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目錄

序

前言

致謝

第章功率半導(dǎo)體封裝的定義和分類1

1.1半導(dǎo)體的封裝1

1.2功率半導(dǎo)體器件的定義3

1.3功率半導(dǎo)體發(fā)展簡(jiǎn)史4

1.4半導(dǎo)體材料的發(fā)展6

參考文獻(xiàn)8

第章功率半導(dǎo)體器件的封裝特點(diǎn)9

2.1分立器件的封裝9

2.2功率模塊的封裝12

2.2.1功率模塊封裝結(jié)構(gòu)12

2.2.2智能功率模塊14

2.2.3功率電子模塊15

2.2.4大功率灌膠類模塊16

2.2.5雙面散熱功率模塊16

2.2.6功率模塊封裝相關(guān)技術(shù)16

參考文獻(xiàn)19

第章典型的功率封裝過(guò)程20

3.1基本流程20

3.2劃片20

3.2.1貼膜21

3.2.2膠膜選擇22

3.2.3特殊的膠膜23

3.2.4硅的材料特性25

3.2.5晶圓切割26

3.2.6劃片的工藝27

3.2.7晶圓劃片工藝的重要質(zhì)量缺陷29

3.2.8激光劃片30

3.2.9超聲波切割32

3.3裝片33

3.3.1膠聯(lián)裝片 34

3.3.2裝片常見(jiàn)問(wèn)題分析37

3.3.3焊料裝片41

3.3.3.1焊料裝片的過(guò)程和原理41

3.3.3.2焊絲焊料的裝片過(guò)程46

3.3.3.3溫度曲線的設(shè)置48

3.3.4共晶焊接49

3.3.5銀燒結(jié)54

3.4內(nèi)互聯(lián)鍵合 59

3.4.1超聲波壓焊原理60

3.4.2金/銅線鍵合61

3.4.3金/銅線鍵合的常見(jiàn)失效機(jī)理72

3.4.4鋁線鍵合之超聲波冷壓焊73

3.4.4.1焊接參數(shù)響應(yīng)分析74

3.4.4.2焊接材料質(zhì)量分析76

3.4.5不同材料之間的焊接冶金特性綜述82

3.4.6內(nèi)互聯(lián)焊接質(zhì)量的控制85

3.5塑封90

3.6電鍍 93

3.7打標(biāo)和切筋成形97

參考文獻(xiàn)99

第章功率器件的測(cè)試和常見(jiàn)不良分析100

4.1功率器件的電特性測(cè)試100

4.1.1MOSFET產(chǎn)品的靜態(tài)參數(shù)測(cè)試100

4.1.2動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試103

4.1.2.1擊穿特性103

4.1.2.2熱阻103

4.1.2.3柵電荷測(cè)試105

4.1.2.4結(jié)電容測(cè)試106

4.1.2.5雙脈沖測(cè)試107

4.1.2.6極限能力測(cè)試109

4.2晶圓（CP）測(cè)試111

4.3封裝成品測(cè)試（FT）113

4.4系統(tǒng)級(jí)測(cè)試（SLT）115

4.5功率器件的失效分析116

4.5.1封裝缺陷與失效的研究方法論 117

4.5.2引發(fā)失效的負(fù)載類型118

4.5.3封裝過(guò)程缺陷的分類118

4.5.4封裝體失效的分類123

4.5.5加速失效的因素125

4.6可靠性測(cè)試125

參考文獻(xiàn)129

第章功率器件的封裝設(shè)計(jì)131

5.1材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)131

5.1.1引腳寬度設(shè)計(jì)131

5.1.2框架引腳整形設(shè)計(jì)132

5.1.3框架內(nèi)部設(shè)計(jì)132

5.1.4框架外部設(shè)計(jì)135

5.1.5封裝體設(shè)計(jì)137

5.2封裝工藝設(shè)計(jì)139

5.2.1封裝內(nèi)互聯(lián)工藝設(shè)計(jì)原則139

