微電子器件及封裝的建模與仿真

前言

當(dāng)前，全球已迎來(lái)了信息時(shí)代，電子信息技術(shù)極大地改變了人們的生活方式和工作方式，并成為體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家國(guó)力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志之一。半導(dǎo)體集成電路技術(shù)是電子信息技術(shù)的基石。目前，半導(dǎo)體集成電路封裝測(cè)試與設(shè)計(jì)和制造并稱為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的三大支柱。微電子封裝技術(shù)是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。同時(shí)，微電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展在很大程度上直接得益于微電子封裝技術(shù)的高速發(fā)展。因此，這兩者是相互影響、彼此促進(jìn)的?？煽啃栽诂F(xiàn)代電子產(chǎn)品中的地位已經(jīng)可以與產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)相提并論。保證和提高各種電子產(chǎn)品的可靠性已成為國(guó)內(nèi)外電子產(chǎn)業(yè)界的共同目標(biāo)。而微電子封裝的可靠陛則是保證電子產(chǎn)品整體可靠性的技術(shù)關(guān)鍵。現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展對(duì)電子控制的要求越來(lái)越高，電子技術(shù)的發(fā)展使電子封裝的服役環(huán)境更趨惡劣。例如，功能的多樣化及結(jié)構(gòu)的小型化，使得封裝器件的功率更大、溫度更高，從而使焊點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也更大。然而，可靠性的試驗(yàn)成本過(guò)高、試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，這極大限制了集成電路設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展速度。微電子封裝建模與仿真技術(shù)能夠?qū)ξ㈦娮臃庋b技術(shù)進(jìn)行快速的系統(tǒng)優(yōu)化和參數(shù)設(shè)計(jì)，可以大大縮短研發(fā)周期。近幾年來(lái)，我國(guó)微電子封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，對(duì)微電子封裝技術(shù)方面的書(shū)籍也產(chǎn)生了迫切的需求。目前，市場(chǎng)上關(guān)于封裝技術(shù)的著作不多，特別是關(guān)于微電子封裝建模與仿真技術(shù)的專著就更少了，這使得許多有心鉆研此領(lǐng)域的高等院校師生及工程技術(shù)人員，缺少一本系統(tǒng)介紹微電子封裝建模與仿真的專業(yè)書(shū)籍以在教學(xué)、科研、產(chǎn)業(yè)化中參考。這也是作者撰寫(xiě)此書(shū)的主要原因。本書(shū)對(duì)微電子封裝，以及微電子器件及封裝的進(jìn)展和趨勢(shì)，進(jìn)行了概括性的介紹；針對(duì)建模與仿真在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的作用，以及微電子封裝建模與仿真的進(jìn)展，詳細(xì)介紹了微電子熱管理模型、微電子封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真自動(dòng)化、微電子封裝組裝過(guò)程的建模、微電子封裝可靠性與測(cè)試建模、高級(jí)建模與仿真技術(shù)等。本書(shū)是對(duì)近年來(lái)微電子封裝建模與仿真技術(shù)的總結(jié)和整理，希望能夠?qū)こ碳夹g(shù)人員及相關(guān)專業(yè)人士起到拋磚引玉的作用。本書(shū)在體系上力求合理、完整，由淺人深地闡述封裝建模和仿真技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)閱讀本書(shū)，讀者能較容易地認(rèn)識(shí)封裝建模和仿真技術(shù)，并能基于這些技術(shù)解決封裝設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，了解先進(jìn)的封裝建模和仿真技術(shù)。相信本書(shū)的出版發(fā)行對(duì)微電子封裝行業(yè)的發(fā)展會(huì)起到積極的推動(dòng)作用。

