《晶圆级芯片封装技术》主要从技术和应用两个层面对晶圆级芯片封装（Wafer-Level Chip-Scale Package，WLCSP）技术进行了全面的概述，并以系统的方式介绍了关键的术语，辅以流程图和图表等形式详细介绍了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、硅通孔（TSV）、微机电系统（MEMS）和光电子应用等，并着重针对其在模拟和功率半导体方面的相关知识进行了具体的讲解。《晶圆级芯片封装技术》主要包括模拟和功率WLCSP的需求和挑战，扇入型和扇出型WLCSP的基本概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估，WLCSP的可堆叠封装解决方案，晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项，TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成的解决方案，WLCSP的热管理、设计和分析的关键主题，模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真，WLCSP器件的组装，WLCSP半导体的可靠性和一般测试等内容。
《晶圆级芯片封装技术》可作为微电子、集成电路等领域工程技术人员的参考书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的教学辅导书。

1.两位作者均是美国仙童半导体公司资深技术专家，长期从事芯片先进封装方面的研究，具有深厚的技术积累。
2.内容源于工程实践，聚焦晶圆级芯片封装技术及工程应用，详细介绍了模拟与功率WLCSP设计、材料表征、可靠性及建模相关知识。
3.本书采用彩色印刷，包含270多张彩色图片，图片清晰、精美，易于阅读理解。

晶圆级芯片封装（WLCSP）是一种裸片封装，它不仅在所有IC封装形式中提供尽可能小的封装面积，而且具有卓越的电气性能和热性能，这主要归功于其组装的芯片和应用PCB之间直接通过焊料进行连接，具有低电阻、低热阻和低电感。对于性能要求高、尺寸要求较小的移动电子产品，其散热仅限于通过PCB传导到移动设备的外壳，而WLCSP是平衡这一看似矛盾需求的最佳芯片封装方案。
与倒装芯片封装相同，WLCSP向前迈出了大胆的一步，在半导体芯片上放置了足够大的焊料凸点，并允许其直接倒装在应用基板上。由于焊点占据了芯片/PCB 热膨胀系数（CTE）失配热/机械应力的很大一部分，除了基本的设备特定可靠性测试外，WLCSP在跌落测试、弯曲测试和温度循环测试等移动设备的可靠性测试中也表现出了优异的可靠性。这种封装形式的鲁棒性也在数十亿移动消费电子设备的日常使用寿命中得到了证明。随着凸点技术的不断发展，如聚合物再钝化焊盘上凸点（Bump on Pad，BoP）、铜的再分布层（Redistrbution Layer，RDL）、RDL上的正面模制铜柱、强力的硅背面研磨、先进的合金焊料和设计技巧，使得WLCSP将硅片尺寸范围从早期的2-3mm扩展到了8-10mm，同时持续减少了200mm和300mm晶圆尺寸大批量生产时的单位成本。封装尺寸范围的可用性和有利的成本结构使WLCSP成为各种半导体器件的良好封装候选，从模拟/混合信号和无线连接芯片到光电子、功率电子以及逻辑和存储器芯片。3D晶圆级芯片堆叠的创新进一步使WLCSP成为MEMS和传感器芯片封装的可行选择。
WLCSP的优点在于从开始到结束都是基于晶圆的处理。WLCSP打破了晶圆厂工艺和后端封装操作的界限，不同于传统封装技术，其封装过程更加集成化和自动化。WLCSP的封装操作因其高自动化和高产率而广为人知，包括凸点、检查和测试，从一步到另一步都是完全自动化的。并且，得益于半个世纪的晶圆加工技术设计技巧积累，整体WLCSP（通常称为凸点）的良率也接近100%。考虑到这一点，即使对于芯片扇出型封装，基于200mm或300mm尺寸重构晶圆的晶圆加工形式从一开始就是优选的方法就一点也不奇怪了。
WLCSP在过去十年中取得了巨大的增长，这主要得益于全球消费者对移动通信和计算设备需求的持续增长。随着两位数的市场价值（包括晶圆凸点、测试和晶圆加工服务，如背面研磨、标记、切割以及胶带和卷轴）的增长，WLCSP仍然是各种背景的封装工程师所采用的最重要的封装技术之一。
《晶圆级芯片封装技术》的目的是为读者提供关于WLCSP技术的全面概述。作者还打算分享WLCSP在模拟和功率半导体中应用的具体知识。本书还简要介绍了先进的WLCSP技术，如3D晶圆级堆叠、TSV、MEMS和光电子应用等。
《晶圆级芯片封装技术》共有10章，第1章概述了模拟和功率WLCSP的需求和挑战；第2、3章涵盖了扇入型和扇出型WLCSP的基本概念、凸点工艺流程、设计注意事项和可靠性评估；第4章专门介绍涉及WLCSP的可堆叠封装解决方案；第5章详细介绍了晶圆级分立式功率MOSFET封装设计的注意事项；第6章详细讨论了TSV/堆叠芯片WLCSP的模拟和电源集成的解决方案；第7章是关于WLCSP的热管理、设计和分析的关键主题；第8章继续介绍模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真，并介绍了0.18μm功率技术电迁移研究的新进展；第9章涉及WLCSP器件的组装；第10章总结了WLCSP半导体的可靠性和一般测试。
凭借多年的半导体封装经验，以及对晶圆级封装的关注，作者试图在10章中提供均衡且最新的内容。我们希望《晶圆级芯片封装技术》对于那些需要在短时间内学习WLCSP技术最重要知识的年轻工程师来说，是一个很好的入门材料。同时，我们也希望经验丰富的工程师能发现本书是很好的参考资料，不仅能帮助他们跟上快速的技术进步，还能帮助他们应对日常的工程挑战。

