系统级封装导论:整体系统微型化.pdf

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书籍描述

内容简介
本书是关于电子封装中系统级封装(SystemonPackage,SOP)的一本专业性著作。本书由电子封装领域权威专家——美国工程院资深院士Rao RTummala教授和Madhavan Swaminathan教授编著,由多位长期从事微纳制造、电子封装理论和技术研究的知名学者以及专家编写而成。本书从系统级封装基本思想和概念讲起,陆续通过13个章节分别介绍了片上系统封装技术,芯片堆叠技术,射频、光电子、混合信号的集成系统封装技术,多层布线和薄膜元件系统封装技术,MEMS封装及晶圆级系统级封装技术等,还介绍了系统级封装后续的热管理问题、相关测试方法的研究状况,并在最后介绍了系统级封装技术在生物传感器方面的应用情况。 本书无论是对高校高年级本科生,从事电子封装技术研究的研究生,还是从事相关研究工作的专业技术及研究人员都有较大帮助。

编辑推荐
(1)作者权威,Rao R. Tummala是美国工程院院士,佐治亚理工学院封装研究中心的教授和创立者,电气电子工程师协会的会士、美国陶瓷学会会士、IEEE元件封装和制造技术协会主席。 (2)系统级封装(SOP)的概念是由本书作者Rao Tummala教授提出的,本书是第一部关于SOP的著作,系统阐述了这项革新性的封装技术。 (3)本书同时阐述了系统级封装(SOP)较片上系统SOC(system on chip)、系统封装SIP(system in package)的区别和优点。SOC指的是在单个芯片上集成一个完整的系统,SIP与SOC类似,也是基于IC芯片,是把多个芯片置于单一封装中,多结合3D封装技术。而SOP是将三个封装层次浓缩到一个封装系统内。SOC只能实现10%系统的集成和微型化,而SOP可以实现全部系统的微型化,具有设计和制造低成本的特点。

作者简介
作者:[美]图马拉(Tummala、R.R.)、斯瓦米纳坦(Swaminathan、M.)
Rao R.Tummala
佐治亚理工学院微纳系统封装研究中心的创办者,特聘教授、讲座教授。他是前IBM院士,是美国电气和

