本書是關於電子封裝中系統級封裝(SystemonPackage,SOP)的一本專業性著作。本書由電子封裝領域權威專家——美國工程院資深院士Rao RTummala教授和Madhavan Swaminathan教授編著，由多位長期從事微納製造、電子封裝理論和技術研究的知名學者以及專家編寫而成。本書從系統級封裝基本思想和概念講起，陸續通過13個章節分別介紹了片上系統封裝技術，晶片堆疊技術，射頻、光電子、混合信號的集成系統封裝技術，多層布線和薄膜元件系統封裝技術，MEMS封裝及晶圓級系統級封裝技術等，還介紹了系統級封裝後續的熱管理問題、相關測試方法的研究狀況，並在最後介紹了系統級封裝技術在生物感測器方面的套用情況。 本書無論是對高校高年級本科生，從事電子封裝技術研究的研究生，還是從事相關研究工作的專業技術及研究人員都有較大幫助。
基本介紹
- 書名：系統級封裝導論:整體系統微型化
- 作者：拉奧R.圖馬拉 (Rao R.Tummala) 馬達范·斯瓦米納坦 (Madhavan Swaminathan)
- 出版日期：2014年7月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：712219406X
- 外文名：Introduction to System-On-Package (SOP) Miniaturization of the Entire System
- 出版社：化學工業出版社
- 頁數：557頁
- 開本：16
- 品牌：化學工業出版社
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,序言,
基本介紹
內容簡介
《系統級封裝導論:整體系統微型化》編輯推薦：系統級封裝（SOP）是一項超越片上系統（SOC）和系統封裝（SIP）的新興技術，它是新興的將電子和生物電子系統數位化融合的基礎。和SOC不同的是，SOC只能集成並將系統縮小10%，而SOP使得整個系統微型化，具有設計和製造低成本的特點。。SOP是通過封裝集成嵌入式部件來實現的，短期來看是在微米尺度下，而從長期來看可在納米尺度下實現。
系統級封裝（SOP）的概念是由本書作者Rao Tummala教授提出的，本書是第一部關於SOP的著作，系統闡述了這項革新性的封裝技術。
《系統級封裝（SOP）導論》由這項新技術的研發團隊——喬治亞理工學院的國際知名學者編著而成，作者權威。Rao R. Tummala是美國工程院院士，喬治亞理工學院封裝研究中心的教授和創立者，電氣電子工程師協會的會士、美國陶瓷學會會士、IEEE元件封裝和製造技術協會主席。
《系統級封裝（SOP）導論》系統闡述了SOP設計的基本原理、所有系統級封裝技術及其套用。本書向設計者們展示了這項革命性的新型封裝技術——低的設計和製造成本，比傳統封裝、集成能更快地市場化——解決了一系列數位化融合的挑戰。
《系統級封裝（SOP）導論》定義了什麼是SOP，以及它與其它主要封裝技術SOC和SIP的區別。作者描述了如何去設計、製造、測試SOP基混合信號系統並集成裝配數字、射頻、光電和生物感測器功能。這份具有里程碑意義的參考書具有如下內容和特點：
收斂系統設計的最新方法；
先進多功能材料及其化工過程集成；
計算、通信、消費和生物醫學領域套用的專業性指導；
透徹地解釋SOP電學測試、晶圓級封裝和封裝熱管理；
射頻、光學和數位化功能集成的新信息；
200多幅圖片。
系統級封裝（SOP）的概念是由本書作者Rao Tummala教授提出的，本書是第一部關於SOP的著作，系統闡述了這項革新性的封裝技術。
《系統級封裝（SOP）導論》由這項新技術的研發團隊——喬治亞理工學院的國際知名學者編著而成，作者權威。Rao R. Tummala是美國工程院院士，喬治亞理工學院封裝研究中心的教授和創立者，電氣電子工程師協會的會士、美國陶瓷學會會士、IEEE元件封裝和製造技術協會主席。
《系統級封裝（SOP）導論》系統闡述了SOP設計的基本原理、所有系統級封裝技術及其套用。本書向設計者們展示了這項革命性的新型封裝技術——低的設計和製造成本，比傳統封裝、集成能更快地市場化——解決了一系列數位化融合的挑戰。
《系統級封裝（SOP）導論》定義了什麼是SOP，以及它與其它主要封裝技術SOC和SIP的區別。作者描述了如何去設計、製造、測試SOP基混合信號系統並集成裝配數字、射頻、光電和生物感測器功能。這份具有里程碑意義的參考書具有如下內容和特點：
收斂系統設計的最新方法；
先進多功能材料及其化工過程集成；
計算、通信、消費和生物醫學領域套用的專業性指導；
透徹地解釋SOP電學測試、晶圓級封裝和封裝熱管理；
射頻、光學和數位化功能集成的新信息；
200多幅圖片。
作者簡介