內(nèi)容概要

本書(shū)全面描述了微電子封裝領(lǐng)域所涉及的建模與仿真的基本理論、方法和實(shí)際應(yīng)用。全書(shū)從微電子封裝的發(fā)展歷程和微電子封裝的建模與仿真開(kāi)始，依次介紹了微電子封裝的熱管理模型，微電子封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真自動(dòng)化，微電子封裝熱、結(jié)構(gòu)建模中的基本問(wèn)題，微電子封裝模型、設(shè)計(jì)參數(shù)與疲勞壽命，微電子封裝組裝過(guò)程的建模，微電子封裝可靠性與測(cè)試建模，高級(jí)建模與仿真技術(shù)等電子封裝領(lǐng)域的前沿問(wèn)題。    本書(shū)在體系上力求合理、完整，并由淺入深地闡述封裝技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域；在內(nèi)容上接近于封裝行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)閱讀本書(shū)，讀者能較容易地認(rèn)識(shí)封裝行業(yè)，理解封裝技術(shù)和工藝流程，了解先進(jìn)封裝技術(shù)的建模與仿真。    本書(shū)可作為從事微電子封裝行業(yè)人員的參考資料，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)研究生和高年級(jí)本科生學(xué)習(xí)參考。

書(shū)籍目錄

Forewords譯序前言第1章  概論  1.1  微電子封裝技術(shù)    1.1.1  三級(jí)微電子封裝    1.1.2  微電子封裝技術(shù)的發(fā)展  1.2  微電子功率器件及封裝的進(jìn)展和趨勢(shì)    1.2.1  分立器件封裝的發(fā)展趨勢(shì)    1.2.2  功率集成電路封裝的進(jìn)展    1.2.3  功率系統(tǒng)級(jí)封裝/三維封裝的進(jìn)展  1.3  建模與仿真在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的作用  1.4  微電子封裝建模與仿真的進(jìn)展  參考文獻(xiàn)第2章  微電子封裝的熱管理模型  2.1  封裝中的熱管理    2.1.1  熱管理概述    2.1.2  熱管理的重要性    2.1.3  熱管理技術(shù)  2.2  熱傳導(dǎo)原理和封裝熱阻    2.2.1  傳熱學(xué)基礎(chǔ)    2.2.2  封裝熱阻    2.2.3  封裝熱阻的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)    2.2.4  封裝熱阻的測(cè)試  2.3  JEDEC標(biāo)準(zhǔn)、元器件與電路板系統(tǒng)    2.3.1  JEDEC標(biāo)準(zhǔn)    2.3.2  元器件與電路板系統(tǒng)  2.4  穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析    2.4.1  BGA封裝結(jié)構(gòu)    2.4.2  BGA的有限元模型    2.4.3  BGA的穩(wěn)態(tài)熱分析    2.4.4  BGA的瞬態(tài)熱分析  2.5  封裝中的熱設(shè)計(jì)方法    2.5.1  SOI芯片的傳熱分析    2.5.2  熱網(wǎng)絡(luò)法    2.5.3  分析結(jié)果比較  2.6  功率芯片的熱分析仿真與測(cè)試對(duì)比    2.6.1  功率芯片的熱測(cè)試    2.6.2  功率芯片的熱分析仿真    2.6.3  結(jié)果比較  參考文獻(xiàn)第3章  微電子封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真自動(dòng)化  3.1  協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真自動(dòng)化的介紹  3.2  濕氣分析理論    3.2.1  濕氣擴(kuò)散分析    3.2.2  濕氣膨脹應(yīng)力分析    3.2.3  蒸汽壓力分析    3.2.4  等效熱應(yīng)力分析  3.3  微電子封裝仿真自動(dòng)化系統(tǒng)    3.3.1  工程應(yīng)用實(shí)例——熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析    3.3.2  工程應(yīng)用實(shí)例——濕氣擴(kuò)散和濕應(yīng)力分析    3.3.3  工程應(yīng)用實(shí)例——蒸汽壓力分析  3.4  MLP 