5.2.2裝片工藝設(shè)計(jì)一般規(guī)則140

5.2.3鍵合工藝設(shè)計(jì)一般規(guī)則141

5.2.4塑封工藝設(shè)計(jì)145

5.2.5切筋打彎工藝設(shè)計(jì)146

5.3封裝的散熱設(shè)計(jì)146

參考文獻(xiàn)150

第章功率封裝的仿真技術(shù)151

6.1仿真的基本原理151

6.2功率封裝的應(yīng)力仿真152

6.3功率封裝的熱仿真156

6.4功率封裝的可靠性加載仿真157

參考文獻(xiàn)161

第章功率模塊的封裝162

7.1功率模塊的工藝特點(diǎn)及其發(fā)展162

7.2典型的功率模塊封裝工藝164

7.3模塊封裝的關(guān)鍵工藝170

7.3.1銀燒結(jié)171

7.3.2粗銅線鍵合172

7.3.3植PIN174

7.3.4端子焊接176

第章車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體器件封裝特點(diǎn)及要求178

8.1IATF 16949：2016及汽車生產(chǎn)體系工具179

8.2汽車半導(dǎo)體封裝生產(chǎn)的特點(diǎn)186

8.3汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品的品質(zhì)認(rèn)證187

8.4汽車功率模塊的品質(zhì)認(rèn)證191

8.5ISO 26262介紹193

參考文獻(xiàn)194

第章第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體封裝195

9.1第三代寬禁帶半導(dǎo)體的定義及介紹195

9.2SiC的特質(zhì)及晶圓制備196

9.3GaN的特質(zhì)及晶圓制備198

9.4第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的封裝200

9.5第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用201

第章特種封裝/宇航級(jí)封裝204

10.1特種封裝概述204

10.2特種封裝工藝206

10.3特種封裝常見(jiàn)的封裝失效210

10.4特種封裝可靠性問(wèn)題213

10.5特種封裝未來(lái)發(fā)展217

參考文獻(xiàn)221

附錄半導(dǎo)體術(shù)語(yǔ)中英文對(duì)照222

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前言/序言

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)又稱集成電路產(chǎn)業(yè)，是電子工業(yè)的心(芯)臟產(chǎn)業(yè)，集成電路是集多種高技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，幾乎存在于所有工業(yè)部門，決定著一個(gè)國(guó)家的裝備水平和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心，屬于國(guó)家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界發(fā)展非常迅速和競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的產(chǎn)業(yè)之一。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈很復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、設(shè)備、材料、EDA、IP，直至芯片成品，其中每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要非常專業(yè)的知識(shí)。

