《半导体与集成电路关键技术丛书 器件和系统封装技术与应用 原书第2版》（美）拉奥·R.图马拉作；李晨，王传声，杜云飞译|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《半导体与集成电路关键技术丛书 器件和系统封装技术与应用 原书第2版》

【作　者】（美）拉奥·R.图马拉作；李晨，王传声，杜云飞译

【丛书名】半导体与集成电路关键技术丛书

【页 数】 659

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.06

【ISBN号】978-7-111-67566-2

【价 格】249.00

【分 类】微电子技术-电子器件-封闭工艺

【参考文献】 （美）拉奥·R.图马拉作；李晨，王传声，杜云飞译. 半导体与集成电路关键技术丛书 器件和系统封装技术与应用 原书第2版. 北京：机械工业出版社, 2021.06.

图书封面：

《半导体与集成电路关键技术丛书 器件和系统封装技术与应用 原书第2版》内容提要：

全书分为封装基本原理和技术应用两大部分，共有22章。分别论述热机械可靠性，微米与纳米级封装，陶瓷、有机材料、玻璃和硅封装基板，射频和毫米波封装，MEMS和传感器封装，PCB封装和板级组装；封装技术在汽车电子、生物电子、通信、计算机和智能手机等领域的应用。本书分两部分系统性地介绍了器件与封装的基本原理和技术应用。随着摩尔定律走向终结，本书提出了高密集组装小型IC形成较大的异质和异构封装。与摩尔定律中的密集组装*高数量的晶体管来均衡性能和成本的做法相反，摩尔有关封装的定律可被认为是在2D、2.5D和3D封装结构里在较

《半导体与集成电路关键技术丛书 器件和系统封装技术与应用 原书第2版》内容试读

第1章

器件与系统封装技术简介

RaoR.Tummala教授美国佐治亚理工学院

5

面

系统摩尔宽律

薄基板通孔

三维系统封装

中

封装摩尔定律

球播阵列封装

66066666

2.5D

3D

巢成电路序你定律

低

19601970

198019902000

2010

2020

2030

年份

本章主题

·封装定义及功能定义

·系统三级封装介绍。器件及其演进

·摩尔定律时代和后摩尔定律时代封装技术演进的说明

·摩尔封装定律介绍

1

器件和系统封装技术与应用

1.1

封装的定义和作用

想象一下如果没有智能手机，这个世界会是什么样子，智能手机能够将计算、通信、照相等功能，各种传感技术及许多其他技术集成在一起，让人们可以把这一切装进口袋，并且几乎人人都能买得起。如今，人们频繁地使用智能手机来交流、观影、聊天、支付、在线查询问题、监测健康状况等，其实它的功能远不止这些。另外，三项改变世界的发明分别是：1752年，本·富兰克林发现电的存在；1949年，贝尔实

验室中晶体管的发明；以及1963年，BM推出的第一台数字计算机。其中每一项都

为更进一步的技术探索奠定了基础。比如苹果公司2007年推出的智能手机就是进一步的佐证。

现在畅想一下未来场景。能够像人类一样思考和行动的电子设备虽然和实际人类还有很大差距，但人类的确总是受制于情感、判断和其他一些错误。有数据统计，每年总有数量可观的人死于人为失误。而避免这一切的关键就在于开发出比人类思考、交流和行动都更胜一筹的电子设备。这一领域将是人工智能、深度学习、

虚拟现实和增强现实技术的基础。其他重要的新兴战略性技术还有6G及更先进的

移动通信技术、自动驾驶电动汽车、物联网(Internet of Things,IOT)、生物电子和无人机等。

计算机、消费领域、汽车、通信产业、航天和医疗行业中所有电子产品背后的技术都是基于微米纳米器件、元器件和互连，以及将所有这些组装在一起所形成的三

级系统结构，如图1.1所示。2015年单个IC芯片可集成50亿个晶体管，到2025年

将达到大约500亿个，芯片输入人/输出端口(I/0)节距达到2~5m,图1.1给出了2~5umI/0节距的芯片如何与80umI/0节距的封装基板互连，再与400mI/0节距的系统板级互连，此图还明确给出了集成和互连的这两个要点。