6×6封裝模型的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)  參考文獻(xiàn)第4章  微電子封裝熱、結(jié)構(gòu)建模中的基本問(wèn)題  4.1  界面韌性問(wèn)題    4.1.1  測(cè)量界面韌性的相位角方法    4.1.2  聚合物-金屬界面的界面失效與黏結(jié)失效分析    4.1.3  濕氣對(duì)界面黏結(jié)與裂紋失效的影響  4.2  導(dǎo)電膠的失效包絡(luò)線的表征分析  4.3  導(dǎo)電膠的疲勞行為問(wèn)題    4.3.1  試驗(yàn)方案    4.3.2  試驗(yàn)分析    4.3.3  疲勞壽命預(yù)測(cè)    4.3.4  疲勞失效機(jī)理  4.4  錫球合金的蠕變行為分層建模與仿真    4.4.1  分層建模    4.4.2  小尺度模型    4.4.3  大尺度模型  4.5  一種計(jì)算混合應(yīng)力強(qiáng)度因子的積分方法    4.5.1  斷裂參數(shù)    4.5.2  交互積分    4.5.3  域積分    4.5.4  數(shù)值驗(yàn)證  參考文獻(xiàn)第5章  微電子封裝模型、設(shè)計(jì)參數(shù)與疲勞壽命  5.1  三維與二維有限元模擬的比較    5.1.1  有限元模型    5.1.2  有限元分析結(jié)果的對(duì)比    5.1.3  三維與二維有限元分析結(jié)果的比較  5.2  芯片尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)  5.3  PCB尺寸對(duì)倒裝芯片翹曲的影響  5.4  設(shè)計(jì)材料參數(shù)的選取  5.5  封裝設(shè)計(jì)對(duì)疲勞壽命的影響    5.5.1  疲勞壽命預(yù)測(cè)方法    5.5.2  試驗(yàn)分析    5.5.3  MicroBGA和CSP設(shè)計(jì)模型的評(píng)估  參考文獻(xiàn)第6章  微電子封裝組裝過(guò)程的建模  6.1  封裝組裝過(guò)程的介紹  6.2  前道裝配工藝建模    6.2.1  晶圓薄化技術(shù)    6.2.2  晶圓薄膜加工過(guò)程    6.2.3  探針電測(cè)    6.2.4  芯片拾取過(guò)程    6.2.5  芯片貼裝過(guò)程    6.2.6  引線鍵合過(guò)程  6.3  后道裝配工藝建模    6.3.1  注塑成型    6.3.2  封裝器件分離  6.4  封裝組裝過(guò)程對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響    6.4.1  熱循環(huán)和功率循環(huán)的影響    6.4.2  尺寸變化的影響  參考文獻(xiàn)第7章  微電子封裝可靠性與測(cè)試建模  7.1  封裝可靠性和失效分析  7.2  預(yù)處理測(cè)試的建模    7.2.1  塑料封裝的吸濕問(wèn)題    7.2.2 預(yù)處理建模實(shí)例  7.3  熱循環(huán)試驗(yàn)建模    7.3.1  疊層芯片球柵陣列尺寸封裝模型介紹    7.3.2  模型邊界條件及熱循環(huán)加載條件    7.3.3  壽命預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)    7.3.4  結(jié)果分析  7.4  功率循環(huán)試驗(yàn)建模    7.4.1  芯片尺寸封裝模型的介紹    7.4.2  基于流體力學(xué)對(duì)流系數(shù)公式的熱分析模擬    7.4.3  基于經(jīng)驗(yàn)對(duì)流系數(shù)公式的熱分析模擬    7.4.4  CSP熱應(yīng)力應(yīng)變分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)  7.5  跌落試驗(yàn)建模    7.5.1  顯式模型與隱式模型    7.5.2  Input-G模擬方法    7.5.3  模擬過(guò)程與結(jié)果    7.5.4  參數(shù)研究  7.6  彎曲試驗(yàn)建模    7.6.1  基本理論    7.6.2  模擬過(guò)程    7.6.3  模擬結(jié)果  7.7  封裝體分層建模    7.7.1  基本的分層公式    7.7.2  多重裂紋的有限元建模    7.7.3  模擬結(jié)果分析  7.8  芯片鈍化表層的開(kāi)裂分析    7.8.1  模型結(jié)構(gòu)    7.8.2  鈍化層的開(kāi)裂問(wèn)題分析  參考文獻(xiàn)第8章  高級(jí)建模與仿真技術(shù)  8.1  高級(jí)建模與仿真技術(shù)介紹    8.1.1  