电子工程师协会(IEEE)下的组件封装与制造技术学会(CPMT)和国际微电子与封装协会(IMAPS)前主席,

IEEE会士,美国工程院和印度工程院院士。Tummala博士获得过多项工业界、学术界和专业机构的将项,

其中包括作为全美50大杰出者之一获得工业周刊的奖项。他著有5本专业书籍,发表专业论文425篇,72

项专利和发明。

Madhavan Swaminathan
佐治亚理工学院电气和计算机工程学院电子学约瑟.佩蒂特教授,微系统封装研究中心副主任。他是

Jacket Micro Devices 公司创始人之一,集成射频模块和基板的无线应用研究领域领头人,SoPWorXW公

司(致力于系统级封装应用的电子自动化软件设计)领导者。加入佐治亚理工学院之前,他曾在IBM研究

超级计算机的封装。目前已经发表了300多篇著作,拥有15项专利并荣膺成为IEEE会士。

目录
第1章系统级封装技术介绍1
1.1引言2
1.2电子系统数据集成趋势3
1.3电子系统组成部分4
1.4系统技术演变5
1.55个主要的系统技术7
1.5.1分立式器件的SOB技术8
1.5.2在单芯片上实现两个或多系统功能的SOC技术9
1.5.3多芯片模块(MCM):两个或多个芯片水平互连封装集成9
1.5.4堆叠式IC和封装(SIP):两个或多个芯片堆叠封装集成(3D Moore定律)10
1.6系统级封装技术(最好的IC和系统集成模块)13
1.6.1概述13
1.6.2微型化趋势16
1.75个系统技术的比较17
1.8SOP全球发展状况19
1.8.1光学SOP19
1.8.2射频SOP21
1.8.3嵌入式无源SOP21
1.8.4MEMS SOP21
1.9SOP技术实施22
1.10SOP技术24
1.11总结25
参考文献26
第2章片上系统(SOC)简介29
2.1引言30
2.2关键客户需求31
2.3SOC架构33
2.4SOC设计挑战37
2.4.1SOC设计阶段1——SOC定义与挑战38
2.4.2SOC设计阶段2——SOC创建过程与挑战42
2.5总结57
参考文献57
第3章堆叠式IC和封装(SIP)59
3.1SIP定义60
3.1.1定义60
3.1.2应用60
3.1.3SIP的主要发展图和分类61
3.2SIP面临的挑战63
3.2.1材料和工艺流程问题64
3.2.2机械问题64
3.2.3电学问题65
3.2.4热学问题66
3.3非TSV SIP技术69
3.3.1非TSV SIP的历史变革69
3.3.2芯片堆叠71
3.3.3封装堆叠83
3.3.4芯片堆叠与封装堆叠87
3.4TSV SIP技术88
3.4.1引言88
3.4.2三维TSV技术的历史演变91
3.4.3基本的TSV技术92
3.4.4采用TSV的各种三维集成技术98
3.4.5硅载片技术104
3.5未来趋势105
参考文献106
第4章混合信号(SOP)设计111
4.1引言112
4.1.1混合信号器件与系统113
4.1.2移动应用集成的重要性114
4.1.3混合信号系统架构116
4.1.4混合信号设计的挑战116
4.1.5制造技术119
4.2用于RF前端的嵌入式无源器件设计119
4.2.1嵌入式电感120
4.2.2嵌入式电容123
4.2.3嵌入式滤波器124
4.2.4嵌入式平衡 非平衡转换器127
4.2.5滤波器 Balun网络129
4.2.6可调谐滤波器131
4.3芯片 封装协同设计133
4.3.1低噪声放大器设计134
4.3.2并发振荡器设计136
4.4无线局域网的RF前端模块设计140
4.5设计工具142
4.5.1嵌入式RF电路尺寸设计143
4.5.2信号模型和电源传送网络146
4.5.3有理函数、网络合成与瞬态仿真150
4.5.4生产设计154
4.6耦合158