芯片的大體制備流程包括芯片設(shè)計(jì)→圓晶制造→封裝測(cè)試。 所謂半導(dǎo)體 “封（Packaging）”，是芯片生產(chǎn)過(guò)程的一道工序，是將集成電路用絕緣的材料包封的技術(shù)。封裝工藝主要有以下功能：功率分配（電源分配）、信號(hào)分配、散熱通道、隔離保護(hù)和機(jī)械支持等。封裝對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)是必需的，也是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)芯片電路的腐蝕而造成電氣性能的下降。另外，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸?？梢哉f(shuō)封裝是半導(dǎo)體集成電路與電路板的連接橋梁，封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身的性能和印制電路板（Print Circuit Board，PCB）的設(shè)計(jì)與制造。半導(dǎo)體封裝和測(cè)試行業(yè)相比半導(dǎo)體芯片晶圓制造（前道）來(lái)說(shuō)具有投資少、風(fēng)險(xiǎn)低、回報(bào)快、勞動(dòng)力相對(duì)集中的特點(diǎn)，對(duì)技術(shù)設(shè)備等要求也沒(méi)有前道工序復(fù)雜和高。二十世紀(jì)八九十年代以來(lái)，由于引進(jìn)外資和開放力度的加強(qiáng)，長(zhǎng)三角、珠三角以及天津地區(qū)陸續(xù)投資了許多半導(dǎo)體封裝和測(cè)試的外資公司，這些公司帶來(lái)的技術(shù)和資金以及先進(jìn)的管理思維，再加上當(dāng)?shù)卣姆龀郑鞣劫Y源的優(yōu)化，發(fā)展很快。目前我國(guó)的半導(dǎo)體封裝和測(cè)試行業(yè)在世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中已經(jīng)形成一定的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，成為許多著名半導(dǎo)體公司的重要加工基地，已經(jīng)形成了一定的規(guī)模優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)第一次走入芯片發(fā)展史是在轟轟烈烈的“一五”計(jì)劃前后。我國(guó)的半導(dǎo)體技術(shù)和工業(yè)體系也是在此階段建立起來(lái)的。1958年起，上海元件五廠、上海電子管廠和上海無(wú)線電十四廠等先后成立。浙江和江蘇也建立起一批半導(dǎo)體企業(yè)。上海的半導(dǎo)體工業(yè)在當(dāng)時(shí)處于全國(guó)前列。1968年，上海又組建無(wú)線電十九廠，與北京的東光電工廠并駕齊驅(qū)。1980年，無(wú)錫江南無(wú)線電器材廠（742廠）宣布從日本東芝公司引進(jìn)彩色和黑白電視機(jī)集成電路5μm全套生產(chǎn)線。這是我國(guó)第一次從國(guó)外引進(jìn)集成電路技術(shù)。1986年，電子工業(yè)部在廈門召開集成電路發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，提出了“七五”（1986～1990年）期間的“531”發(fā)展戰(zhàn)略，并決定在上海和北京建設(shè)兩個(gè)微電子基地。1988～1995年，上海先后成立上海貝嶺、上海飛利浦、上海松下等半導(dǎo)體公司。1988年，871廠紹興分廠改名為華越微電子有限公司，建起了規(guī)?；F(xiàn)代化的集成電路 IDM 模式，產(chǎn)量曾多年位居全國(guó)第二，并為浙江培養(yǎng)了大量的集成電路生產(chǎn)人才。1998年，上海貝嶺在上交所上市，成為我國(guó)集成電路行業(yè)的上市企業(yè)。

隨著國(guó)家對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的日益重視，更大規(guī)模的“908工程”（1990年）和“909工程”（1995年）也啟動(dòng)了。“908工程”的重點(diǎn)是無(wú)錫華晶，目標(biāo)是突破超大規(guī)模集成電路。然而實(shí)際情況是建設(shè)周期太長(zhǎng)，待生產(chǎn)線建成投產(chǎn)時(shí)，技術(shù)水平已落后于國(guó)際主流。在一系列曲折探索后，1995年出臺(tái)的“909工程”吸取之前的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確定了我國(guó)電子工業(yè)一筆投資規(guī)模達(dá)100億元的項(xiàng)目。1997年，上海華虹與日本電氣（NEC）合資組建華虹NEC，不到兩年時(shí)間就建成并投片64MB的DRAM，“抓住了半導(dǎo)體高潮的尾巴”，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)盈利。2000年創(chuàng)立的中芯國(guó)際，釘下了上海乃至我國(guó)造芯史上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。3年時(shí)間，中芯國(guó)際就建立起4條8in生產(chǎn)線和1條12in生產(chǎn)線，到2005年就已成為全球第三大晶圓代工廠。這樣的速度，全世界獨(dú)此一家。在中芯國(guó)際落成后，世界芯片代工企業(yè)也紛紛落戶上海。短短兩三年時(shí)間，到2003年上半年，上海已擁有芯片代工企業(yè)11家，已建和在建的生產(chǎn)線18條，其中10條為8in生產(chǎn)線，占全國(guó)70％以上。江蘇的蘇州、無(wú)錫，也緊緊抓住了這一波外資和人才的浪潮。