單元的生死技術(shù)    8.1.2  子模型技術(shù)    8.1.3  用戶可編程特性  8.2  多物理場(chǎng)耦合建模(直接耦合和間接耦合)    8.2.1  耦合場(chǎng)分析的定義    8.2.2  耦合場(chǎng)分析的類型  8.3  電遷移仿真——原子散度法(AFD)    8.3.1  電遷移簡(jiǎn)介    8.3.2  基于AFD法的互連系統(tǒng)仿真理論    8.3.3  AFD法的計(jì)算流程    8.3.4  金屬互連的電遷移分析結(jié)果  8.4  電遷移仿真——原子密度積分方程    8.4.1  原子密度重分布算法    8.4.2  算法驗(yàn)證    8.4.3  遷移空洞演化算法    8.4.4  SWEAT結(jié)構(gòu)的電遷移研究    8.4.5  CSP結(jié)構(gòu)的電遷移研究  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：當(dāng)今無(wú)論是電子計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、汽車電子及消費(fèi)類電子產(chǎn)業(yè)，還是要求更高的航空、航天和軍工產(chǎn)業(yè)，都正經(jīng)歷著一場(chǎng)巨變。這是因?yàn)檫@些領(lǐng)域越來(lái)越要求電子產(chǎn)品具有高性能、多功能、高可靠性、小型化、薄型化、輕量化、攜帶方便，以及大眾化普及所要求的低成本等特點(diǎn)。而滿足這些要求的基礎(chǔ)與核心是各種大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路及專用集成電路芯片。要對(duì)這些成百上千個(gè)I／O引腳的芯片進(jìn)行封裝，制成各種用途、要求的電子產(chǎn)品，需要采用焊球陣列封裝（BGA）、晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WL-CSP）、多芯片組件（MCM）或三維系統(tǒng)級(jí)封裝模塊（3D SiP module）等現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)。這一新的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)表面組裝技術(shù)（SMT）、表面安裝器件（SMD）也將提出更新的要求，并不斷豐富SMT／SMD的內(nèi)涵，從而將SMT／SMD推向更高的發(fā)展階段?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，現(xiàn)代微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正不斷變革著人類社會(huì)，極大地改變著人們的工作及生活方式，促使整個(gè)世界高速邁向現(xiàn)代化。1.1 微電子封裝技術(shù)芯片產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，而芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試是芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三大產(chǎn)業(yè)支柱，這已是微電子工業(yè)界的共識(shí)。微電子封裝不但直接影響著集成電路本身的電性能、機(jī)械性能、光性能、熱性能、可靠性和成本，還在很大程度上決定著電子整機(jī)系統(tǒng)的小型化、多功能化、可靠性和成本。微電子封裝是連接半導(dǎo)體芯片和電子系統(tǒng)的一道橋梁，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展及其向各行業(yè)的迅速滲透，微電子封裝在近二三十年里獲得了巨大的發(fā)展，并已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。常規(guī)微電子芯片封裝通常是指將半導(dǎo)體集成電路芯片及用來(lái)固定、保護(hù)它的基體通過(guò)熱固性和熱塑性材料塑封而成的模塊。芯片上的接點(diǎn)用微導(dǎo)線連接到封裝基體的引腳上，這些引腳又通過(guò)印刷電路板上的插槽與其他器件相連接。封裝不僅具有安裝、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)芯片散熱性能的功用，還是溝通芯片內(nèi)部世界和外部電路的橋梁?？梢哉f(shuō)，電子封裝不但要提供對(duì)芯片在電、熱、光和機(jī)械性能方面的保護(hù)，同時(shí)要在一定的成本下滿足不斷增加的性能要求和可靠性、散熱、功率分配等功能。

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