作者：（美國）拉奧·R.圖馬拉（Rao R.Tummala） 馬達范·斯瓦米納坦（Madhavan Swaminathan） 譯者：中國電子學會電子製造與封裝技術分會 《電子封裝技術叢書》編輯委員會
拉奧·R.圖馬拉（Rao R.Tummala），喬治亞理工學院微系統封裝研究中心的創辦者，特聘教授、講座教授。他是前IBM院士，是美國電氣和電子工程師協會（IEEE)下的組件封裝與製造技術學會(CPMT)和國際微電子與封裝協會（IMAPS)前主席，IEEE會士，美國工程院和印度工程院院士。Tummala博士獲得過多項工業界、學術界和專業機構的將項，其中包括作為全美50大傑出者之一獲得工業周刊的獎項。他著有5本專業書籍，發表專業論文425篇，72項專利和發明。
馬達范·斯瓦米納坦（Madhavan Swaminathan），喬治亞理工學院電氣和計算機工程學院電子學約瑟.佩蒂特教授，微系統封裝研究中心副主任。他是Jacket Micro Devices公司創始人之一，集成射頻模組和基板的無線套用研究領域領頭人，SoPWorXW公司（致力於系統級封裝套用的電子自動化軟體設計）領導者。加入喬治亞理工學院之前，他曾在IBM研究超級計算機的封裝。目前已經發表了300多篇著作，擁有15項專利並榮膺成為IEEE會士。
拉奧·R.圖馬拉（Rao R.Tummala），喬治亞理工學院微系統封裝研究中心的創辦者，特聘教授、講座教授。他是前IBM院士，是美國電氣和電子工程師協會（IEEE)下的組件封裝與製造技術學會(CPMT)和國際微電子與封裝協會（IMAPS)前主席，IEEE會士，美國工程院和印度工程院院士。Tummala博士獲得過多項工業界、學術界和專業機構的將項，其中包括作為全美50大傑出者之一獲得工業周刊的獎項。他著有5本專業書籍，發表專業論文425篇，72項專利和發明。
馬達范·斯瓦米納坦（Madhavan Swaminathan），喬治亞理工學院電氣和計算機工程學院電子學約瑟.佩蒂特教授，微系統封裝研究中心副主任。他是Jacket Micro Devices公司創始人之一，集成射頻模組和基板的無線套用研究領域領頭人，SoPWorXW公司（致力於系統級封裝套用的電子自動化軟體設計）領導者。加入喬治亞理工學院之前，他曾在IBM研究超級計算機的封裝。目前已經發表了300多篇著作，擁有15項專利並榮膺成為IEEE會士。
圖書目錄
第1章系統級封裝技術介紹1
1.1引言2
1.2電子系統數據集成趨勢3
1.3電子系統組成部分4
1.4系統技術演變5
1.55個主要的系統技術7
1.5.1分立式器件的SOB技術8
1.5.2在單晶片上實現兩個或多系統功能的SOC技術9
1.5.3多晶片模組（MCM）：兩個或多個晶片水平互連封裝集成9
1.5.4堆疊式IC和封裝（SIP）：兩個或多個晶片堆疊封裝集成（3D Moore定律）10
1.6系統級封裝技術（最好的IC和系統集成模組）13
1.6.1概述13
1.6.2微型化趨勢16
1.75個系統技術的比較17
1.8SOP全球發展狀況19
1.8.1光學SOP19
1.8.2射頻SOP21
1.8.3嵌入式無源SOP21
1.8.4MEMS SOP21
1.9SOP技術實施22
1.10SOP技術24
1.11總結25
參考文獻26
第2章片上系統（SOC）簡介29
2.1引言30
2.2關鍵客戶需求31
2.3SOC架構33
2.4SOC設計挑戰37
2.4.1SOC設計階段1——SOC定義與挑戰38
2.4.2SOC設計階段2——SOC創建過程與挑戰42
2.5總結57
參考文獻57
第3章堆疊式IC和封裝（SIP）59
3.1SIP定義60
3.1.1定義60
3.1.2套用60
3.1.3SIP的主要發展圖和分類61
3.2SIP面臨的挑戰63
3.2.1材料和工藝流程問題64
3.2.2機械問題64
3.2.3電學問題65
3.2.4熱學問題66
3.3非TSV SIP技術69
3.3.1非TSV SIP的歷史變革69
3.3.2晶片堆疊71
3.3.3封裝堆疊83
3.3.4晶片堆疊與封裝堆疊87
3.4TSV SIP技術88
3.4.1引言88
3.4.2三維TSV技術的歷史演變91
3.4.3基本的TSV技術92
3.4.4採用TSV的各種三維集成技術98
3.4.5矽載片技術104
3.5未來趨勢105
參考文獻106
第4章混合信號（SOP）設計111
4.1引言112
4.1.1混合信號器件與系統113
4.1.2移動套用集成的重要性114
4.1.3混合信號系統架構116
4.1.4混合信號設計的挑戰116
4.1.5製造技術119
4.2用於RF前端的嵌入式無源器件設計119
4.2.1嵌入式電感120
4.2.2嵌入式電容123
4.2.3嵌入式濾波器124
4.2.4嵌入式平衡 非平衡轉換器127
4.2.5濾波器 Balun網路129
4.2.6可調諧濾波器131
4.3晶片 封裝協同設計133
