在对课后习题以及往年的考试内容进行了分析之后，我有了以下的一些结论。
考试的内容会覆盖这几个方面：技术发展历史、概念、封装、封装技术的优缺点、材料、封装失效、热管理、热力学
技术发展史
第一次科技浪潮是微电子学，微电子学带来了晶体管，成为了现今几乎所有电子器件的基础元件；
第二次科技浪潮是射频和无线技术，射频和无线技术将人们从电缆中解放出来，使得设备变得容易携带，并且催生了非通信方面的无线技术的发展；
第三次科技浪潮是光子学的发展，确认了光纤通信的可能性，构成了今天因特网的基础；
第四次科技浪潮是 MEMS的发展，MEMS 使得制造微小的机械器件变得可能，能够在一个芯片上集成机械、电子、传感器。
第五次科技浪潮是微系统封装，微系统封装使得电子元器件能够被高密度集成，在提高性能的同时为整个系统提供保护、电气连接和信号传输通道。
概念
微系统
微系统是基于微电子学、光电子学、射频、微电子机械系统和封装技术的具有特定功能的微型集成系统。
指向原始笔记的链接微电子学
微电子学是研究和制造在固体（主要是半导体）上的亚微米尺寸的电子器件和电路的学科。
指向原始笔记的链接微机电系统
MEMS是一种通过微细加工技术将机械元件、传感器、执行器和电子元件集成在一个微小的硅基板上的技术和领域。
指向原始笔记的链接中介层
中介层是一种位于硅芯片之间的层次，它可以作为桥梁或导管，允许电信号从一个芯片传输到另一个芯片或元件。中介层通常在多芯片集成电路或电路板中广泛使用，用于实现信号的传递和连接。它提供了一种有效的方式来组织和管理复杂的电路布局，并确保信号的可靠传输。
指向原始笔记的链接硅穿孔
硅穿孔是一种在硅基底上制造孔洞或通孔的加工技术。它涉及使用激光或化学腐蚀等方法，在硅片表面或内部创建微小的孔洞或通道。硅穿孔可以用于各种应用，如微电子封装、传感器制造、微流体控制和光学器件等领域。
指向原始笔记的链接层间阻绝物
ILD是一种用于集成电路制造中的介电层。在集成电路中，各个金属层之间需要使用绝缘层来隔离它们，并防止金属之间的电短路或干扰。
指向原始笔记的链接
[! note] 一般用低 k 材料来作为 ILD。这样能大大减少层间互联寄生电容（parasitic capacitance）的产生。但是由于低 k 材料的 CTE 于其他的材料不同，并且它与其他材料的粘附力不高（poor adhesion），它也导致了芯片更容易受影响。
系统级封装
系统级封装的特点是将多个具有不同功能的有源电子元件加上可选的无源元件和其他设备（如 MEMS 或光学元件）的任意组合组装成一个单一的标准封装，提供与一个相关的多种功能系统或子系统
指向原始笔记的链接芯片级封装
芯片级封装是一种封装技术，它将集成电路（芯片）封装成非常小型、紧凑的封装形式，尺寸与芯片的尺寸相当接近。CSP 封装的特点是体积小、引脚密集、封装效率高。
指向原始笔记的链接晶圆级封装
晶圆级封装 (WLP) 是一种在切割前在晶圆级上执行所有 IC 封装和互连的技术。封装的所有元素都必须在晶圆边界内。安装结构化晶圆上（例如通过面对面技术）并在切割前以晶圆级封装的芯片也被视为晶圆级封装。
指向原始笔记的链接集成无源器件
集成无源器件是指将无源元件（passive devices）如电阻器、电容器和电感器等集成在单个基板上，形成一个整体的无源元件阵列或网络。
指向原始笔记的链接嵌入式无源器件
嵌入式无源器件是指将无源元件（如电阻器、电容器、电感器等）直接嵌入到集成电路（IC）的内部的一种技术。这些无源器件通常以微小的尺寸和高度集成于IC的晶体管层、互连层或封装层中，与其他电子元件一起构成完整的电路功能。
指向原始笔记的链接
封装
封装包括的技术
- 微电子、光子学、MEMS 和射频器件
- 系统工程
- 系统封装
封装的重要性
- 每个 IC 和设备都必须封装
- 控制计算机的性能
- 控制消费电子产品的尺寸
- 控制电子设备的可靠性
- 控制电子产品成本
微系统封装科学与工程学科
- 物理：物理学家处理信号速度的基本原理，无论是通过电子还是光子，以及它们的组合称为光电子学。
- 化学：化学家处理诸如聚合物和其他材料的合成、结构和性能等基本问题。
- 电气工程：电气工程师处理信号和配电问题。
