先进电子封装互连技术及材料工艺

course code：085402M06006H 英文名称：Advanced Electronic Packaging and Interconnect and Material course period：20 credit：1.00 course attribute：专业研讨课 course lecturer：罗乐

本课程主要是针对先进电子封装多种先进互连方式及其可靠性进行探讨，在学生对电子封装已经有一个全面了解基础上，挑选部分有代表性的先进互连方式，深入了解封装和微组装过程中为了保障器件或系统性能对封装结构和互连材料的设计要求以及相关材料工艺的特点。目标是使学生对先进电子封装互连及其发展有全面的了解，为日后的深入学习和研究奠定基础。

电子封装技术导论、集成电路设计与制造、电子材料基础

自编讲义

第一章 电子封装分类及变迁（1学时）
１、 传统封装与互连技术
线焊、引线框架＋塑料封装或金属与陶瓷管壳封装
２、先进封装与互连技术
ＣＯＢ封装、倒装焊（ＦＣＯＢ）和晶圆级封装（ＷＬＰ），
第二章 互连材料分类和基本特性（2学时）
引线键合材料
引线框架材料
凸点材料
焊料
基板材料
－基板的薄膜和厚膜制备、互连及其图形化
器件封装与高密度封装基板材料的发展趋势
基板的先进制造技术
　－PCB基板工艺
　－陶瓷基板工艺

第三章 引线键合材料的发展与挑战（2学时）
－　Ａｕ线键合,　相关键合设备与工艺特点
－　Ａｌ线键合，相关键合设备与工艺特点
－　Ｃｕ线键合，发展趋势与相关可靠性
－　特殊合金线材，应用于低温、高温、恶劣环境等情况下的合金体系

　
第四章 　　倒装焊技术和低成本凸点制造技术（3学时）
倒装芯片和倒装焊发展趋势
凸点分类及相关的制造技术
低成本凸点制造技术及其应用
－ 化学镀凸点技术
　－ 丝网印刷凸点制备技术
　－ 激光熔融凸点制备技术
　－ 钉头金凸点制备技术
　－ 各种凸点制造技术的综合比较
各种凸点的倒装焊技术
各向异性导电胶互连技术及其应用
底充胶加固原理及其应用
与底充胶加固相关的可靠性问题
倒装芯片和倒装焊的检测及KGD相关问题
倒装芯片设计规范

第五章 ACF互连及应用（2学时）
ACF的用途和简介
ACF的结构及原理
ACF的使用
ACF的发展趋势
ACF的应用举例－ＣＯＧ
第六章 器件的板级焊点互连及无铅焊料的发展与挑战（4学时）
无铅焊料的发展及相关材料和可靠性问题
无铅法令的制定
- 铅耗量在各种产品的比例
- 铅的污染渠道
- 铅的危害
- 各国相关的无铅法令
无铅的定义
- 无铅焊料的要求
- 无铅焊料性能的标准
- 无铅焊料在IC和系统封装中的两大应用
无铅焊料的研究
- 无铅焊料发展的紧迫性
- 无铅焊料的分类
- Sn基无铅焊料的应用
- 部分无铅焊料的特点
- 国内无铅焊料发展的特点
- 无铅焊料的流动性能
- 无铅焊料的机械性能
- 无铅焊料的热学性能
- 无铅焊料的电特性
- 无铅焊料的化学特性
无铅化的关键问题
- 成本提高
- 制程变更（工艺窗口温度高）
-　兼容性问题－－向前向后兼容性
- PCB基板材质的选择
- 无铅元件材质的选择
- 助焊剂的选择
- 回流焊工艺窗口变小问题及解决方法
- 有铅无铅设备过程参数对比
- 无铅元件焊盘材质的选择
- PCB基板焊盘材质的选择
- 助焊剂的使用
- 无铅助焊剂的开发与应用
无铅化的相关可靠性问题和试验
- SAC焊点的形貌
- 各种焊点缺陷及其特征
- 无铅焊料引入的新的可靠性问题
- 焊点可靠性试验
- 板级可靠性试验
- Sn腐蚀金相样品的制备
- 无铅焊可靠性问题、测试和分析
- 不同冷却速度下金属间化合物（IMC）的生长
- 三明治结构的焊点中的金属间化合物生长规律及其与可靠性的关系
- IMC的生长速率
- 焊点可靠性的各种测试
- 剪切测试、拉伸实验、机械震动试验、机械撞击试验、跌落试验
- 剪切及拉伸测试条件
- 可靠性测试参数
- 温度循环测试标准
- 加速温度循环试验条件

