.1.2　結溫敏感參數法122
7.1.3　熱阻測量124
7.1.4　熱阻測量環境：結-環境熱阻124
7.2　WLCSP導熱測試板125
7.2.1　低效導熱測試板127
7.2.2　高效導熱測試板127
7.2.3　WLCSP的典型JEDEC板127
7.3　WLCSP的熱分析與管理128
7.3.1　參數化模型的構建128
7.3.2　參數化模型的應用132
7.3.3　熱模擬分析133
7.4　WLCSP的瞬態熱分析137
7.4.1　4×5 WLCSP的概述和瞬態材料特性137
7.5　總結140
參考文獻141
第8章　模擬和功率WLCSP的電氣和多物理模擬142
8.1　電氣模擬方法：提取電阻、電感和電容142
8.1.1　提取電感和電阻142
8.1.2　電容提取方法148
8.2　扇出型模製芯片級封裝的電氣模擬154
8.2.1　MCSP簡介154
8.2.2　帶GGI工藝的40引腳MCSP的RLC模擬155
8.2.3　引線鍵合MCSP及其與GGI型MCSP的電氣性能比較155
8.3　0.18μm晶圓級功率技術的電遷移預測和測試164
8.3.1　簡介164
8.3.2　電遷移模型的建立164
8.3.3　電遷移晶圓級實驗測試165
8.3.4　有限元模擬167
8.3.5　討論175
8.4　模擬無鉛焊點中微觀結構對電遷移的影響175
8.4.1　簡介175
8.4.2　遷移的直接積分法176
8.4.3　WLCSP中焊料凸點微觀結構的有限元分析建模177
8.4.4　模擬結果與討論180
8.4.5　討論185
8.5　總結185
參考文獻185
第9章　WLCSP 組裝187
9.1　引言187
9.2　PCB 設計188
9.2.1　SMD和NSMD188
9.2.2　焊盤尺寸189
9.2.3　PCB焊盤錶面處理189
9.2.4　WLCSP 下的通孔190
9.2.5　局部靶標190
9.2.6　PCB材料191
9.2.7　PCB布線和銅覆蓋192
9.3　鋼網和焊錫膏192
9.3.1　通用鋼網設計指南192
9.3.2　焊錫膏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　噴嘴和送料器195
9.4.4　高速錶面貼裝註意事項195
9.4.5　定位精度要求196
9.4.6　放置原則選項196
9.4.7　視覺系統197
9.4.8　算法197
9.4.9　送料和助焊劑198
9.4.10　總結198
9.5　迴流焊198
9.5.1　預熱區199
9.5.2　保溫200
9.5.3　迴流200
9.5.4　冷卻201
9.5.5　迴流爐201
9.5.6　WLCSP迴流201
9.5.7　無鉛（Sn–Ag–Cu）焊料的迴流曲線和關鍵參數202
9.5.8　雙面 SMT203
9.5.9　迴流後檢驗203
9.5.10　助焊劑清潔204
9.5.11　返工204
9.5.12　底部填充205
9.5.13　WLSCP 底層填充工藝要求205
9.6　WLCSP儲存和保質期206
9.7　總結207
參考文獻207
第10章　WLCSP典型可靠性和測試208
10.1　WLCSP可靠性測試概述208
10.1.1　可靠性壽命208
10.1.2　失效率208
10.1.3　模擬和功率WLCSP的典型可靠性測試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　測試程序和試樣214
10.2.3　沖擊測試的實驗研究215
10.2.4　基於FEM的模擬與分析216
10.2.5　討論221
10.3　WLCSP組裝迴流工藝和PCB設計的可靠性223
10.3.1　引言223
10.3.2　3種PCB設計及其FEA模型224
10.3.3　模擬結果228
10.3.4　討論和改進計劃230
10.4　WLCSP板級跌落測試234
10.4.1　引言234
10.4.2　WLCSP跌落測試和模型設置234
10.4.3　不同設計變量的跌落沖擊模擬/測試及討論237
10.4.4　跌落測試239
10.4.5　討論241
10.5　WLCSP可靠性設計241
10.5.1　引言241
10.5.2　有限元模型設置242
10.5.3　跌落測試和熱循環模擬結果243
10.5.4　跌落測試和熱循環測試253
10.5.5　討論257
10.6　總結257
參考文獻258