- 计算机工程：计算机工程师处理设计工具以及系统技术。
- 机械工业：机械工程师处理热机械设计、机械完整性、传热和热管理、MEMS 和制造。
芯片-封装连接
引线键合
通过细线从芯片连接到焊盘框架。
- 优点 - 高度灵活（Highly flexible）的芯片到封装的互连过程 - 低缺陷率或高良率的互连处理（40-1000 ppm） - 易于编程或教授键合周期 - 高可靠性的互连结构 - 非常庞大的支持该技术的行业基础设施 - 设备、工具和材料技术的快速进步
- 缺点
- 由于需要逐点处理每个线键，互连速率较慢
- 长的芯片到封装互连长度，导致电性能下降
- 需要更大的封装空间来实现芯片到封装的互连
- 在封装过程中可能会出现线束扫掠的问题
TAB
TAB 是一种使用自动热压键合（automated thermocompression bonding）将芯片连接到聚合物胶带（polymer tape）上的图案化金属（patterned metal）的工艺。典型的系统是聚酰亚胺带（polyimide tape）上的铜线。
TAB（Tape Automated Bonding）的优点包括：
- 能够处理芯片上小型键合垫和更细密的间距
- 消除了大型线圈
- 薄型封装中的低配置互连结构
- 改善导热传递以实现热管理
- 改善电气性能
- 能够处理高 I/O 数量
- 可以在设备固化之前在胶带上进行老化测试
- 减轻重量
TAB 的一些缺点包括：
- 基本上是一种外围互连技术，芯片键合垫下没有主动电路
- 随着 I/O 数量的增加，封装尺寸趋向增大
- 由于柔性电路、键合头等硬工具需求，制程灵活性有限
- 相对较少的生产基础设施
- 需要额外的晶圆加工步骤进行凸点翻转
- 对于较大芯片而言，集中键合不再有用，被单点热超声键合取代
- 需要大量资本设备投资
- 组装维修困难
- 需要额外的工程要求
- 需要特殊材料和设备要求
- 波束引线与芯片和基片的共面性，长并行互连，电气性能较差
- 系统可测试性
Flip-chip bonding
倒装芯片（Flip Chip）是一种常见的芯片封装技术，其中芯片被倒置放置，并通过微小的焊点或焊料凸点连接到封装基板上。
关键要素是：晶圆凸块（wafer bumping）（UBM 和凸块冶金）、底部填充（underfill）、TIM 和积层基板（buildup substrate）。
材料
按用处分类
- Semiconductor （半导体）：主要是 Si 和 GaAs 等，用于制造芯片。
- Underfill/mold compounds（封装胶注塑材料）: 主要是 polymers，例如包括环氧树脂（overmold）、填充环氧树脂（overmold）、填充二酸酐树脂（underfill）
- Solder（焊料）: 用于互连的焊料包括锡铅合金（Sn-Pb）、锡银合金（Sn-Ag）和金线键合中使用的黄金。用于引线框架的材料有 Kovar、CuBe、Alloy 42 等铜引线框架，以及基板中的铜线路；共烧陶瓷中的钨和钼线路。引线框架上有一层锡铅焊料，以使 PCB 组装过程更加便利。还可以使用锡铋镀层或锡铜浸镀等无铅表面处理。
- Thermal interface materials（热界面材料）: 热界面材料旨在帮助将电子器件产生的热量传导到环境中，以确保电子硬件、通信设备和便携式电子产品的可靠运行。热界面材料提供热源和散热器之间的热传导路径。常用的材料有硅（Si）橡胶、硅泡沫、硅海绵、固体硅片等。
- Substrates（基板）: 通常使用含银的聚合物作为基板材料，但该术语通常也包括其他胶粘剂的使用，例如聚酰亚胺或硅基材料。主要使用的材料是陶瓷（Ceramics），包括经过改性的氧化铝（Al2O3）基板（添加了 BaO、SiO2、CuO 等）
按材料种类分
- Semiconductors: Referring primarily to semiconducting materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) used in chip manufacturing.
