《集成电路高可靠封装技术》赵鹤然编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《集成电路高可靠封装技术》

【作　者】赵鹤然编

【丛书名】半导体与集成电路关键技术丛书

【页 数】 240

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2022.04

【ISBN号】978-7-111-70122-4

【价 格】129.00

【分 类】集成电路

【参考文献】 赵鹤然编. 集成电路高可靠封装技术. 北京：机械工业出版社, 2022.04.

图书封面：

图书目录：

《集成电路高可靠封装技术》内容提要：

本书应用理论和实际经验并重，共分为五章。第1章概括介绍了集成电路高可靠封装体系框架；之后四章详细讲解了划片、粘片、引线键合和密封四大工序，每章都介绍相应工序的基本概念，并将该工序的重点内容、行业内关注的热点、常见的失效问题及产生机理，按照小节逐一展开。本书内容齐全，凝聚了多年的科研成果，更吸收了国内外相关科研工作者的智慧结晶，是目前关于集成电路高可靠封装技术前沿、详尽、实用的图书。本书可作为电子封装工艺、技术和工程领域科研人员、高校师生及企业等相关单位科技工作者的重要参考书。

《集成电路高可靠封装技术》内容试读

第1章概述

1.1关键术语及含义

1.1.1可靠性

可靠性是指器件在一定时间内、一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。研究可靠性的目的是为了确保产品的生命周期比目标生命周期长，并且在正常操作下的失效率低于目标失效率。研究器件的可靠性，需要评估器件在常规操作下的失效模式，甚至预测在极限条件下的服役时间，以便用户在采信器件供应商的可靠性数据前提下，根据自己的需求权衡器件参数指标、寿命、成本等因素。

实践表明，器件故障率是服役时间的函数，典型的故障率时间曲线称为浴盆曲线(Reliability or“Bathtub”Cuve),如图l-l所示。浴盆曲线反映了在生命周期(Life Time)内，器件失效概率(Failure Rate)的起伏和走势，分为早期失效期(Primary Infant Mortali-ties)、稳定服务期(Service Life)）和加速耗损期(Wearout Period)。一些器件制造过程存在缺陷，在服役初期就会暴露出来，导致早期失效，使浴盆曲线表现出了较高的失效率；之后，是较低失效率的偶然失效，这些失效往往与各类型应力相关；最后，是损耗失效，失效率随着时间开始急剧增加。

早期失效期

稳定服务期

加速耗损期

浴盆曲线

早期失效

偶然失效

损耗失效

生命周期

图1-1浴盆曲线

集成电路高可靠封装技术

可靠性工程就是要消灭早期失效，减少偶然失效，推迟损耗失效。

1.1.2高可靠

高可靠集成电路，顾名思义就是可靠性比较高的集成电路产品。由于原材料、人员、设备、环境等因素的波动，即使质量一致性控制得再好，对于生产线制造的多个批次产品，偶发的早期失效还是不能完全杜绝的。

为了获得高可靠性的产品，前人从两个方面着手。一方面，根据用户的使用要求，在出厂之前先进行不同质量等级的筛选试验，严格剔除有先天缺陷的早期失效电路。筛选试验被认为是非破坏性的试验，既不会降低正常产品的可靠性，也不能提升它的固有可靠性，主要作用是用来甄别缺陷产品。另一方面，是提高产品的固有可靠性，采用具有较高可靠性的陶瓷、金属气密封装结构和工艺，屏蔽和抵抗服役环境中机械载荷、热力学载荷、电化学腐蚀、静电等因素对产品（包括芯片、外壳、引脚和互连等元素）产生直接损伤或加速老化的影响，从而获得较长的服役寿命。