第七章 芯片的晶圆级互连与芯片尺寸封装的发展与挑战（5学时）
IC封装发展趋势
圆片级芯片尺度封装的分类和定义
圆片级封装及其技术发展
－ 圆片级高密度互连
－ 圆片级集成
－ 圆片级三维封装
圆片级封装面临的挑战
－ 热机械应力方面的挑战
－ 信号完整性方面的挑战
－ 热设计方面的挑战
－ 封装密度方面的挑战
晶圆级扇入封装
晶圆级扇入封装种类介绍
晶圆级扇入封装典型工艺路线
－BOP技术
－Ball on RDL技术
－灌封铜柱技术（Molded Copper Post Technology，MCPT）
晶圆级扇入封装主要共性技术及相关可靠性
－再布线技术
－再布线中聚酰亚胺的热稳定性
－再布线中电镀铜的物理特性
－再布线中电镀铜高温退火时的可靠性
－PI/电镀铜多层布线结构的热机械特性及其对晶圆翘曲的影响

圆片级封装铜互连的纳米孪晶化及其对翘曲的影响
－纳米孪晶铜在微电子领域的应用
－纳米孪晶铜的微结构
－纳米孪晶铜的特殊性能
电学特性
热学、力学性能
材料学特性
－溅射纳米孪晶形核机理
临界孪晶片层厚度
－溅射纳米孪晶制备工艺及表征
－溅射纳米孪晶薄膜的应力分析
－溅射纳米孪晶薄膜热稳定性
晶粒在热处理时的稳定性
纳米孪晶和二次再结晶相互促进
－溅射纳米孪晶热稳定性原理探讨
－电镀纳米孪晶铜原理及工艺
过电势对晶粒形貌和孪晶形成的影响
电镀纳米孪晶的质量控制
电镀纳米孪晶铜工艺及表征
－电镀纳米孪晶铜的热稳定性研究
－电镀纳米孪晶铜的形核机理探讨
低温快速退火电镀nt-Cu
低温兼容的快速退火法CLRA
退火孪晶的形核分析与质量控制
－圆片级封装铜布线的纳米孪晶化及其热稳定性
小结



第八章 芯片的三维堆叠互连及发展趋势（1学时）

－3DIC的市场驱动力
－发展TSV 3D IC的四大要素
－TSV晶圆堆叠与相关应用领域
TSV典型工艺流程
－TSV典型应用
C2W三维堆叠
－芯片堆叠的发展趋势
三堆叠的挑战
应用举例3D NAND
－3D IC相关技术
自组装单分子层辅助键合
直接键合技术（DBI）
先进的混合键合技术（Hybrid Bonding）
基于表面纳米修饰的新型键合技术

主要参考书：
1. Fundamentals of Microsystems packaging, Rao R. Tummala, Mc Graw Hill, 2001
2. Introduction to System-on-Package, Rao R. Tummala, Madhavan Swainathan, Mc Graw Hill, 2008
3. 《电子制造技术－利用无铅、无卤素和导电胶材料》刘汉诚等译，化学工业出版社，2005
4. 《芯片尺寸封装、设计、材料及工艺》John lau，SHI-Wei RICKEY lee，清华大学出版社
5． 《低成本倒装芯片技术》John lau，化学工业出版社
6． 《微电子材料与制程》第十章 电子封装技术，吴懿平
7．《电子封装技术介绍》吴懿平，华中科技大学，2010

罗乐，男，博士，二级研究员，博士生导师，原上海微系统与信息技术研究所微系统技术国家级重点实验室学术委员会副主任。现担任中国半导体协会封装分会理事，IMAPS（International Microelectronics and Packaging Society）会员，ICEPT国际会议程序委员会委员。
1994年起开始现代电子器件封装、电子材料及其可靠性研究，合作方为联邦德国奔驰集团法兰克福研究所，主要工作为汽车电子及高可靠性电子器件封装研究：芯片级电连接及抗电迁移研究，电子器件高可靠性互连，先进封装技术研究， 如倒扣芯片封装，无铅焊料、MEMS封装等。2001年起开始微系统封装研究，包括圆片级、器件级、板级和系统级先进封装研究。承担过国家973 、863、上海市重大、中科院重大项目、国家重大专项等数十项。在国内外刊物上发表科技论文100余篇，申请专利50余项。1994年开始享受政府特殊津贴，获国家科技进步二等奖一项，国家技术发明二等奖一项，上海市科技进步一等奖一项、二等奖一项。为JAP，IEEE-CPMT JMSE，JMM等国际刊物的审稿人。