微電子器件及封裝的建模與仿真

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譯序
前言
第1章 概論
1.1 微電子封裝技術
1.1.1 三級微電子封裝
1.1.2 微電子封裝技術的發展
1.2 微電子功率器件及封裝的進展和趨勢
1.2.1 分立器件封裝的發展趨勢
1.2.2 功率集成電路封裝的進展
1.2.3 功率系統級封裝/三維封裝的進展
1.3 建模與仿真在半導體產業中的作用
1.4 微電子封裝建模與仿真的進展
參考文獻
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
2.2 熱傳導原理和封裝熱阻
2.2.1 傳熱學基礎
2.2.2 封裝熱阻
2.2.3 封裝熱阻的工業標準
2.2.4 封裝熱阻的測試
2.3 JEDEC標準、元器件與電路板系統
2.3.1 JEDEC標準
2.3.2 元器件與電路板系統
2.4 穩態與瞬態熱分析
2.4.1 BGA封裝結構
2.4.2 BGA的有限元模型
2.4.3 BGA的穩態熱分析
2.4.4 BGA的瞬態熱分析
2.5 封裝中的熱設計方法
2.5.1 SOI芯片的傳熱分析
2.5.2 熱網絡法
2.5.3 分析結果比較
2.6 功率芯片的熱分析仿真與測試對比
2.6.1 功率芯片的熱測試
2.6.2 功率芯片的熱分析仿真
2.6.3 結果比較
參考文獻
第3章 微電子封裝的協同設計及仿真自動化
3.1 協同設計及仿真自動化的介紹
3.2 濕氣分析理論
3.2.1 濕氣擴散分析
3.2.2 濕氣膨脹應力分析
3.2.3 蒸汽壓力分析
3.2.4 等效熱應力分析
3.3 微電子封裝仿真自動化系統
3.3.1 工程應用實例——熱傳導和熱應力分析
3.3.2 工程應用實例——濕氣擴散和濕應力分析
3.3.3 工程應用實例——蒸汽壓力分析
3.4 MLP 6×6封裝模型的仿真實驗設計（DOE）
參考文獻
第4章 微電子封裝熱、結構建模中的基本問題
4.1 界面韌性問題
4.1.1 測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失效分析
4.1.3 濕氣對界面黏結與裂紋失效的影響
4.2 導電膠的失效包絡線的表征分析
4.3 導電膠的疲勞行為問題
4.3.1 試驗方案
4.3.2 試驗分析
4.3.3 疲勞壽命預測
4.3.4 疲勞失效機理
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 一種計算混合應力強度因子的積分方法
4.5.1 斷裂參數
4.5.2 交互積分
4.5.3 域積分
4.5.4 數值驗證
參考文獻
第5章 微電子封裝模型、設計參數與疲勞壽命
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 有限元分析結果的對比
5.1.3 三維與二維有限元分析結果的比較
5.2 芯片尺寸的設計參數
5.3 PCB尺寸對倒裝芯片翹曲的影響
5.4 設計材料參數的選取
5.5 封裝設計對疲勞壽命的影響
5.5.1 疲勞壽命預測方法
5.5.2 試驗分析
5.5.3 MicroBGA和CSP設計模型的評估
參考文獻
第6章 微電子封裝組裝過程的建模
6.1 封裝組裝過程的介紹
6.2 前道裝配工藝建模
6.2.1 晶圓薄化技術
6.2.2 晶圓薄膜加工過程
6.2.3 探針電測
6.2.4 芯片拾取過程
6.2.5 芯片貼裝過程
6.2.6 引線鍵合過程
6.3 後道裝配工藝建模
6.3.1 注塑成型
6.3.2 封裝器件分離
6.4 封裝組裝過程對產品可靠性的影響
6.4.1 熱循環和功率循環的影響
6.4.2 尺寸變化的影響
參考文獻
第7章 微電子封裝可靠性與測試建模
7.1 封裝可靠性和失效分析
7.2 預處理測試的建模
7.2.1 塑料封裝的吸濕問題
7.2.2 預處理建模實例
7.3 熱循環試驗建模
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加載條件
7.3.3 壽命預測方法實現
7.3.4 結果分析
7.4 功率循環試驗建模
7.4.1 芯片尺寸封裝模型的介紹
7.4.2 基于流體力學對流系數公式的熱分析模擬
7.4.3 基于經驗對流系數公式的熱分析模擬
7.4.4 CSP熱應力應變分析及疲勞壽命預測
7.5 跌落試驗建模
7.5.1 顯式模型與隱式模型
7.5.2 Input-G模擬方法
7.5.3 模擬過程與結果
7.5.4 參數研究
7.6 彎曲試驗建模
7.6.1 基本理論
7.6.2 模擬過程
7.6.3 模擬結果
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 模擬結果分析
7.8 芯片鈍化表層的開裂分析
7.8.1 模型結構
7.8.2 鈍化層的開裂問題分析
參考文獻
第8章 高級建模與仿真技術
8.1 高級建模與仿真技術介紹
8.1.1 單元的生死技術
8.1.2 子模型技術
8.1.3 用戶可編程特性
8.2 多物理場耦合建模（直接耦合和間接耦合）
8.2.1 耦合場分析的定義
8.2.2 耦合場分析的類型
8.3 電遷移仿真——原子散度法（AFD）
8.3.1 電遷移簡介
8.3.2 基于AFD法的互連系統仿真理論
8.3.3 AFD法的計算流程
8.3.4 金屬互連的電遷移分析結果
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 算法驗證
8.4.3 遷移空洞演化算法
8.4.4 SWEAT結構的電遷移研究
8.4.5 CSP結構的電遷移研究
參考文獻