4.6.1模拟 模拟耦合158
4.6.2数字 模拟耦合163
4.7去耦合166
4.7.1数字应用中去耦的需要168
4.7.2贴片电容的问题169
4.7.3嵌入式去耦169
4.7.4嵌入式电容的特征173
4.8电磁带隙(EBG)结构175
4.8.1EBG结构分析与设计176
4.8.2EBG在抑制电源噪声方面的应用179
4.8.3EBG的辐射分析181
4.9总结183
参考文献184
第5章射频系统级封装(RF SOP)191
5.1引言192
5.2RF SOP概念192
5.3RF封装技术的历史演变195
5.4RF SOP技术196
5.4.1建模与优化196
5.4.2RF基板材料技术198
5.4.3天线198
5.4.4电感器205
5.4.5RF电容器208
5.4.6电阻213
5.4.7滤波器218
5.4.8平衡 不平衡变换器220
5.4.9组合器220
5.4.10RF MEMS开关221
5.4.11电子标签(RFID)技术227
5.5RF模块集成229
5.5.1无线局域网(WLAN)229
5.5.2智能网络传输器(INC)230
5.6未来发展趋势232
参考文献234
第6章集成芯片到芯片的光电子系统级封装240
6.1引言241
6.2光电子系统级封装(SOP)的应用242
6.2.1高速数字系统与高性能计算242
6.2.2RF 光学通信系统243
6.3薄层光电子SOP的挑战244
6.3.1光学对准244
6.3.2薄膜光学波导材料的关键物理和光学特性245
6.4光电子系统级封装的优点248
6.4.1高速电气与光学线路的性能对比248
6.4.2布线密度249
6.4.3功率损耗251
6.4.4可靠性251
6.5光电子系统级封装(SOP)技术的发展252
6.5.1板 板光学布线253
6.5.2芯片 芯片光互连254
6.6光电子SOP薄膜元件256
6.6.1无源薄膜光波电路256
6.6.2有源光电子SOP薄膜器件265
6.6.3三维光波电路的良机265
6.7SOP集成:界面光学耦合267
6.8芯片上的光学电路271
6.9光电子SOP的未来趋势273
6.10总结273
参考文献274
第7章内嵌多层布线和薄膜元件的SOP基板283
7.1引言284
7.2基板集成技术的历史演变286
7.3SOP基板287
7.3.1动力与挑战287
7.3.2嵌入低介电常数的电介质、芯体与导体的超薄膜布线289
7.3.3嵌入式无源器件309
7.3.4嵌入式有源器件321
7.3.5散热材料和结构的微型化324
7.4SOP基板集成的未来325
参考文献326
第8章混合信号SOP可靠性330
8.1系统级可靠性注意事项331
8.1.1失效机制332
8.1.2为可靠性而设计333
8.1.3可靠性验证335
8.2多功能SOP基板的可靠性335
8.2.1材料和工艺可靠性336
8.2.2数字功能可靠性与验证341
8.2.3射频功能可靠性及验证344
8.2.4光学功能可靠性及验证346
8.2.5多功能系统稳定性348
8.3基板与IC的互连可靠性349
8.3.1影响基板与集成电路互连可靠性的因素350
8.3.2100μm倒装芯片组装可靠性351
8.3.3防止芯片开裂的可靠性研究356
8.3.4焊点可靠性356
8.3.5界面黏结和湿气对底部填料可靠性的影响357
8.4未来的趋势和发展方向360
8.4.1发展焊料360
8.4.2柔性互连361
8.4.3焊料和纳米互连之外的选择361
8.5总结362
参考文献363
第9章MEMS封装369
9.1引言370
9.2MEMS封装中的挑战370
9.3芯片级与晶圆级封装的对比371
9.4晶圆键合技术372
9.4.1直接键合373
9.4.2利用中间层键合373