1.1.3陶瓷封装

陶瓷封装是一种气密性封装，据统计约占封装市场的10%。经过几十年的发展，陶瓷封装的性能越来越好，尤其是陶瓷流延技术的发展，使得陶瓷封装在外形、功能方面的灵活

性有了较大改善。常用的陶瓷材料是A1,03,它除了气密性较好外，还具有电性能好、散热

好等优点，可实现信号、地和电源多层结构及多引脚，并具有对复杂器件进行一体化封装的能力。陶瓷封装价格相对昂贵，主要用于高可靠集成电路等高端产品。

1.1.4洁净室

高可靠集成电路的生产在洁净室中完成，洁净室也叫洁净生产车间、洁净厂房、净化

间、无尘室等。根据国标GB50073一2013，洁净室的空气洁净度等级为1~9级。在具体实

践中，常参考美国标准S209E,其中的空气洁净度等级有1级、10级、100级、1000级、

10000级、100000级等，如表1-1所示。

表1-1空气洁净度等级

大于或等于表中被考虑的粒径的最大浓度限值/(pc/)

级

0.1μm

0.2um

0.3μm

0.5μm

5.0um

35

7.5

10

350

75

30

10

100

一

750

300

100

1000

一

1000

1

10000

10000

70

100000

100000

700

注：1.ft为英尺，1ft=0.3048m。

2.pc为颗粒数。

表中，1000级的含义是1f内，大于等于0.5um的灰尘颗粒不能超过1000颗，对应国

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第1章概述

标GB50073一2013中的空气洁净度等级为6级。

1.1.5质量等级

GB597B一2012《半导体集成电路通用规范》中规定了半导体集成电路的B级、BG级

和S级共三个产品质量保证等级。其中，S级是最高产品质量保证等级，供宇航用；BG级

是介于S级、B级之间的质量等级；B级为标准军用质量保证等级。

GJB2438B一2017《混合集成电路通用规范》中提供了四个产品质量保证等级，按照从

高到低的顺序分别是K级、H级、G级和D级。K级是最高可靠性等级，预定供宇航用，H

级是军用质量等级，G级是标准军用质量等级(H)级的降级，D级是一个由承制方规定的

质量等级。

GJB7400一2011《合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范》中规定了V级、Q级、

T级、N级（塑封器件）四个产品质量保证等级。其中提到，B级水平包括该规范规定的Q

级和GJB597B一2012中B级要求，是标准的军用质量等级。S级水平包括本规范规定的V

级和GJB597B一2012中S级要求，是该规范最高可靠性质量等级，产品预订用于空间应用。

各航天院所也对质量等级做出了规定，如航天八院的SAST级、航天五院的CAST C级、

航天一院的LMS级。

1.1.6辐照加固保证(RHA)

辐照加固保证(Radiation Hardness Assurance,RHA)等级常用RHA表示，是指器件抗辐照的等级。

实际上，辐照和辐射是两个经常容易混淆的概念。

辐射是指由场源发出的电磁能量中的一部分脱离场源向远处传播而后不再返回场源的现象。能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。空间中常见的辐射有质子、电子等。通常，器件耐受辐射的能力可以称为抗辐射能力。此时用辐射表示的是一种自然现象。

对器件开展人为的抗辐射试验，一般称为辐照试验。这个对器件施加辐射的人为过程称为辐照。

1.1.7二次筛选

筛选试验是由集成电路生产厂商按照集成电路的技术标准和订货合同要求进行的出厂前筛选。二次筛选是由集成电路用户根据使用的最终目的，为获得更高的可靠性，在集成电路使用前进行的筛选试验。二次筛选的目的是为了进一步剔除在生产厂商筛选中未能剔除的不合格产品，或者由于某种缺陷会引起早期失效的产品，确保使用时的可靠性。二次筛选的项目主要包括外观检查、常温初测、高温存储、温度冲击、高温老炼、检漏、常温终测等。

1.1.8失效分析(FA)

失效分析(Failure Analysis,FA)是对已失效器件进行的一种事后检查。即便是高可靠器件或是已经长期稳定供货的产品，也会有偶发失效。这是由于器件与器件之间、批次与批次之间，存在质量一致性的差异。这些差异可能来源于生产过程质量控制、微组装操作的规