2013年，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到405億美元，占全球比重已經(jīng)達(dá)到13.3%。2014年9月，被稱為“大基金”的國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)基金掛牌成立，規(guī)模上千億。無(wú)錫長(zhǎng)電成為“大基金”的支持企業(yè)之一，在2015年收購(gòu)星科金朋，成為全球第三大芯片封測(cè)巨頭；通富微電并購(gòu)AMD封裝廠成為國(guó)內(nèi)W一封裝CPU、GPU的OSAT工廠；之前坐看省內(nèi)“賽馬”的南京也突然發(fā)力，短短幾年時(shí)間，南京已經(jīng)形成了一個(gè)芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群，江蘇的集成電路實(shí)力更是如虎添翼。上海在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展*快的2000年之后，傾盡資源支持集成電路發(fā)展，在張江高科里聚集了各類芯片設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)公司，曾經(jīng)產(chǎn)值占全國(guó)一半。加上浙江士蘭微、斯達(dá)等國(guó)內(nèi)IDM公司的涌現(xiàn)，再結(jié)合長(zhǎng)三角地區(qū)本來(lái)就領(lǐng)先的人文、人才教育資源，使得長(zhǎng)三角地區(qū)成為了我國(guó)的“硅谷”區(qū)域的初步雛形。

半導(dǎo)體封裝伴隨著半導(dǎo)體的制造也是歷經(jīng)起伏，不過(guò)因?yàn)榧夹g(shù)特點(diǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單，投資密度小，沒(méi)有半導(dǎo)體制造波動(dòng)那么大。但也經(jīng)歷了以下發(fā)展階段：

第一階段是在20世紀(jì)70年代以前，主要是通孔插裝型封裝。典型封裝形式有：金屬圓形(TO型)封裝、陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、塑料雙列直插封裝(PDIP)等。

第二階段是在20世紀(jì)80年代以后，主要是表面貼裝型封裝。典型封裝形式有：塑料有引線片式載體(PLCC)封裝、塑料四邊引線扁平封裝(PQFP)、塑料小外形封裝(PSOP)、無(wú)引線四邊扁平封裝(PQFN)。

第三階段是在20世紀(jì)90年代以后，主要是焊球陣列封裝 (BGA)、圓片級(jí)封裝(WLP)、芯片尺寸封裝(CSP)。典型封裝形式有：塑料焊球陣列封裝(PBGA)、陶瓷焊球陣列封裝(CBGA)、載帶焊球陣列封裝( TBGA)、帶散熱器焊球陣列封裝( EBGA)、倒裝焊球陣列封裝(FCBGA)、引線框架型CSP封裝、柔性剛性線路封裝（CSP）、晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝（WLCSP）等。同時(shí)，這一階段是我國(guó)改革開放吸引外資的經(jīng)濟(jì)騰飛階段，90年代中期，許多外資IDM公司和芯片封測(cè)服務(wù)世界排名前列的頭部企業(yè)紛紛在長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)設(shè)立封測(cè)工廠，比較典型的如三星、超微、英特爾、仙童、瑞薩、英飛凌等IDM公司在蘇州、上海、無(wú)錫建設(shè)自己的封測(cè)工廠，星科金鵬、日月光和安靠等在上海建立封測(cè)服務(wù)工廠等。這些外資工廠帶動(dòng)了我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，并為我國(guó)半導(dǎo)體封測(cè)行業(yè)培養(yǎng)了一大批技術(shù)管理人才。

第四階段是從20世紀(jì)末開始，主要是多芯片組件(MCM)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)、三維立體(3D)封裝。典型封裝形式有：多層陶瓷基板(MCMC)、多層薄膜基板 (MCMD)、多層印制板(MCML)。

第五階段是從2010年左右開始，主要是系統(tǒng)級(jí)單芯片封裝(SoC)、小芯片封裝、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝等。