- Metals: Including solders for interconnects (such as Sn-Pb, Sn-Ag, and gold wire bonds), copper lead frames (such as Kovar, CuBe, Alloy 42), copper traces in substrates, tungsten and molybdenum traces in co-fired ceramics, silver, gold, and palladium for thin/thick films on ceramics, and nickel diffusion barrier metallizations.
- Ceramics: This category includes modified alumina (Al 2 O 3) substrates with additives like BaO, SiO 2, CuO, SiN dielectrics, and diamond heat sinks.
- Polymers: This group comprises epoxy resins (overmold), filled epoxies (overmold), silica-filled anhydride resin (underfills), conductive adhesives (die bonding, interconnects), laminated epoxy/glass substrates, polyimide dielectric, benzoylcyclobutene, silicones, and photosensitive polymers for photomasks.
- Glasses: Including SiO fibers for optoelectronics, silicate glasses for sealing, borosilicate glass substrates, and glass fibers (F 4-4) for epoxy/glass substrates.
Si 处理对封装的影响
技术
硅处理技术催生了 CMOS 电子工业、MEMS 和 MOEMS，辐射和粒子探测器，并为硅光子学提供了解决方案。
封装失效
Overstress（过应力）
-
机械机制
- 脆性断裂
- 塑性变形
- 界面剥离
-
电气机制
- EMI (电磁干扰)
- ESD (静电放电)
- 辐射
- 门氧化物击穿
- 互连融化
-
应变相对位移
指向原始笔记的链接为相对位移； 为边缘到中心点的距离； 为温差； 为集成电路和基板的热膨胀系数之差。 -
剪切应变计算式
指向原始笔记的链接为相对位移； 为基板和集成电路之间分离的高度
Wearout（磨损）
- 机械
- 疲劳损伤
- 蠕变
- 磨损
- 应力驱动空穴
- 界面剥离
- 电气
- 电迁移
- 结界穿孔
- 凸起形成
- 化学
- 腐蚀
- 扩散
- 枝晶生长
热管理
是什么
热管理是控制和调节微电子元件内部热量的过程，通过散热机制降低温度，提高性能和可靠性。
为什么重要
热管理旨在预防灾难性故障（catastrophic failure），确保电子功能和封装完整性（package integrity），保证元器件的寿命。
热传递
穿过实体界面的热流
固体传导到流体
牛顿冷却定律公式
指向原始笔记的链接
为热流（ ）； 为导热系数； 为流体浸润面积； 为单位距离下降的温度， 是附近流体的体积温度。
导热系数计算公式
指向原始笔记的链接
为热流（ ）； 为材料的长度或者厚度；A 为材料的面积； 为温度梯度差（ ）
固体辐射到流体
热辐射计算式
指向原始笔记的链接
代表发射率； 代表斯特藩-玻尔兹曼常数，其值为 ； 则表示辐射视角因子，在两个表面紧贴的时候为单位“1”。
散热片
矩形散热片总传热
指向原始笔记的链接
是散热片的底面积， 是散热片效率
散热片效率
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晶圆级封装
与 CSP 和倒装芯片的区别
- CSP 是芯片级别的，通常比 IC 大 20%左右，在 IC 级别作为单芯片进行封装，同构 SMT 进行组装、封装和测试
- 倒装芯片是在晶圆级别进行的，面朝下与焊料键合
- 晶圆级封装在晶圆上形成了电连接的额外步骤，与倒装芯片一样以面朝下的方式组装，但使用 SMT 设备进行封装、测试和分离，形成封装的 IC 芯片。
优点
- 提供最小的系统尺寸，因为它真正实现了芯片级封装。
- 通过薄膜处理实现从集成电路（IC）到印制电路板（PWB）的连续互连。
- 降低封装成本，因为所有连接都在晶圆级别完成。
- 降低测试成本，因为测试一次即可覆盖所有集成电路。
- 降低烧入成本，因为烧入在晶圆级别进行一次即可。
- 由于引线具有柔性或其他实现可靠性的方式，无需填充物。
- 由于引线长度短，改善了电性能。
- 推动晶圆级封装的两个最重要因素是便携产品的尺寸优势和所有产品的成本优势。