美國貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊（他們于1956年獲得了諾貝爾物理學獎）對晶體管的發明，預示著計算機時代即將來臨。1958年德州儀器的杰克‧基爾以及6個月後仙童半導體的羅伯特‧諾伊斯發明了集成電路，這促進了集成時代的發展。1965年，戈登‧摩爾認為，出于降低成本的目的，集成電路芯片上晶體管的數量將每隔24個月增加1倍（也稱為摩爾定律），這成為半導體和電子工業在過去45年發展最強大的驅動力。

當今電子工業的主要趨勢是制造更加個性化的產品，正朝輕、小、薄、短、快及智能化的方向發展，同時還保證產品更加友好、功能強大、可靠、穩健、創新以及低成本。隨著微型化和集成化的發展，擁有更加友好的界面、多元化功能，並保持低功耗的產品將刺激市場的增長，而幫助這些新產品設計成為可能的一個關鍵技術就是建模與仿真。

在過去30年里，隨著計算機技術與商業軟件的發展，建模與仿真在半導體和電子封裝中顯得越來越重要。它們通常是基于結構的幾何和材料屬性、邊界條件、工程和物理定律來實施的，可以幫助用戶︰�減少反復試驗次數；�降低成本；�縮短設計、測試和失效分析的周期；�減少產品的上市周期；�深入理解微電子封裝中的物理、化學，電、機械和熱特性。

然而，大多數工程師、管理人員及科研人員並沒有很好地理解微電子封裝建模與仿真的作用。因此，工業界及研究機構中迫切需要一本全面介紹當前微電子封裝建模與仿真知識的著作。該書的撰寫，可以使讀者快速掌握基本問題的求解方法，並懂得如何權衡做出系統級的方案。

為了使該書適應上述的需要，作為微電子封裝建模與仿真領域的專家，劉勇博士、梁利華博士和曲建民博士為中國讀者系統而全面地介紹了建模與仿真的基本理論、通用算法及工程實際應用。該書將使工業界、研究機構及大學的讀者受益匪淺，可以作為剛進入微電子封裝建模與仿真領域相關人員的入門介紹，也可以作為該領域專業人士的最新參考書。

中國的電子工業已經成為服務供應商（即電子產品的組裝和制造），但獲得的利潤率很低。現今，印度、泰國、菲律賓和印尼等鄰國也正參與該業務。因此，對中國來說，是時候轉變為可以獲得高額利潤率的方案提供商（即高端產品的研究與開發）了。因此，為了加速新產品的開發與促進技術創新，滿足微電子封裝建模與仿真領域存在的巨大需求，該書及時地總結該領域在各個方面的進展。

學習如何使用基于物理學的建模和仿真，來設計微電子封裝系統的各類機構，有望在電子工業中取得重要進展，並在成本、性能、質量、尺寸和重量上獲得豐厚的利益。我希望該書提供的信息有助于消除障礙、避免無謂的錯誤，並加速微電子封裝的設計、材料和工藝的發展。我強烈反對封裝是高級應用的絆腳石這種觀念。我寧願相信這是個應用基于物理學的建模與仿真技術開發創新型、高性能、低成本及可靠的微電子封裝產品的黃金時機。

John H．Lau
美國ASME院士，IEEE院士
于美國加利福尼亞州，帕洛阿爾托