Shichun Qu　　
美国加利福尼亚州圣何塞　　
Yong Liu　　
美国缅因州南波特兰

Shichun Qu博士，于2007年加入美国加州圣克拉拉的国家半导体公司，参与了先进引线框架封装的开发、焊盘上高温引线键合金属化研究和生产鉴定，以及高引脚数WLCSP技术研究。2011年加入仙童半导体公司后，他大部分时间都致力于了解WLCSP芯片/PCB的相互作用，并微调WLCSP设计和凸点工艺，通过在更高引脚数下扩展使用低掩模数凸点技术来实现有竞争力的制造成本。

Yong Liu博士，自2001年以来一直在美国仙童半导体公司工作，2008年起担任高级技术人员,目前是仙童半导体公司全球电气、热机械建模和分析团队的负责人。他的主要兴趣领域是先进的模拟和电力电子封装、建模和仿真、可靠性和组装工艺。他在期刊和会议上合作发表了170多篇论文，并在3D/Stack/TSV IC 和电力电子封装领域获得了45项美国专利。

译者序
原书前言
致谢
作者简介
第1章　晶圆级芯片模拟和功率器件封装的需求和挑战1
1.1　模拟和功率WLCSP需求1
1.2　芯片收缩影响2
1.2.1　芯片收缩产生的影响2
1.2.2　晶圆级片上系统与系统级封装3
1.3　扇入与扇出3
1.4　功率WLCSP开发4
1.4.1　与常规分立功率封装相比的晶圆级MOSFET4
1.4.2　更高的载流能力5
1.4.3　低Rds （on）电阻和更好的热性能6
1.4.4　功率IC封装的发展趋势7
1.4.5　晶圆级无源器件的发展趋势8
1.4.6　晶圆级堆叠/3D功率芯片SiP8
1.5　总结10
参考文献10
第2章　扇入型WLCSP12
2.1　扇入型WLCSP简介12
2.2　WLCSP凸点技术13
2.3　WLCSP 凸点工艺和成本考虑14
2.4　WLCSP 的可靠性要求16
2.5　跌落测试中的应力17
2.6　TMCL 中的应力18
2.7　高可靠性WLCSP设计19
2.8　用于精确可靠性评估的测试芯片设计19
2.9　BoP设计规则25
2.10　RDL设计规则28
2.11　总结31
参考文献31
第3章　扇出型WLCSP32
3.1　扇出型WLCSP简介32
3.2　高产扇出模式的形成37
3.3　再分布芯片封装和嵌入式晶圆级球栅阵列38
3.4　扇出型WLCSP的优势38
3.5　扇出型WLCSP的挑战39
3.6　扇出型WLCSP的可靠性45
3.7　扇出型设计规则46
3.8　扇出型WLCSP的未来47
参考文献51
第4章　可堆叠的晶圆级模拟芯片封装52
4.1　引言52
4.2　多芯片模块封装53
4.3　叠片封装和叠层封装55
4.4　三维集成电路（3D IC）58
4.4.1　硅通孔（TSV）59
4.4.2　TSV的形成60
4.4.3　先通孔、后通孔和中通孔62
4.4.4　TSV填充63
4.4.5　3D IC键合64
4.4.6　TSV 3D IC集成65
4.5　晶圆级3D集成66
4.5.1　3D MEMS和传感器WLCSP67
4.6　嵌入式WLCSP70
4.7　总结71
参考文献72
第5章　晶圆级分立式功率MOSFET封装设计74
5.1　分立式功率WLCSP的介绍与发展趋势74
5.2　分立式功率WLCSP设计结构75
5.2.1　典型的分立式功率WLCSP设计结构76
5.2.2　功率MOSFET BGA76
5.2.3　在分立式功率WLCSP中将MOSFET漏极移到前侧78
5.3　晶圆级MOSFET的直接漏极设计78
5.3.1　直接漏极VDMOSFET WLCSP的构建79
5.3.2　直接漏极VDMOSFET WLCSP的其他结构79
5.4　带有铜柱凸点的功率VDMOSFET WLCSP80
5.4.1　在功率WLCSP上进行铜柱凸点构建80
5.4.2　铜柱凸点过程中铝层下的BPSG剖面81
5.5　带嵌入式WLCSP的3D功率模块87
5.5.1　引言87
5.5.2　嵌入式WLCSP模块89
5.5.3　可靠性测试90
5.5.4　讨论95
5.6　总结96
参考文献96
第6章　用于模拟和功率集成解决方案的晶圆级TSV/堆叠芯片封装97
6.1　模拟和功率集成的设计理念97
6.2　模拟和功率SoC WLCSP101
6.2.1　模拟和功率SoC WLCSP设计布局101
6.2.2　焊点应力和可靠性分析102
6.3　带TSV的晶圆级功率堆叠芯片3D封装104
6.3.1　晶圆级功率堆叠芯片封装的设计理念104
6.3.2　热分析105
6.3.3　组装过程中的应力分析107
6.4　用于模拟和功率集成的晶圆级TSV/堆叠芯片概念118
