先進電子封裝技術（簡體書）

本書系統而全面地總結了現代電子封裝科學的基礎知識以及先進技術。第1部分概述了電子封裝技術，其中包括了最重要的封裝技術基礎，如引線鍵合、載帶自動鍵合、倒裝芯片焊點鍵合、微凸塊鍵合和CuCu直接鍵合。第2部分介紹電子封裝的電路設計，重點是關於低功耗設備和高智能集成的設計，如25D/3D集成。第3部分介紹電子封裝的可靠性，涵蓋電遷移、熱遷移、應力遷移和失效分析等。最後還探討了人工智能（AI）在封裝可靠性領域的應用。各章中包含大量來自工業界的實際案例，能夠加強讀者對相關概念的理解，以便在實際工作中應用。本書可供半導體封裝、測試、可靠性等領域的工程技術人員、研究人員參考，也可作為微電子、材料、物理、電氣等專業的高年級本科生和研究生的專業教材。

★作者權威★本書作者杜經寧教授是國際知名的材料和電子封裝領域學者，他開辟的研究方向常能引起業界和學界重視，投入研發生產。另兩位作者陳智和陳宏明也是該領域權威學者。★知識先進★本書主要是關於先進電子封裝技術的科學和工程，以加深對摩爾技術開發和製造的本質的理解。本書內容特色在於將封裝技術與時代背景相結合，深入淺出得講解了當前技術與時代訴求之間的差距。

譯者的話
本書是關於先進電子封裝技術的一本系統性著作，在內容上將封裝技術與時代背景相結合，深入淺出地講解了當前技術與時代訴求之間的差距。該書集成了杜經寧教授課題組在微互連、封裝可靠性方面的研究成果；融入了作者對本領域的看法與技術期許，以及對未來的展望；並結合當前技術發展，討論如何使用人工智能（AI）來加速可靠性預測和測試；還介紹了平均微觀結構失效變化（MMTF）的基本思想，用以形成一種新的3D封裝測試技術。
當前國際競爭的主要方面是先進半導體技術和消費電子產品製造業的競爭。國內電子封裝技術已有長足發展，已經擁有國際上最大的產業集群和國際領先的封測企業（如長電科技、華天科技、禾芯集成電路等）。國內開設電子封裝技術專業的高校已經由最初的6所增至28所。然而，企業培訓、高校教學配套書籍的出版相對滯後。
企業工程技術人員產業背景培訓、技術人員深化學習、電子封裝技術本科專業學生培養，均需一些更能反映本領域最新技術的專業書籍。而本領域的固定資產動輒以億元為單位，這一特色使得企業和高校之間在技術溝通方面顯得略有障礙。而國外該領域的研究以企業研發機構為引導，聯合高校的模式開展較早，其技術沉澱為書籍的過程就比國內大為迅速。這樣一來，翻譯較為成功的書籍，就變得尤為重要。
本書在把握微電子封裝技術發展的前提下，系統講解了現代電子封裝技術中重要的基礎知識和先進封裝技術，以加深對半導體技術開發和製造的本質的理解。同時對於當前的後摩爾時代，電子封裝技術面臨的兩個至關重要的挑戰，本書均較好地給予了闡述、分析和討論。這兩個挑戰一是針對越來越密集的I/O（如第3章所示），正在開發由銅銅鍵合和電介質電介質鍵合組成的混合鍵合，二是更大的焦耳熱及其散熱問題（在本書第9章）。
本書的三個內容板塊，基本涵蓋了電子封裝技術的所有方面，前沿技術方面還引入了納米孿晶銅互連的CuCu鍵合技術，以及將該技術用於三維系統集成中的一些內容。在最後一章，結合當前的AI技術給出了在本領域可靠性測試方面的應用。可以說，本書是關於現代封裝技術的一本集大成的著作。無論對於從事本領域工作的工程技術人員，或是在本領域跋涉學習的在校學生，都是一本不可多得的專業書籍。
本書第2章、第3章、第11～14章由蔡珊珊高級工程師翻譯；第4章、第8章由丁梓峰博士翻譯；其余由王小京副教授翻譯。譯稿經第一次審稿後，經王小京做了修訂。最後由王小京和郭敬東研究員對全書再次進行了總校。
由於電子封裝領域的飛速發展，有些專業名詞尚未統一。例如“interposer”可翻譯成“中介層”或“轉接板”，本書中採用其功能性詮釋，全部翻譯成“轉接板”；有些則因為含義進行潤色，比如“entropy production”和“entropy increasing”，因為熵是一個狀態量，在本書範圍內均為熵的增加，因此我們將之均翻譯為“熵增”；再比如在應力遷移的章節，我們將“… work done by an atomic jump distance driven by this force will be …”翻譯為“……該力作用下原子跳躍一個原子間距所做的功……”，是考慮到一個原子跳躍距離，只能是原子間距，加之上下文均在用“遷移”這一詞，但單個原子間距還是以用原文“跳躍”合適，就保留了“跳躍”這一詞，並在單個原子間距的傳輸距離上，均用“跳躍”這個詞描述“遷移”的含義；另如，“The change of thermal energy across an atom is …”翻譯為“跳躍（通過）一個原子間距，熱能的變化是……”，原文用“原子”代替“間距”，可能是基於密排堆垛的假設，原子之間並無間隙，因此在中文翻譯時我們直接意譯為“原子間距”。
凡此種種，我們力求盡意表達，但由於知識固陋，可能存在曲解原意之處，懇請包涵、指正。