9.5基于牺牲薄膜的密封技术376
9.5.1刻蚀牺牲层材料376
9.5.2牺牲层聚合物的分解379
9.6低损耗聚合物封装技术382
9.7吸气剂技术383
9.7.1非挥发性吸气剂384
9.7.2薄膜吸气剂385
9.7.3使用吸气剂提高MEMS可靠性385
9.8互连387
9.9组装389
9.10总结和展望390
参考文献391
第10章晶圆级SOP396
10.1引言397
10.1.1定义397
10.1.2晶圆级封装――历史进程398
10.2布线形成与再分布401
10.2.1IC封装间距间隙401
10.2.2硅上再分布层关闭间距间隙403
10.3晶圆级薄膜嵌入式元件403
10.3.1再分布层中的嵌入式薄膜元件404
10.3.2硅载体基板上的嵌入式薄膜元件404
10.4晶圆级封装和互连(WLPI)406
10.4.1WLPI的分类409
10.4.2WLSOP装配432
10.5三维WLSOP435
10.6晶圆级检测及老化436
10.7总结439
参考文献439
第11章系统级封装(SOP)散热446
11.1SOP散热基础447
11.1.1SOP热影响448
11.1.2基于SOP便携式产品的系统级热约束449
11.2SOP模块内热源450
11.2.1数字SOP450
11.2.2RF SOP452
11.2.3光电子SOP453
11.2.4MEMS SOP454
11.3传热模式基础454
11.3.1传导455
11.3.2对流458
11.3.3辐射换热461
11.4热分析原理463
11.4.1热分析数值方法463
11.4.2热分析的实验方法469
11.5热管理技术470
11.5.1概述470
11.5.2热设计技术470
11.6功率最小化方法477
11.6.1并行处理478
11.6.2动态电压和频率调节(DVFS)478
11.6.3专用处理器(ASP)478
11.6.4缓存功率优化478
11.6.5功率管理479
11.7总结479
参考文献479
第12章系统级封装(SOP)模块及系统的电测试485
12.1SOP电测试面临的挑战486
12.1.1HVM测试过程的目标以及SOP面临的挑战488
12.1.2SOP HVM的测试流程489
12.2KGES测试489
12.2.1基板互连测试489
12.2.2嵌入式无源元件的测试494
12.3数字子系统的优质嵌入式模块测试498
12.3.1边界扫描――IEEE 1149.1498
12.3.2千兆赫数字测试:最新进展502
12.4混合信号和RF子系统的KGEM测试505
12.4.1测试策略506
12.4.2故障模型和检测质量508
12.4.3使用专用电路对规范参数的直接测量509
12.4.4混合信号和RF电路的替代测试方法510
12.5总结523
参考文献523
第13章生物传感器SOP530
13.1引言531
13.1.1SOP:高度小型化的电子系统技术531
13.1.2用于小型化生物医疗植入物和传感系统的生物传感器SOP531
13.1.3生物传感器SOP组成535
13.2生物传感535
13.2.1生物流体传送微通道535
13.2.2生物感应单元(探针)设计和制备536
13.2.3探针 目标分子杂交538
13.3信号转换540
13.3.1信号转换元件中的纳米材料和纳米结构541
13.3.2信号转换元件的表面改性和生物功能化543
13.3.3信号转换方法544
13.4信号探测和电子处理548
13.4.1低功率ASIC和生物SOP的合成信号设计548
13.4.2生物SOP基板集成技术551
13.5总结和未来趋势551
13.5.1概述551
13.5.2纳米生物SOP集成的挑战552
参考文献553
缩略语555