4.3.1低噪聲放大器設計134
4.3.2並發振盪器設計136
4.4無線區域網路的RF前端模組設計140
4.5設計工具142
4.5.1嵌入式RF電路尺寸設計143
4.5.2信號模型和電源傳送網路146
4.5.3有理函式、網路合成與瞬態仿真150
4.5.4生產設計154
4.6耦合158
4.6.1模擬 模擬耦合158
4.6.2數字 模擬耦合163
4.7去耦合166
4.7.1數字套用中去耦的需要168
4.7.2貼片電容的問題169
4.7.3嵌入式去耦169
4.7.4嵌入式電容的特徵173
4.8電磁帶隙（EBG）結構175
4.8.1EBG結構分析與設計176
4.8.2EBG在抑制電源噪聲方面的套用179
4.8.3EBG的輻射分析181
4.9總結183
參考文獻184
第5章射頻系統級封裝（RF SOP）191
5.1引言192
5.2RF SOP概念192
5.3RF封裝技術的歷史演變195
5.4RF SOP技術196
5.4.1建模與最佳化196
5.4.2RF基板材料技術198
5.4.3天線198
5.4.4電感器205
5.4.5RF電容器208
5.4.6電阻213
5.4.7濾波器218
5.4.8平衡 不平衡變換器220
5.4.9組合器220
5.4.10RF MEMS開關221
5.4.11電子標籤（RFID）技術227
5.5RF模組集成229
5.5.1無線區域網路（WLAN）229
5.5.2智慧型網路傳輸器（INC）230
5.6未來發展趨勢232
參考文獻234
第6章集成晶片到晶片的光電子系統級封裝240
6.1引言241
6.2光電子系統級封裝（SOP）的套用242
6.2.1高速數字系統與高性能計算242
6.2.2RF 光學通信系統243
6.3薄層光電子SOP的挑戰244
6.3.1光學對準244
6.3.2薄膜光學波導材料的關鍵物理和光學特性245
6.4光電子系統級封裝的優點248
6.4.1高速電氣與光學線路的性能對比248
6.4.2布線密度249
6.4.3功率損耗251
6.4.4可靠性251
6.5光電子系統級封裝（SOP）技術的發展252
6.5.1板 板光學布線253
6.5.2晶片 晶片光互連254
6.6光電子SOP薄膜元件256
6.6.1無源薄膜光波電路256
6.6.2有源光電子SOP薄膜器件265
6.6.3三維光波電路的良機265
6.7SOP集成：界面光學耦合267
6.8晶片上的光學電路271
6.9光電子SOP的未來趨勢273
6.10總結273
參考文獻274
第7章內嵌多層布線和薄膜元件的SOP基板283
7.1引言284
7.2基板集成技術的歷史演變286
7.3SOP基板287
7.3.1動力與挑戰287
7.3.2嵌入低介電常數的電介質、芯體與導體的超薄膜布線289
7.3.3嵌入式無源器件309
7.3.4嵌入式有源器件321
7.3.5散熱材料和結構的微型化324
7.4SOP基板集成的未來325
參考文獻326
第8章混合信號SOP可靠性330
8.1系統級可靠性注意事項331
8.1.1失效機制332
8.1.2為可靠性而設計333
8.1.3可靠性驗證335
8.2多功能SOP基板的可靠性335
8.2.1材料和工藝可靠性336
8.2.2數字功能可靠性與驗證341
8.2.3射頻功能可靠性及驗證344
8.2.4光學功能可靠性及驗證346
8.2.5多功能系統穩定性348
8.3基板與IC的互連可靠性349
8.3.1影響基板與積體電路互連可靠性的因素350
8.3.2100μm倒裝晶片組裝可靠性351
8.3.3防止晶片開裂的可靠性研究356
8.3.4焊點可靠性356
8.3.5界面黏結和濕氣對底部填料可靠性的影響357
8.4未來的趨勢和發展方向360
8.4.1發展焊料360
8.4.2柔性互連361
8.4.3焊料和納米互連之外的選擇361
8.5總結362
參考文獻363
第9章MEMS封裝369
9.1引言370
9.2MEMS封裝中的挑戰370
9.3晶片級與晶圓級封裝的對比371
9.4晶圓鍵合技術372
9.4.1直接鍵合373
9.4.2利用中間層鍵合373
9.5基於犧牲薄膜的密封技術376
9.5.1刻蝕犧牲層材料376
9.5.2犧牲層聚合物的分解379
9.6低損耗聚合物封裝技術382
9.7吸氣劑技術383
9.7.1非揮發性吸氣劑384
9.7.2薄膜吸氣劑385
9.7.3使用吸氣劑提高MEMS可靠性385
9.8互連387
9.9組裝389
9.10總結和展望390
參考文獻391
第10章晶圓級SOP396
10.1引言397
10.1.1定義397
10.1.2晶圓級封裝――歷史進程398
10.2布線形成與再分布401
10.2.1IC封裝間距間隙401