晶体管级

1C1

IC2

片上集成

2μm

SOC

●I0 YIK1KK

wI●wo●o●r●IK

封装级

80um

封装级集成

→soP

板级

数字

光学

400μm

印制电路板

板级集成

徽机电系统MEMS)

传感器

◆SOB

功

系统级所有元器件之间的总互连长度

图1.1当前使用IC、封装和板级的三级封装层级结构，从而形

成电子系统，并以极长的互连线将板上的所有元器件互连

2

第1章器件与系统封装技术简介

系统集成可以在图1.1系统的一级或多级中实现。1)芯片级集成即片上系统(System-on-Chip,SOC);2)封装级集成即系统级封装(System-on-Package,SOP);3)板级集成即板上系统(System-on-Board,SOB)。

如下所述，当前终端产品系统始于片上晶体管集成，绝大部分结束于由系统板级

互连而形成的SOB。

1)图1.1中的器件IC1和IC2分别独立地封装在封装基板1和封装基板2上，最

后通过印制电路板(PWB)实现板级互连，导致芯片间存在冗长的互连通路。

2)包含晶体管的有源集成电路和不含晶体管的无源元件称为S0C,在封装级集

成称为SOP,在系统级集成称为SOB。图1.1给出了这三级系统的构造过程。从系统

设计开始，然后采用厚度为750μm、直径为300mm的晶圆工艺制造。将每片晶圆切

割成数以百计的IC芯片。切割后的单个芯片通过引线键合、倒装或载带自动焊组装

技术封装到陶瓷、引线框、有机层压板、硅或玻璃封装基板上，将其与其他元件，如

电容C或电感L组装到系统板上，这样就形成了系统，比如智能手机。

图1.2和图1.3给出了相关技术以及形成系统的制作流程。从图1.2可以看出，封装成一个系统有两个主要部分：

1)器件级封装，即单芯片独立封装或者采用2D、2.5D或3D结构的多芯片

封装；

2)系统级封装，它包含了一个完整的系统所需的所有元器件。

设计

IC封装

系统封装

H

5050

以

品因

基板

C组装

PWBPWB组装

系统组装

图1.2封装过程从设计开始，然后是器件和封装，最终成形为一个像智能手机一样的系统

1.1.1封装的定义

本书是一本关于封装的书籍，如图1.4所示，自20世纪60年代的摩尔定律时代开始，封装被定义为用于器件的互连、供电、散热和防护。随着器件的发展、集成技术的进步以及类似智能手机这类终端产品系统的变革，封装的作用已经发生了变化如同一台将所有的系统元器件互连的智能手机一样，封装的最终目标已经变成了一种复杂的异构系统。因此，封装的定义应更新为：实现整个系统中所有元器件的互连、供电、散热和保护。图1.4用这样的方式定义了封装，而图1.5则显示了封装的跨学科性，它涉及电、机械、热、材料、生物电子和化学等学科。