譯者

前言
進入大數據時代，移動設備無處不在。物聯網（IoT）遍布各處，實現了人與人、人與機器、機器與機器的通信。近些年，遠程教學、遠程醫療、家庭辦公、在線會議的發展，大大增加了對先進消費電子產品的需求。這些消費類電子產品擁有更小的外形、更大的內存、更多的功能、快速大規模的數據采集和傳輸、更低的成本以及卓越的可靠性。與此同時，5G先進通信技術和三維集成電路（3D IC）已經開始對我們的社會產生了影響，產生了許多新的人工智能（AI）應用。
隨著硅芯片技術微型化的摩爾定律（Moore's law）的放緩，微電子行業正在尋找突破該定律的替代方法。3D IC最有希望超越摩爾定律，而其中封裝技術的升級至關重要。 事實上，世界各地正在建設新的先進封裝工廠。我們不禁要問，為了提高性能和可靠性，3D IC器件的電子封裝技術將有哪些創新？ 或者說，電子封裝技術中，哪些具有挑戰性的問題對半導體技術的近期發展至關重要？
本書的目標是介紹先進電子封裝技術，以便深入理解超摩爾技術在開發和製造中的精髓。特別地，本書的前沿內容包括：使用（111）擇優取向的納米孿晶銅來實現銅與銅的直接鍵合，為實現高性能寬帶和低功耗器件的封裝集成中的創新3D IC系統，以及基於熵增的平均失效時間方程分析。
在第1章概論之後，接下來的章節分為三個部分。
在第1部分中，第2章介紹鍵合技術的歷史，涵蓋引線鍵合、載帶自動鍵合、倒裝芯片C4焊點鍵合、微凸塊鍵合、銅銅直接鍵合和混合鍵合。第3章介紹隨機取向和（111）擇優取向納米孿晶銅的微觀結構、性能和應用。隨後，第4章和第5章專門討論用於焊點形成的銅錫反應中的化學反應和動力學過程。第4章回顧液態焊料與Cu之間的固液界面擴散（SLID）反應。第5章回顧固體焊料與Cu之間的固固反應。金屬間化合物（IMC）是一種沒有成分梯度化的化學計量化合物，其生長動力學一直是固固反應中的一個突出問題。我們引入瓦格納擴散系數來解決這一問題。
第2部分主要是關於封裝技術中電路集成的章節，重點是低功耗器件和智能集成的設計，討論了與 25D/3D IC需要更快的速率和更多的數據傳輸量有關的技術問題，闡述了如何在封裝技術中提高I/O密度和帶寬。
第3部分是關於可靠性科學的章節。介紹了開放系統中原子流、熱流和電荷流的不可逆過程，分析了最重要的焦耳熱問題，涵蓋了電遷移、熱遷移、應力遷移和失效分析等主題，在熵增的基礎上重新分析了平均故障時間（MTTF）方程。
最後，第14章簡要討論如何利用人工智能加速可靠性測試。我們提出了一種基於X射線的圖形處理單元（XGPU），用於在任何新開發的旨在大規模生產的3D IC器件中發生早期可靠性失效之前對其進行分析。這裡人工智能的目標是將時間相關且耗時的可靠性測試轉變為時間無關的測試。我們將介紹平均微觀結構失效變化（MMTF）的基本思想，以便將MTTF與MMTF聯繫起來。
在本書的撰寫過程中，得到了臺灣交通大學Jody Lee女士和John Wu先生的大力協助，在此一並表示感謝。