序言
译序 半导体产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性产业,是电子信息产业的核心与基础,是各国抢占经济制高点、提升综合国力的重要领域,国际上一些国家把它誉为保障国家安全的产业,所以它是一个衡量国家经济科技发展和国家实力的重要标准。继1947年发明了晶体管、1958年发明集成电路之后,半导体产业一直保持着旺盛的生命力。IC沿着“摩尔定律”的规律发展,已经实现线宽22nm,正向11nm迈进,开始进入后摩尔时代,即延伸摩尔定律:微型化、多样化、低成本、超越CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。 系统级封装(SOP)是摩尔定律以外的多样化发展的结果,它是与片上系统(SOC)并行发展起来的一种新技术。片上系统是指将系统功能进行单片集成的电路芯片,该芯片加以封装就形成一个系统的器件。系统级封装是指将多个半导体裸芯片和可能的无源元件构成的高性能系统集成于一个封装内,形成一个功能性器件,因此可以实现较高的性能密度,集成较多的无源元件,最有效地使用芯片组合,缩短交货周期。SOP封装还可大大减少开发时间和节约成本,具有广阔的应用前景,因此人们对其寄予厚望,并将其视为3D封装的核心技术。SOP将成为半导体产业创新的重要方向。 为了适应我国电子封装业的发展,满足广大电子封装领域的企业、科研院所工作者对电子封装方面书籍的迫切需求,中国电子学会电子制造与封装技术分会成立了《电子封装技术丛书》编辑委员会,组织系列丛书的编辑、出版工作。 近几年来,丛书编辑委员会已先后组织编写、翻译出版了《集成电路封装试验手册》(1998年电子工业出版社出版),《微电子封装手册》(2001年电子工业出版社出版),《微电子封装技术》(2003年中国科学技术大学出版社出版),《电子封装材料与工艺》(2006年化学工业出版社出版),《MEMS/MOEMS封装技术》(2008年化学工业出版社出版),《电子封装工艺设备》(2012年化学工业出版社出版),《电子封装技术与可靠性》(2012年化学工业出版社出版)共七本图书。《系统级封装导论》一书是这一系列的第九本。该书出版后,正在编纂中的系列丛书之五《光电子封装技术》、之十《三维电子封装的硅通孔技术》将会陆续出版,以飨读者。 《系统级封装导论》译自美国Rao R.Tummala(拉奥R图马拉),Madhavan Swaminathan(马达范·斯瓦米纳坦)所著的“Introduction to SystemonPackage(SOP):Miniaturization of the Entire System”。该书的内容涉及片上系统(SOC)、堆叠式IC和封装(SIP)、混合信号(SOP)设计、射频系统级封装(RF SOP)、集成芯片到芯片的光电子系统级封装、内嵌多层布线和薄膜元件的SOP基板、混合信号(SOP)可靠性、MEMS封装、晶圆级SOP、系统级封装(SOP)散热、系统级封装(SOP)模块及系统的电测试、生物传感器SOP等技术。该书对从事电子封装业和电子信息装备业以及相关行业的科研、生产、应用工作者都会有较高的使用价值。对高等院校相关师生也有一定的参考意义。 我相信本书中译本的出版发行将对我国电子封装及电子信息装备业发展起到积极的推动作用。我也向华中科技大学参与本书译校的刘胜教授及全体师生和出版社的工作人员,表示由衷的感谢。 译者的话 系统级封装(SystemonPackage,SOP)是系统层次的封装概念。它是指将器件、封装、系统主板缩小到一个具备所有功能需求的单系统中的封装。这样一个包含多集成电路芯片(ICs)的单系统封装,通过对数字、射频(RF)、光学、微机电系统(MEMS)的协同设计和制造,提供了所有的系统功能以及在集成电路中或者系统封装中的微传感器功能。 本书英文原版“Introduction to SystemonPackage(SOP):Miniaturization of the Entire System”是目前电子封装领域关于系统级封装技术的一本重要著作。原书作者Rao R. Tummala教授和Madhavan Swaminathan教授都长期从事微电子、微系统研究工作。尤其是Tummala教授,他是美国国家工程院院士,IBM会士,IEEE会士,佐治亚理工学院材料科学与工程学院讲座教授,美国国家科学基金会工程研究中心(ERC)下的微系统封装研究中心(PRC)主任。他是电子封装领域的权威人士。本书详细收录了国际知名学者近年来在系统级封装领域的最新研究成果。 本书第1章首先对系统级封装技术进行了概述性介绍;第2章介绍了片上系统(SOC)技术;第3章介绍了集成电路和封装的堆叠(SIP);第4~6章分别详细介绍了混合信号、射频、集成芯片到芯片光电子的SOP设计及实现;第7章介绍多层布线和薄膜元件的SOP基板;第8章对混合信号SOP的可靠性进行了分析;第9、10章介绍了MEMS封装以及晶圆级SOP的最新研究工作;第11章着重讲述系统级封装热管理问题;然后,第12章对系统级封装模块和系统的电测试各种方法进行了分析;最后,第13章介绍了生物传感器系统级封装概念和应用。 