1)电学：用于实现信号传输和馈电。

2)机械学：用于实现热传输和保证热-机械可靠性。

3

器件和系统封装技术与应用

应用

软件

算法

电路板

架构

电路

封装元件

封装基板

器件

结构

材料

图1.3系统包括许多技术，最开始是在器件层级形成器件所需的材料和结构，

形成功能电路和架构所需的封装基板和无源元件，电路板上的

系统元器件，以及在系统层级的软件

夏莲

侠电

互连线

封装或电路板

电源层

电源

电源信号

保护

散热

图1.4封装的定义：对整个系统中所有元器件的互连、供电、散热和保护

3)材料学：电介质、导体、电容、电感、焊点、包封料和导热材料等许多类型的材料实现不同的功能。

4)化学：对材料进行加工，形成功能材料，如电介质、电容、电感和包封料，以及采用光刻等技术形成布线层。

5)生物电子学：用于医疗设备，如听力植人设备、视觉电子视网膜等。

4

第1章器件与系统封装技术简介|

电子系统的跨学科性

电子科学

机械科学

,信号完整性

·热机械可靠性

·电源完整性

·疲劳和蜩变

,电磁干扰

信号

·翘曲

·热传输

封装或电路板

材料科学

化学科学

,电介质

光刻工艺

。导体

电源层

•徽观结构与特性

·磁性材料

电源

电源信号

·包封料

,电容、电感、电阻材料

生物电子学

。生物相容性

·元器件

·互连

图1.5电子系统的跨学科性：电气、机械、热、材料、生物电子和化学

1.1.2封装的重要性

IC不是一个电子系统，因为如果没有对所有系统元器件进行互连、供电、散热

和保护，那么是无法形成系统的。然而，封装的重要性也因系统类型不同而异。下文将对封装重要性进行总结。

1.1.3每个IC和器件都必须进行封装

目前，全球生产的集成电路和器件的产量大于1000亿块。所有这些都必须在IC

级进行封装，形成封装的IC,并在系统级进行封装以形成系统板。这两个级别的封装

通常被认为是产业链中最大的瓶颈，因为它决定着系统的电气性能、成本、尺寸和可靠性。

1.1.4封装制约着计算机的性能

形成处理器或中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的IC数量及其互连决

定了从IC通过封装互连确定的循环路径，从而制约着CPU的速度或时钟频率。

1.1.5封装限制了消费电子的小型化

智能手机的IC数量和尺寸都比较小，然而智能手机中的元器件总数超过100个，电池

和其他元器件占据绝大部分空间，因此，决定产品最终尺寸的是封装而不是器件本身。

1.1.6封装影响着电子产品的可靠性

固态器件（如IC芯片）可靠性是很高的，失效率仅在10-6（ppm)量级，由于

5

【器件和系统封装技术与应用

系统中大多数互连是在芯片封装和系统板级界面，因此失效率的大小多数归因于器件的互连或封装工艺，而不是器件本身。

1.1.7封装制约了电子产品的成本

由于大规模、高流量的晶圆厂日开工量大且自动化程度高，所以C芯片和

MEMS器件的芯片制造成本较低。在成熟的生产水平下，不考虑设计成本，IC的制造

成本约为4美元/cm2。然而，系统级封装和形成系统级板的所有元器件，包括它们的组装和测试成本却是很高的。

1.1.8几乎一切都需要电子封装工艺

现在，电子产品几乎成了所有产业的重要部分，例如汽车、通信、计算、消费、医疗、航天以及军事应用，而所有的电子产品都需要封装工艺。

1.2从封装工艺的角度分析封装的电子系统

图1.6示出了形成任何电子系统的一种三级结构。如图所示，用300mm大尺寸硅晶圆的晶体管技术制造器件，在工艺前端(Front End Of the Line,FEOL)实现晶体管的制造，在工艺后端(Back End Of the Line,BEOL)通过再布线技术(Redistribution Lay-er,RDL)实现互连。在2018年，典型的高端逻辑IC的/0采用80m节距凸点制成。晶圆厂制造这样的IC芯片通过倒装焊方式组装到同样8Oμm节距的封装基板表面。这些封装基板的材质通常为聚合物、陶瓷、硅或玻璃。将这些封装后的芯片和其他诸多封装的有源器件和无源元件一同组装到系统板上，最终形成整个系统。在2018年，这样的系统组装是通过节距内4OOμm的表面贴装技术(Surface-Mount Technology,SMT)完成。

器件1

器徘

器件级封装2μn BEOL

●●@●●【●X

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基板级RDL封装

装基板2

板级RDL封装

系统电路板

图1.6三级封装电子系统的剖析

1.2.1封装的基本原理

如图1.7a和b所示，电子系统封装涉及两个主要功能：一个在IC级或器件级，

6

···试读结束···