10.2.2矽上再分布層關閉間距間隙403
10.3晶圓級薄膜嵌入式元件403
10.3.1再分布層中的嵌入式薄膜元件404
10.3.2矽載體基板上的嵌入式薄膜元件404
10.4晶圓級封裝和互連（WLPI）406
10.4.1WLPI的分類409
10.4.2WLSOP裝配432
10.5三維WLSOP435
10.6晶圓級檢測及老化436
10.7總結439
參考文獻439
第11章系統級封裝（SOP）散熱446
11.1SOP散熱基礎447
11.1.1SOP熱影響448
11.1.2基於SOP攜帶型產品的系統級熱約束449
11.2SOP模組內熱源450
11.2.1數字SOP450
11.2.2RF SOP452
11.2.3光電子SOP453
11.2.4MEMS SOP454
11.3傳熱模式基礎454
11.3.1傳導455
11.3.2對流458
11.3.3輻射換熱461
11.4熱分析原理463
11.4.1熱分析數值方法463
11.4.2熱分析的實驗方法469
11.5熱管理技術470
11.5.1概述470
11.5.2熱設計技術470
11.6功率最小化方法477
11.6.1並行處理478
11.6.2動態電壓和頻率調節（DVFS）478
11.6.3專用處理器（ASP）478
11.6.4快取功率最佳化478
11.6.5功率管理479
11.7總結479
參考文獻479
第12章系統級封裝（SOP）模組及系統的電測試485
12.1SOP電測試面臨的挑戰486
12.1.1HVM測試過程的目標以及SOP面臨的挑戰488
12.1.2SOP HVM的測試流程489
12.2KGES測試489
12.2.1基板互連測試489
12.2.2嵌入式無源元件的測試494
12.3數字子系統的優質嵌入式模組測試498
12.3.1邊界掃描――IEEE 1149.1498
12.3.2千兆赫數字測試：最新進展502
12.4混合信號和RF子系統的KGEM測試505
12.4.1測試策略506
12.4.2故障模型和檢測質量508
12.4.3使用專用電路對規範參數的直接測量509
12.4.4混合信號和RF電路的替代測試方法510
12.5總結523
參考文獻523
第13章生物感測器SOP530
13.1引言531
13.1.1SOP：高度小型化的電子系統技術531
13.1.2用於小型化生物醫療植入物和感測系統的生物感測器SOP531
13.1.3生物感測器SOP組成535
13.2生物感測535
13.2.1生物流體傳送微通道535
13.2.2生物感應單元（探針）設計和製備536
13.2.3探針 目標分子雜交538
13.3信號轉換540
13.3.1信號轉換元件中的納米材料和納米結構541
13.3.2信號轉換元件的表面改性和生物功能化543
13.3.3信號轉換方法544
13.4信號探測和電子處理548
13.4.1低功率ASIC和生物SOP的合成信號設計548
13.4.2生物SOP基板集成技術551
13.5總結和未來趨勢551
13.5.1概述551
13.5.2納米生物SOP集成的挑戰552
參考文獻553
縮略語555
1.1引言2
1.2電子系統數據集成趨勢3
1.3電子系統組成部分4
1.4系統技術演變5
1.55個主要的系統技術7
1.5.1分立式器件的SOB技術8
1.5.2在單晶片上實現兩個或多系統功能的SOC技術9
1.5.3多晶片模組（MCM）：兩個或多個晶片水平互連封裝集成9
1.5.4堆疊式IC和封裝（SIP）：兩個或多個晶片堆疊封裝集成（3D Moore定律）10
1.6系統級封裝技術（最好的IC和系統集成模組）13
1.6.1概述13
1.6.2微型化趨勢16
1.75個系統技術的比較17
1.8SOP全球發展狀況19
1.8.1光學SOP19
1.8.2射頻SOP21
1.8.3嵌入式無源SOP21
1.8.4MEMS SOP21
1.9SOP技術實施22
1.10SOP技術24
1.11總結25
參考文獻26
第2章片上系統（SOC）簡介29
2.1引言30
2.2關鍵客戶需求31
2.3SOC架構33
2.4SOC設計挑戰37
2.4.1SOC設計階段1——SOC定義與挑戰38
2.4.2SOC設計階段2——SOC創建過程與挑戰42
2.5總結57
參考文獻57
第3章堆疊式IC和封裝（SIP）59
3.1SIP定義60
3.1.1定義60
3.1.2套用60
3.1.3SIP的主要發展圖和分類61
3.2SIP面臨的挑戰63
3.2.1材料和工藝流程問題64
3.2.2機械問題64
3.2.3電學問題65
3.2.4熱學問題66
3.3非TSV SIP技術69
3.3.1非TSV SIP的歷史變革69
3.3.2晶片堆疊71
3.3.3封裝堆疊83
3.3.4晶片堆疊與封裝堆疊87