6.5　带有有源和无源芯片的集成功率封装119
6.6　总结120
参考文献120
第7章　WLCSP的热管理、设计和分析121
7.1　热阻及其测量方法121
7.1.1　热阻的概念121
7.1.2　结温敏感参数法122
7.1.3　热阻测量124
7.1.4　热阻测量环境：结-环境热阻124
7.2　WLCSP导热测试板125
7.2.1　低效导热测试板127
7.2.2　高效导热测试板127
7.2.3　WLCSP的典型JEDEC板127
7.3　WLCSP的热分析与管理128
7.3.1　参数化模型的构建128
7.3.2　参数化模型的应用132
7.3.3　热仿真分析133
7.4　WLCSP的瞬态热分析137
7.4.1　4×5 WLCSP的概述和瞬态材料特性137
7.5　总结140
参考文献141
第8章　模拟和功率WLCSP的电气和多物理仿真142
8.1　电气仿真方法：提取电阻、电感和电容142
8.1.1　提取电感和电阻142
8.1.2　电容提取方法148
8.2　扇出型模制芯片级封装的电气仿真154
8.2.1　MCSP简介154
8.2.2　带GGI工艺的40引脚MCSP的RLC仿真155
8.2.3　引线键合MCSP及其与GGI型MCSP的电气性能比较155
8.3　0.18μm晶圆级功率技术的电迁移预测和测试164
8.3.1　简介164
8.3.2　电迁移模型的建立164
8.3.3　电迁移晶圆级实验测试165
8.3.4　有限元仿真167
8.3.5　讨论175
8.4　模拟无铅焊点中微观结构对电迁移的影响175
8.4.1　简介175
8.4.2　迁移的直接积分法176
8.4.3　WLCSP中焊料凸点微观结构的有限元分析建模177
8.4.4　仿真结果与讨论180
8.4.5　讨论185
8.5　总结185
参考文献185
第9章　WLCSP 组装187
9.1　引言187
9.2　PCB 设计188
9.2.1　SMD和NSMD188
9.2.2　焊盘尺寸189
9.2.3　PCB焊盘表面处理189
9.2.4　WLCSP 下的通孔190
9.2.5　局部靶标190
9.2.6　PCB材料191
9.2.7　PCB布线和铜覆盖192
9.3　钢网和焊锡膏192
9.3.1　通用钢网设计指南192
9.3.2　焊锡膏193
9.4　器件放置193
9.4.1　取放流程194
9.4.2　定位精度194
9.4.3　喷嘴和送料器195
9.4.4　高速表面贴装注意事项195
9.4.5　定位精度要求196
9.4.6　放置原则选项196
9.4.7　视觉系统197
9.4.8　算法197
9.4.9　送料和助焊剂198
9.4.10　总结198
9.5　回流焊198
9.5.1　预热区199
9.5.2　保温200
9.5.3　回流200
9.5.4　冷却201
9.5.5　回流炉201
9.5.6　WLCSP回流201
9.5.7　无铅（Sn–Ag–Cu）焊料的回流曲线和关键参数202
9.5.8　双面 SMT203
9.5.9　回流后检验203
9.5.10　助焊剂清洁204
9.5.11　返工204
9.5.12　底部填充205
9.5.13　WLSCP 底层填充工艺要求205
9.6　WLCSP储存和保质期206
9.7　总结207
参考文献207
第10章　WLCSP典型可靠性和测试208
10.1　WLCSP可靠性测试概述208
10.1.1　可靠性寿命208
10.1.2　失效率208
10.1.3　模拟和功率WLCSP的典型可靠性测试210
10.2　WLCSP焊球剪切性能和失效模式213
10.2.1　引言213
10.2.2　测试程序和试样214
10.2.3　冲击测试的实验研究215
10.2.4　基于FEM的仿真与分析216
10.2.5　讨论221
10.3　WLCSP组装回流工艺和PCB设计的可靠性223
10.3.1　引言223
10.3.2　3种PCB设计及其FEA模型224
10.3.3　仿真结果228
10.3.4　讨论和改进计划230
10.4　WLCSP板级跌落测试234
10.4.1　引言234
10.4.2　WLCSP跌落测试和模型设置234
10.4.3　不同设计变量的跌落冲击仿真/测试及讨论237
10.4.4　跌落测试239
10.4.5　讨论241
10.5　WLCSP可靠性设计241
10.5.1　引言241
10.5.2　有限元模型设置242
10.5.3　跌落测试和热循环仿真结果243
10.5.4　跌落测试和热循环测试253
10.5.5　讨论257
10.6　总结257
参考文献258