系统级封装导论

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

（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。 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。【作者简介】作者图马拉(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。