3.4TSV SIP技術88
3.4.1引言88
3.4.2三維TSV技術的歷史演變91
3.4.3基本的TSV技術92
3.4.4採用TSV的各種三維集成技術98
3.4.5矽載片技術104
3.5未來趨勢105
參考文獻106
第4章混合信號（SOP）設計111
4.1引言112
4.1.1混合信號器件與系統113
4.1.2移動套用集成的重要性114
4.1.3混合信號系統架構116
4.1.4混合信號設計的挑戰116
4.1.5製造技術119
4.2用於RF前端的嵌入式無源器件設計119
4.2.1嵌入式電感120
4.2.2嵌入式電容123
4.2.3嵌入式濾波器124
4.2.4嵌入式平衡 非平衡轉換器127
4.2.5濾波器 Balun網路129
4.2.6可調諧濾波器131
4.3晶片 封裝協同設計133
4.3.1低噪聲放大器設計134
4.3.2並發振盪器設計136
4.4無線區域網路的RF前端模組設計140
4.5設計工具142
4.5.1嵌入式RF電路尺寸設計143
4.5.2信號模型和電源傳送網路146
4.5.3有理函式、網路合成與瞬態仿真150
4.5.4生產設計154
4.6耦合158
4.6.1模擬 模擬耦合158
4.6.2數字 模擬耦合163
4.7去耦合166
4.7.1數字套用中去耦的需要168
4.7.2貼片電容的問題169
4.7.3嵌入式去耦169
4.7.4嵌入式電容的特徵173
4.8電磁帶隙（EBG）結構175
4.8.1EBG結構分析與設計176
4.8.2EBG在抑制電源噪聲方面的套用179
4.8.3EBG的輻射分析181
4.9總結183
參考文獻184
第5章射頻系統級封裝（RF SOP）191
5.1引言192
5.2RF SOP概念192
5.3RF封裝技術的歷史演變195
5.4RF SOP技術196
5.4.1建模與最佳化196
5.4.2RF基板材料技術198
5.4.3天線198
5.4.4電感器205
5.4.5RF電容器208
5.4.6電阻213
5.4.7濾波器218
5.4.8平衡 不平衡變換器220
5.4.9組合器220
5.4.10RF MEMS開關221
5.4.11電子標籤（RFID）技術227
5.5RF模組集成229
5.5.1無線區域網路（WLAN）229
5.5.2智慧型網路傳輸器（INC）230
5.6未來發展趨勢232
參考文獻234
第6章集成晶片到晶片的光電子系統級封裝240
6.1引言241
6.2光電子系統級封裝（SOP）的套用242
6.2.1高速數字系統與高性能計算242
6.2.2RF 光學通信系統243
6.3薄層光電子SOP的挑戰244
6.3.1光學對準244
6.3.2薄膜光學波導材料的關鍵物理和光學特性245
6.4光電子系統級封裝的優點248
6.4.1高速電氣與光學線路的性能對比248
6.4.2布線密度249
6.4.3功率損耗251
6.4.4可靠性251
6.5光電子系統級封裝（SOP）技術的發展252
6.5.1板 板光學布線253
6.5.2晶片 晶片光互連254
6.6光電子SOP薄膜元件256
6.6.1無源薄膜光波電路256
6.6.2有源光電子SOP薄膜器件265
6.6.3三維光波電路的良機265
6.7SOP集成：界面光學耦合267
6.8晶片上的光學電路271
6.9光電子SOP的未來趨勢273
6.10總結273
參考文獻274
第7章內嵌多層布線和薄膜元件的SOP基板283
7.1引言284
7.2基板集成技術的歷史演變286
7.3SOP基板287
7.3.1動力與挑戰287
7.3.2嵌入低介電常數的電介質、芯體與導體的超薄膜布線289
7.3.3嵌入式無源器件309
7.3.4嵌入式有源器件321
7.3.5散熱材料和結構的微型化324
7.4SOP基板集成的未來325
參考文獻326
第8章混合信號SOP可靠性330
8.1系統級可靠性注意事項331
8.1.1失效機制332
8.1.2為可靠性而設計333
8.1.3可靠性驗證335
8.2多功能SOP基板的可靠性335
8.2.1材料和工藝可靠性336
8.2.2數字功能可靠性與驗證341
8.2.3射頻功能可靠性及驗證344
8.2.4光學功能可靠性及驗證346
8.2.5多功能系統穩定性348
8.3基板與IC的互連可靠性349
8.3.1影響基板與積體電路互連可靠性的因素350
8.3.2100μm倒裝晶片組裝可靠性351
8.3.3防止晶片開裂的可靠性研究356
8.3.4焊點可靠性356
8.3.5界面黏結和濕氣對底部填料可靠性的影響357
8.4未來的趨勢和發展方向360
8.4.1發展焊料360
8.4.2柔性互連361
8.4.3焊料和納米互連之外的選擇361
8.5總結362
參考文獻363