杜經寧
陳智
陳宏明

第1章概論1
1.1引言1
1.2摩爾定律對硅技術的影響2
1.35G技術和AI應用3
1.4三維集成電路封裝技術5
1.5可靠性科學與工程9
1.6電子封裝技術的未來10
1.7全書概要11
參考文獻11

第1部分13
第2章電子封裝中的Cu-Cu鍵合與互連技術14
2.1引言14
2.2引線鍵合15
2.3載帶自動鍵合17
2.4倒裝芯片焊點鍵合19
2.5微凸塊鍵合23
2.6銅-銅直接鍵合26
2.6.1銅-銅鍵合的關鍵因素26
2.6.2銅-銅鍵合機理分析28
2.6.3銅-銅鍵合界面的微觀結構33
2.7混合鍵合37
2.8可靠性——電遷移和溫度循環測試39
問題40
參考文獻41

第3章隨機取向和（111）取向的納米孿晶銅45
3.1引言45
3.2納米孿晶銅的形成機理46
3.3納米孿晶沉積過程中應力演化的原位測量49
3.4隨機取向納米孿晶銅的電沉積50
3.5單向（111）取向納米孿晶銅的形成52
3.6［111］取向納米孿晶銅中的晶粒生長55
3.7（111）取向納米孿晶銅上微凸塊中η-Cu6Sn5的單向生長57
3.8使用［111］取向納米孿晶銅的低熱預算Cu-Cu鍵合58
3.9用於扇出封裝和3D IC集成的納米孿晶銅重布線層61
問題63
參考文獻64

第4章銅和焊料間的固-液界面擴散（SLID）反應68
4.1引言68
4.2SLID中扇貝狀IMC生長動力學70
4.3單尺寸半球生長簡單模型71
4.4通量驅動的熟化理論73
4.5兩個扇貝間的納米通道寬度測量75
4.6扇貝狀Cu6Sn5在SLID中的極速晶粒生長76
問題77
參考文獻77

第5章銅與焊料之間的固態反應78
5.1引言78
5.2固態相變中IMC的層狀生長79
5.3瓦格納擴散系數82
5.4Cu3Sn中柯肯達爾空洞的形成83
5.5微凸塊中形成多孔Cu3Sn的側壁效應84
5.6表面擴散對柱狀微凸塊中IMC形成的影響89
問題91
參考文獻92

第2部分93
第6章集成電路與封裝設計的本質94
6.1引言94
6.2晶體管和互連縮放96
6.3電路設計和LSI97
6.4片上系統（SoC）和多核架構101
6.5系統級封裝（SiP）和封裝技術演進102
6.63D IC集成與3D硅集成105
6.7異構集成簡介106
問題106
參考文獻107