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集成电路高可靠封装技术

范执行程度、人员的更换、环境的波动、设备的异常，甚至来源于同种原材料的不同批次。差异是普遍存在且不可避免的，但是由差异而引发的质量问题是可以避免的。通过建立良好的质量体系，从人、机、料、法、环等方面，识别差异、管理差异、控制差异来确保产品的可靠性不受影响。

一旦产品偶发失效，失效分析环节便开始启动，对失效模式、失效原因和失效机理进行定位，从人、机、料、法、环的角度，层层展开，逐一排查。这种基于质量体系的失效分析，往往需要建立故障分析树或鱼骨图，以便更加有条理地进行失效分析。故障分析树或鱼骨图的正确展开，首先要做的工作就是对失效现象进行正确的描述，而后才能排查引起这种失效现象可能的原因。依靠经验可以加快失效分析的进程，有助于快速定位问题的根源，但经验有时也会蒙蔽发现问题的眼睛，无法发现相近的失效现象背后的微小差别。这样，同样的质量问题在下一个批次中还会发生，从而给人们带来血淋淋的一教训。失效分析的目的，是找到问题的本质，确定失效模式和失效机理，提出有效的改进措施，提高成品率和可靠性。进一步，要做到举一反三。

失效分析是电子封装领域一种常用的分析手段。当器件完全丧失功能、功能衰退或失去可靠性与安全性时，需要通过失效分析来研究失效机理、失效模式，找到解决和预防措施。

有人提出，器件一旦失效，千万不要敬而远之，而是如获至宝。这是因为，失效器件携带着宝贵的缺陷信息，这些缺陷信息是设计、制造过程中的矛盾、不适应、不合理问题的最直接反映。刨根问底地研究这些缺陷信息，有利于了解封装技术的本质，也有利于学习封装技术中力学、热学、电气学、材料学、机械学等基础原理。

失效分析一般按照先无损检测再破坏性分析的顺序开展。这是因为一旦样品被破坏，就难以还原了，一些可能被忽略掉的信息再也无法追回了。常见的失效分析手段如下：

(1)目检

观察芯片表面沾污、裂纹、腐蚀，金属外壳绝缘子裂纹，镀层腐蚀、脱落，键合丝缺失、损伤、连接错误等。

(2)电测试

测试器件功能、参数等。

(3)X射线照相

用于检查键合金丝完整性，焊点与焊盘的焊接情况，密封区、粘片区的空洞问题。

(4)超声扫描

超声波在物体中传播，遇到不同介质的交界面会发生反射，通过检测反射波来检测封装结构中的分层、空洞、裂纹等问题。

(5)扫描电镜及能谱

观察失效样品的微观结构，鉴定化学成分等。

(6)密封

通过粗检漏、细检漏判断器件气密性和漏率。

(7)PIND

通过颗粒噪声检测器件内是否存在可动多余物。

(8)内部气氛检测

测量密封器件内部水汽、氧气、二氧化碳等内部气氛的种类及含量。

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第1章概述

(9)红外成像

通过红外成像，观察芯片表面热点位置，判断是否存在击穿、短路等问题。

据报道，美国军方在20世纪60年代末到70年代初采用了以失效分析为主的元器件质量保证计划，在六七年间使集成电路的失效率从7×105/h降到3×10/h,降低了4个数量级，成功地实现了“民兵Ⅱ”型洲际导弹计划、阿波罗飞船登月计划。可见失效分析在各种重大工程中的作用是功不可没的。

1.1.9破坏性物理分析(DPA)

破坏性物理分析(Destructive Physical Analysis,DPA)是为了验证元器件的设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范的要求，对元器件样品进行剖析，以及在