第9章MEMS封裝369
9.1引言370
9.2MEMS封裝中的挑戰370
9.3晶片級與晶圓級封裝的對比371
9.4晶圓鍵合技術372
9.4.1直接鍵合373
9.4.2利用中間層鍵合373
9.5基於犧牲薄膜的密封技術376
9.5.1刻蝕犧牲層材料376
9.5.2犧牲層聚合物的分解379
9.6低損耗聚合物封裝技術382
9.7吸氣劑技術383
9.7.1非揮發性吸氣劑384
9.7.2薄膜吸氣劑385
9.7.3使用吸氣劑提高MEMS可靠性385
9.8互連387
9.9組裝389
9.10總結和展望390
參考文獻391
第10章晶圓級SOP396
10.1引言397
10.1.1定義397
10.1.2晶圓級封裝――歷史進程398
10.2布線形成與再分布401
10.2.1IC封裝間距間隙401
10.2.2矽上再分布層關閉間距間隙403
10.3晶圓級薄膜嵌入式元件403
10.3.1再分布層中的嵌入式薄膜元件404
10.3.2矽載體基板上的嵌入式薄膜元件404
10.4晶圓級封裝和互連（WLPI）406
10.4.1WLPI的分類409
10.4.2WLSOP裝配432
10.5三維WLSOP435
10.6晶圓級檢測及老化436
10.7總結439
參考文獻439
第11章系統級封裝（SOP）散熱446
11.1SOP散熱基礎447
11.1.1SOP熱影響448
11.1.2基於SOP攜帶型產品的系統級熱約束449
11.2SOP模組內熱源450
11.2.1數字SOP450
11.2.2RF SOP452
11.2.3光電子SOP453
11.2.4MEMS SOP454
11.3傳熱模式基礎454
11.3.1傳導455
11.3.2對流458
11.3.3輻射換熱461
11.4熱分析原理463
11.4.1熱分析數值方法463
11.4.2熱分析的實驗方法469
11.5熱管理技術470
11.5.1概述470
11.5.2熱設計技術470
11.6功率最小化方法477
11.6.1並行處理478
11.6.2動態電壓和頻率調節（DVFS）478
11.6.3專用處理器（ASP）478
11.6.4快取功率最佳化478
11.6.5功率管理479
11.7總結479
參考文獻479
第12章系統級封裝（SOP）模組及系統的電測試485
12.1SOP電測試面臨的挑戰486
12.1.1HVM測試過程的目標以及SOP面臨的挑戰488
12.1.2SOP HVM的測試流程489
12.2KGES測試489
12.2.1基板互連測試489
12.2.2嵌入式無源元件的測試494
12.3數字子系統的優質嵌入式模組測試498
12.3.1邊界掃描――IEEE 1149.1498
12.3.2千兆赫數字測試：最新進展502
12.4混合信號和RF子系統的KGEM測試505
12.4.1測試策略506
12.4.2故障模型和檢測質量508
12.4.3使用專用電路對規範參數的直接測量509
12.4.4混合信號和RF電路的替代測試方法510
12.5總結523
參考文獻523
第13章生物感測器SOP530
13.1引言531
13.1.1SOP：高度小型化的電子系統技術531
13.1.2用於小型化生物醫療植入物和感測系統的生物感測器SOP531
13.1.3生物感測器SOP組成535
13.2生物感測535
13.2.1生物流體傳送微通道535
13.2.2生物感應單元（探針）設計和製備536
13.2.3探針 目標分子雜交538
13.3信號轉換540
13.3.1信號轉換元件中的納米材料和納米結構541
13.3.2信號轉換元件的表面改性和生物功能化543
13.3.3信號轉換方法544
13.4信號探測和電子處理548
13.4.1低功率ASIC和生物SOP的合成信號設計548
13.4.2生物SOP基板集成技術551
13.5總結和未來趨勢551
13.5.1概述551
13.5.2納米生物SOP集成的挑戰552
參考文獻553
縮略語555
序言
譯序
半導體產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性產業，是電子信息產業的核心與基礎，是各國搶占經濟制高點、提升綜合國力的重要領域，國際上一些國家把它譽為保障國家安全的產業，所以它是一個衡量國家經濟科技發展和國家實力的重要標準。繼1947年發明了電晶體、1958年發明積體電路之後，半導體產業一直保持著旺盛的生命力。IC沿著“摩爾定律”的規律發展，已經實現線寬22nm，正向11nm邁進，開始進入後摩爾時代，即延伸摩爾定律：微型化、多樣化、低成本、超越CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件。