第7章性能、功耗、熱管理和可靠性108
7.1引言108
7.2場效應晶體管和存儲器基礎知識109
7.3性能：早期IC設計中的競爭112
7.4低功耗趨勢114
7.5性能和功耗的權衡115
7.6電源傳輸網絡和時鐘分配網絡116
7.7低功耗設計架構117
7.8IC和封裝中的熱問題120
7.9信號完整性和電源完整性（SI/PI）121
7.10穩定性：可靠性和可變性123
問題124
參考文獻124

第8章2.5D/3D系統級封裝集成126
8.1引言126
8.22.5D IC：重布線層和TSV-轉接板127
8.32.5D IC：硅、玻璃和有機基板128
8.42.5D IC：在硅轉接板互連HBM129
8.53D IC：高性能計算面臨的內存帶寬挑戰130
8.63D IC：電氣TSV與熱TSV132
8.73D IC：3D堆疊內存和集成內存控制器133
8.8現代芯片/小芯片的創新封裝134
8.93D IC集成的電源分配136
8.10挑戰與趨勢137
問題138
參考文獻138

第3部分140
第9章電子封裝技術中的不可逆過程141
9.1引言141
9.2開放系統中的流動143
9.3熵增144
9.3.1電傳導145
9.3.2原子擴散148
9.3.3熱傳導149
9.3.4溫度變化時的共軛力149
9.4不可逆過程中的交互效應150
9.5原子擴散與導電之間的交互效應151
9.6熱遷移中的不可逆過程154
9.7熱傳導與電傳導之間的交互效應157
9.7.1塞貝克效應158
9.7.2珀耳帖效應159
問題159
參考文獻160

第10章電遷移161
10.1引言161
10.2原子擴散與導電的參數比較162
10.3電遷移基礎163
10.3.1電子風力164
10.3.2有效電荷數計算165
10.3.3原子通量發散誘發的電遷移損傷166
10.3.4電遷移中的背應力167
10.4三維電路中的電流擁擠與電遷移169
10.4.1低電流密度區域的空洞形成171
10.4.2電遷移中的電流密度梯度力173
10.4.3倒裝芯片焊點中電流擁擠誘導的薄餅狀空洞形成176
10.5焦耳熱與熱耗散177
10.5.1焦耳熱與電遷移178
10.5.2焦耳熱對電遷移中平均失效時間的影響179
問題179
參考文獻179

第11章熱遷移181
11.1引言181
11.2熱遷移的驅動力181
11.3傳輸熱分析182
11.4相鄰通電和未通電焊點間由於熱傳輸引起的熱遷移184
問題186
參考文獻186

第12章應力遷移187
12.1引言187
12.2應力作用下固體中的化學勢187
12.3薄膜中雙軸應力的Stoney方程189
12.4擴散蠕變193
12.5室溫下錫晶須的自發生長195
12.5.1晶須的形態學195
12.5.2錫晶須生長驅動力的測量197
12.5.3錫晶須的生長動力學199
12.5.4焊點中電遷移引起的錫晶須生長200
12.6電遷移、熱遷移和應力遷移中驅動力的比較201
問題203
參考文獻203

第13章失效分析205
13.1引言205
13.2晶格移位與否導致的微觀結構變化207
13.3失效統計分析209
13.3.1用於電遷移MTTF的Black方程209
13.3.2威布爾分布函數和JMA相變理論211
13.4電遷移、熱遷移和應力遷移MTTF的統一模型212
13.4.1重新審視電遷移MTTF的Black方程212
13.4.2熱遷移MTTF213
13.4.3應力遷移MTTF213
13.4.4電遷移、熱遷移與應力遷移MTTF之間的聯繫213
13.4.5開放系統中其他不可逆過程的MTTF 方程214
13.5移動技術中的失效分析214
13.5.12.5D IC技術中薄弱環節的焦耳熱增強電遷移失效214
13.5.22.5D IC技術中熱串擾導致焦耳熱引起的熱遷移失效218
問題220
參考文獻220

第14章電子封裝可靠性中的人工智能222
14.1引言222
14.2事件的時間無關性轉化222
14.3從平均微觀結構變化到失效推導MTTF224
14.4小結224