剖析前后进行一系列分析的全过程。DPA对提高元器件的综合使用品质及使用效能具有十

分重要的作用。

GJB597B一2012对集成电路的DPA进行了详细的规定，表1-2给出了DPA试验项目及

可发现失效模式。

表1-2DPA试验项目及可发现失效模式

序号

项目

可发现主要失效模式

外部目检

镀层、密封、外引线缺陷

2

X射线检查

结构错误、裂纹、空洞

3

PIND

检测器件中的可动多余物

4

密封

密封缺陷

5

内部水汽含量

水汽含量超标

6

内部目检

芯片表面损伤、污物，键合缺陷，多余物

7

键合强度

键合松动、断开、强度不足

8

剪切强度

剪切强度不足

GJB4027A一2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》对DPA试验进行了详细的

规定。除另有规定外，用于DPA的样品应从生产批中抽取，并按DPA的不同用途规定相应

的抽样方案。对于一般元器件，样本大小为生产批总数的2%，但不应少于5只也不应多于10只。对于结构复杂的元器件，样本大小应为生产批总数的1%，但不少于2只也不多于5只。

DPA样品的剖面制备通常采用类似金相或矿物样品光学检查的剖切制备方法。GJBA

2014《多层瓷介电容器及其类似元器件剖面制备及检验方法》详细阐述了这种方法。先将被检测样品用适合的室温固化的低收缩率环氧树脂或其他灌封料灌封：灌封前环氧树脂要去除气泡，固化后再进行切割、研磨和抛光；有时需要进行化学腐蚀，制成所需的剖面，使其显示出要检验部位的细节。

DPA作为失效分析的一种补充手段，在进行产品的交付验收试验时，是由具有一定权

威性的第三方或用户进行的一种试验。

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集成电路高可靠封装技术

1.1.10质量体系

GB1405A一2006《装备质量管理术语》指出，质量是指一组固有特性满足要求的程度。

组织应按照GJB9001C一2017《质量管理体系要求》建立质量管理体系，将其形成文

件，加以实施和保持，并持续改进其有效性。其中包括形成文件的质量方针和质量目标；质量手册；标准所要求的形成文件的程序和记录；组织确定的为确保其过程有效策划、运行和控制所需的文件，包括记录。

质量管理和质量保证工作是建立在“所有工作都是通过过程在完成”这样一个基本认

识基础上的，GB9001系列标准特别重视过程及其控制，并以此在保证预期结果的实现。

可以说，质量管理就是管过程。

1.1.11统计过程控制(SPC)

统计过程控制(Statistical Process Control,SPC)体系，是利用统计技术把数据转换成过程状态信息，以便确认、纠正和改进过程效能。

由于随机因素会导致生产过程的自然波动，通过SPC方法可对生产过程自然波动进行

量化，对正常运作条件下长期的生产过程能力进行监控，找到有显著影响的生产过程节点，发现潜在问题。

SPC控制技术包括直方图、帕累托分析、散布图或回归分析、因果图、统计推断法、实

验设计、工艺流程分析，测试设备分析等线外控制技术，以及记录表、检测图标、控制图和累积和图等在线控制技术。

1.2电子封装技术的发展

1.2.1摩尔定律

摩尔定律(Moore'sLaw)是由美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出来的。其内容为，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。更小的电子元器件意味着在同样大小的芯片中，可以集成的元器件更多，实现的功能也更强大，这样指数级的发展趋势也被人们称为摩尔定律。摩尔定律已经不仅是一个经验规律，而是已成为半导体行业的发展蓝图，或者说是半导体芯片市场商业模型(Business Model)的重要组成部分。

在摩尔定律提出至今，制程进化的速度已经被修正了两次。最早摩尔于1965年在《电子学》(Electronics)杂志上提出的速度是每年晶体管数量翻倍，到了1975年摩尔本

人在国际电子器件大会(EDM)上将之修正为每两年晶体管数量翻倍。之后，每两年翻

倍的发展速度维持到了大约2013年，之后国际半导体技术蓝图（TRS)将之修正为每三

年晶体管数量翻倍。1971一2011年微处理器晶体管数量的发展变化及摩尔定律如图1-2所示。

但是，基于目前使用的材料，电子元器件如果继续微缩将面临漏电等诸多挑战，很快将到达最小化的极限，摩尔定律正在走向终结，人类社会也正在步入“后摩尔时代”。

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···试读结束···