系統級封裝(SOP)是摩爾定律以外的多樣化發展的結果，它是與片上系統(SOC)並行發展起來的一種新技術。片上系統是指將系統功能進行單片集成的電路晶片，該晶片加以封裝就形成一個系統的器件。系統級封裝是指將多個半導體裸晶片和可能的無源元件構成的高性能系統集成於一個封裝內，形成一個功能性器件，因此可以實現較高的性能密度，集成較多的無源元件，最有效地使用晶片組合，縮短交貨周期。SOP封裝還可大大減少開發時間和節約成本，具有廣闊的套用前景，因此人們對其寄予厚望，並將其視為3D封裝的核心技術。SOP將成為半導體產業創新的重要方向。
為了適應我國電子封裝業的發展，滿足廣大電子封裝領域的企業、科研院所工作者對電子封裝方面書籍的迫切需求，中國電子學會電子製造與封裝技術分會成立了《電子封裝技術叢書》編輯委員會，組織系列叢書的編輯、出版工作。
近幾年來，叢書編輯委員會已先後組織編寫、翻譯出版了《積體電路封裝試驗手冊》(1998年電子工業出版社出版)，《微電子封裝手冊》(2001年電子工業出版社出版)，《微電子封裝技術》(2003年中國科學技術大學出版社出版)，《電子封裝材料與工藝》(2006年化學工業出版社出版)，《MEMS/MOEMS封裝技術》(2008年化學工業出版社出版)，《電子封裝工藝設備》(2012年化學工業出版社出版)，《電子封裝技術與可靠性》(2012年化學工業出版社出版)共七本圖書。《系統級封裝導論》一書是這一系列的第九本。該書出版後，正在編纂中的系列叢書之五《光電子封裝技術》、之十《三維電子封裝的矽通孔技術》將會陸續出版，以饗讀者。
《系統級封裝導論》譯自美國Rao R.Tummala(拉奧R圖馬拉)，Madhavan Swaminathan(馬達范·斯瓦米納坦)所著的“Introduction to SystemonPackage(SOP)：Miniaturization of the Entire System”。該書的內容涉及片上系統(SOC)、堆疊式IC和封裝(SIP)、混合信號(SOP)設計、射頻系統級封裝(RF SOP)、集成晶片到晶片的光電子系統級封裝、內嵌多層布線和薄膜元件的SOP基板、混合信號(SOP)可靠性、MEMS封裝、晶圓級SOP、系統級封裝(SOP)散熱、系統級封裝(SOP)模組及系統的電測試、生物感測器SOP等技術。該書對從事電子封裝業和電子信息裝備業以及相關行業的科研、生產、套用工作者都會有較高的使用價值。對高等院校相關師生也有一定的參考意義。
我相信本書中譯本的出版發行將對我國電子封裝及電子信息裝備業發展起到積極的推動作用。我也向華中科技大學參與本書譯校的劉勝教授及全體師生和出版社的工作人員，表示由衷的感謝。
譯者的話
系統級封裝(SystemonPackage，SOP)是系統層次的封裝概念。它是指將器件、封裝、系統主機板縮小到一個具備所有功能需求的單系統中的封裝。這樣一個包含多積體電路晶片(ICs)的單系統封裝，通過對數字、射頻(RF)、光學、微機電系統(MEMS)的協同設計和製造，提供了所有的系統功能以及在積體電路中或者系統封裝中的微感測器功能。
本書英文原版“Introduction to SystemonPackage(SOP)：Miniaturization of the Entire System”是目前電子封裝領域關於系統級封裝技術的一本重要著作。原書作者Rao R. Tummala教授和Madhavan Swaminathan教授都長期從事微電子、微系統研究工作。尤其是Tummala教授，他是美國國家工程院院士，IBM會士，IEEE會士，喬治亞理工學院材料科學與工程學院講座教授，美國國家科學基金會工程研究中心(ERC)下的微系統封裝研究中心(PRC)主任。他是電子封裝領域的權威人士。本書詳細收錄了國際知名學者近年來在系統級封裝領域的最新研究成果。
本書第1章首先對系統級封裝技術進行了概述性介紹；第2章介紹了片上系統(SOC)技術；第3章介紹了積體電路和封裝的堆疊(SIP)；第4～6章分別詳細介紹了混合信號、射頻、集成晶片到晶片光電子的SOP設計及實現；第7章介紹多層布線和薄膜元件的SOP基板；第8章對混合信號SOP的可靠性進行了分析；第9、10章介紹了MEMS封裝以及晶圓級SOP的最新研究工作；第11章著重講述系統級封裝熱管理問題；然後，第12章對系統級封裝模組和系統的電測試各種方法進行了分析；最後，第13章介紹了生物感測器系統級封裝概念和套用。