本译著是在中国电子科学研究院副院长、中国电子学会常务理事、中国电子学会电子制造与封装技术分会理事长、中国半导体行业协会副理事长毕克允教授的建议和鼓励下,由华中科技大学机械科学与工程学院微系统中心主任刘胜教授牵头,在中心全体师生员工共同努力下,并在非常紧凑的时间内完成的。刘胜教授的几名同事,如能动学院的罗小兵教授等,也提供了大量的帮助,联合他们的研究生们加入翻译工作。本书前言部分和序由王恺主要翻译,第1章由万志敏主要翻译,第2章由陈浩和陈全主要翻译,第3章由曹斌和蔡明先主要翻译,第4章由吕植成和赵志力主要翻译,第5章由曹钢主要翻译,第6章由赵爽和王佳鑫主要翻译,第7章由吴步龙、杨亮和焦峰主要翻译,第8章由陈星和张芹主要翻译,第9章由刘超军和王宇哲主要翻译,第10章由刘孝刚和刘川主要翻译,第11章由毛章明和陈全主要翻译,第12章由宋劭和申智辉主要翻译,第13章由高鸣源主要翻译,缩略语部分由胡程志主要翻译。刘胜教授承担全书统稿、审译工作和部分较难章节的翻译工作。另外,刘孝刚参与前言、第1~3章、第11章审校工作,以及后期全书的修改工作,闻铭参与第4、5、13章审校工作,李水明参与第6章审校工作,李操参与第7章审校工作,陈星参与第8章审校工作,曹钢参与第9章审校工作,师帅参与第10章审校工作,杨元文以及北京信息工程大学缪敏教授参与第12章审校工作。对大家一并表示感谢。 同时,也要感谢华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室对本书的翻译工作给予的大力支持。 需要指出的是,本书的内容仅代表原作者个人的观点和见解,并不代表译者的观点。尤其是书中关于SOP以及SIP(SysteminPackage)的概念问题完全遵从英文原文,本书译者不参与对这两个概念的争论。 另外,由于本书内容较多且新,许多术语以及图片尽量维持并体现原义;对原书中的一些印刷错误或明显单词拼写等错误,以及其他需要商榷的地方,以“译者注”表明。同时,由于译者的理解问题以及系统封装内容跨度大等原因,本书难免有错译、误译以及不妥之处,恳请广大读者给予原谅并指正。 译者 英文版序 1994年,我很荣幸地作为佐治亚理工的新任校长受邀参加了我校第一个国家自然基金(NSF)优秀中心——微系统封装研究中心的开幕式。该中心由拉奥R图马拉(Rao RTummala)教授领导,旨在采用创新的方法将众多芯片封装成超级微型化的单一组件系统,以实现多种功效。通过中心的赞助,我校不同领域的专家与来自全国乃至全世界的其他大学或者工业界中有想法的专家们走在一起,组建了一个强大的团队,共同努力扩大单个影响力。这对于佐治亚理工来说是第一次。这是一个大胆的尝试,不仅需要最好的技术理念,而且还需要有一个新方法用于系统试验平台研究,牵涉到教师、学生以及信息管理的高度多元化的团队。这是一个高风险、同时也是高回报的策略。 所有佐治亚理工需要的教师专家并不是一开始就可以全部到位。我相信,如此激动人心的前景,将吸引着更多有才华的人员加入我们。我们也认识到需要先进的设备,包括大量特殊用途的超净间基础设施。基于这些投入与Tummala教授的领导,将使佐治亚理工在基于系统级封装(SystemonPackage,SOP)的超微小系统化这个重要研究领域,在众大学中处于先驱的位置。 从1995年到2007年,本书中所描写的SOP技术一直得到了NSF、工业界与佐治亚理工研究联盟的支持。在该时期内,中心人员来自于佐治亚理工的电气、机械、材料科学与化学化工各个院系,且有55位教师和高级研究员来自全球160个公司。另外还有600名出色的博士生与硕士生参加了开拓性的SOP研发工作,同时他们现在正在作为工业界的领导使用他们在佐治亚理工开发出的SOP技术来驱动下一个时代的发展。 本书介绍的SOP技术将使未来20年中电子与生物电子系统体积缩小到目前的一千分之一,甚至一百万分之一。它介绍了系统集成定律的概念,被认为是用于整个系统微小化的电子学第二定律。它补充了众所周知的集成电路(IC)摩尔定律,摩尔定律主要应用于系统的小部分。SOP使得最小化以及系统功能多样化成为可能,它将促使消费电子、医疗、能源与交通等领域新一代产品的诞生。 我校以及全世界的教师将会发现本书是教育后辈学生SOP技术的有用资源。我要向Tummala教授和他的团队带来了佐治亚理工第一个国家自然基金优秀中心表示祝贺,同时为将其带入下一个崭新的阶段而出版这本杰出著作表示祝贺。 Wayne Clough 佐治亚理工学院校长

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