作者于1997年進(jìn)入半導(dǎo)體封裝行業(yè)，服務(wù)過(guò)的公司有三星、仙童、霍尼韋爾和通富微電，基本見(jiàn)證了我國(guó)半導(dǎo)體封裝的高速發(fā)展歷程。因?yàn)殚L(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體封裝有關(guān)的技術(shù)工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn)和心得，值此半導(dǎo)體行業(yè)大發(fā)展時(shí)期，做些整理、總結(jié)和歸納的工作，希望在此基礎(chǔ)上與業(yè)界專家和學(xué)者共同探討激發(fā)創(chuàng)新，并給有志于加入我國(guó)半導(dǎo)體封裝隊(duì)伍的新一代半導(dǎo)體封裝工作者做個(gè)技術(shù)入門和參考。

本書主要闡述功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)發(fā)展的歷程及其涉及的材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制和認(rèn)證等方面的基本原理、方法及經(jīng)驗(yàn)，限于水平，書中難免會(huì)有錯(cuò)誤和遺漏的地方，希望各專家學(xué)者給予批評(píng)指正。本書可以作為各大專院校微電子、集成電路及半導(dǎo)體封裝專業(yè)開設(shè)封裝課程的規(guī)劃教材和輔助用書，也可供半導(dǎo)體封裝從業(yè)者參考。

朱正宇

2022年1月于南通

功率半導(dǎo)體器件是進(jìn)行電能（功率）處理的半導(dǎo)體器件，是電力電子裝備與節(jié)能減排的核心基礎(chǔ)器件，在目前全球“雙碳經(jīng)濟(jì)”中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

隨著20世紀(jì)70年代中后期將集成電路工藝引入功率半導(dǎo)體器件制造中，以功率MOS器件為代表的場(chǎng)控型功率半導(dǎo)體器件逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的主流，基于BCD多模工藝集成平臺(tái)的功率集成電路市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，功率半導(dǎo)體器件向高頻、低功耗、高功率密度、更多功能集成和高性價(jià)比方向發(fā)展。近幾年，以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的快速崛起，更進(jìn)一步推動(dòng)了功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，功率半導(dǎo)體器件正向著以持續(xù)推進(jìn)器件結(jié)構(gòu)、制造工藝和功能集成等領(lǐng)域創(chuàng)新的“More Devices”以及以系統(tǒng)牽引、先進(jìn)封裝和新型拓?fù)浼軜?gòu)等多學(xué)科交叉的“More than Devices”兩個(gè)維度融合發(fā)展。

在此大背景下，功率半導(dǎo)體封裝已不再局限于傳統(tǒng)的電連接和支撐保護(hù)功能，其在功率半導(dǎo)體器件電性能和可靠性中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。銀燒結(jié)、銅線鍵合等新材料和新工藝不斷地被引入到功率半導(dǎo)體封裝中，雙面冷卻封裝、薄片壓接式封裝、多片式集成功率模塊乃至異質(zhì)多芯片功率模塊等新型封裝技術(shù)不斷出現(xiàn)。

雖然功率半導(dǎo)體封裝發(fā)展迅速，但介紹功率半導(dǎo)體封裝的書籍卻異常缺乏。感謝朱正宇先生等幾位同仁，感謝他們以自身多年的功率半導(dǎo)體封裝經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，撰寫了這本關(guān)于功率半導(dǎo)體器件封裝的書籍，從功率半導(dǎo)體封裝的定義和分類開始，介紹了功率半導(dǎo)體器件封裝的特點(diǎn)、流程和封裝設(shè)計(jì)技術(shù)。這本書不僅對(duì)功率半導(dǎo)體封測(cè)行業(yè)從業(yè)人員大有裨益，對(duì)功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用人員也是一本極好的參考書籍。

電子科技大學(xué)張波

2021年12月于成都

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