本譯著是在中國電子科學研究院副院長、中國電子學會常務理事、中國電子學會電子製造與封裝技術分會理事長、中國半導體行業協會副理事長畢克允教授的建議和鼓勵下，由華中科技大學機械科學與工程學院微系統中心主任劉勝教授牽頭，在中心全體師生員工共同努力下，並在非常緊湊的時間內完成的。劉勝教授的幾名同事，如能動學院的羅小兵教授等，也提供了大量的幫助，聯合他們的研究生們加入翻譯工作。本書前言部分和序由王愷主要翻譯，第1章由萬志敏主要翻譯，第2章由陳浩和陳全主要翻譯，第3章由曹斌和蔡明先主要翻譯，第4章由呂植成和趙志力主要翻譯，第5章由曹鋼主要翻譯，第6章由趙爽和王佳鑫主要翻譯，第7章由吳步龍、楊亮和焦峰主要翻譯，第8章由陳星和張芹主要翻譯，第9章由劉超軍和王宇哲主要翻譯，第10章由劉孝剛和劉川主要翻譯，第11章由毛章明和陳全主要翻譯，第12章由宋劭和申智輝主要翻譯，第13章由高鳴源主要翻譯，縮略語部分由胡程志主要翻譯。劉勝教授承擔全書統稿、審譯工作和部分較難章節的翻譯工作。另外，劉孝剛參與前言、第1～3章、第11章審校工作，以及後期全書的修改工作，聞銘參與第4、5、13章審校工作，李水明參與第6章審校工作，李操參與第7章審校工作，陳星參與第8章審校工作，曹鋼參與第9章審校工作，師帥參與第10章審校工作，楊元文以及北京信息工程大學繆敏教授參與第12章審校工作。對大家一併表示感謝。
同時，也要感謝華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室對本書的翻譯工作給予的大力支持。
需要指出的是，本書的內容僅代表原作者個人的觀點和見解，並不代表譯者的觀點。尤其是書中關於SOP以及SIP(SysteminPackage)的概念問題完全遵從英文原文，本書譯者不參與對這兩個概念的爭論。
另外，由於本書內容較多且新，許多術語以及圖片儘量維持並體現原義；對原書中的一些印刷錯誤或明顯單詞拼寫等錯誤，以及其他需要商榷的地方，以“譯者注”表明。同時，由於譯者的理解問題以及系統封裝內容跨度大等原因，本書難免有錯譯、誤譯以及不妥之處，懇請廣大讀者給予原諒並指正。
譯者
英文版序
1994年，我很榮幸地作為喬治亞理工的新任校長受邀參加了我校第一個國家自然基金(NSF)優秀中心——微系統封裝研究中心的開幕式。該中心由拉奧R圖馬拉(Rao RTummala)教授領導，旨在採用創新的方法將眾多晶片封裝成超級微型化的單一組件系統，以實現多種功效。通過中心的贊助，我校不同領域的專家與來自全國乃至全世界的其他大學或者工業界中有想法的專家們走在一起，組建了一個強大的團隊，共同努力擴大單個影響力。這對於喬治亞理工來說是第一次。這是一個大膽的嘗試，不僅需要最好的技術理念，而且還需要有一個新方法用於系統試驗平台研究，牽涉到教師、學生以及信息管理的高度多元化的團隊。這是一個高風險、同時也是高回報的策略。
所有喬治亞理工需要的教師專家並不是一開始就可以全部到位。我相信，如此激動人心的前景，將吸引著更多有才華的人員加入我們。我們也認識到需要先進的設備，包括大量特殊用途的超淨間基礎設施。基於這些投入與Tummala教授的領導，將使喬治亞理工在基於系統級封裝(SystemonPackage，SOP)的超微小系統化這個重要研究領域，在眾大學中處於先驅的位置。
從1995年到2007年，本書中所描寫的SOP技術一直得到了NSF、工業界與喬治亞理工研究聯盟的支持。在該時期內，中心人員來自於喬治亞理工的電氣、機械、材料科學與化學化工各個院系，且有55位教師和高級研究員來自全球160個公司。另外還有600名出色的博士生與碩士生參加了開拓性的SOP研發工作，同時他們現在正在作為工業界的領導使用他們在喬治亞理工開發出的SOP技術來驅動下一個時代的發展。
本書介紹的SOP技術將使未來20年中電子與生物電子系統體積縮小到目前的一千分之一，甚至一百萬分之一。它介紹了系統集成定律的概念，被認為是用於整個系統微小化的電子學第二定律。它補充了眾所周知的積體電路(IC)摩爾定律，摩爾定律主要套用於系統的小部分。SOP使得最小化以及系統功能多樣化成為可能，它將促使消費電子、醫療、能源與交通等領域新一代產品的誕生。
我校以及全世界的教師將會發現本書是教育後輩學生SOP技術的有用資源。我要向Tummala教授和他的團隊帶來了喬治亞理工第一個國家自然基金優秀中心表示祝賀，同時為將其帶入下一個嶄新的階段而出版這本傑出著作表示祝賀。
Wayne Clough
喬治亞理工學院校長
半導體產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性產業，是電子信息產業的核心與基礎，是各國搶占經濟制高點、提升綜合國力的重要領域，國際上一些國家把它譽為保障國家安全的產業，所以它是一個衡量國家經濟科技發展和國家實力的重要標準。繼1947年發明了電晶體、1958年發明積體電路之後，半導體產業一直保持著旺盛的生命力。IC沿著“摩爾定律”的規律發展，已經實現線寬22nm，正向11nm邁進，開始進入後摩爾時代，即延伸摩爾定律：微型化、多樣化、低成本、超越CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件。
系統級封裝(SOP)是摩爾定律以外的多樣化發展的結果，它是與片上系統(SOC)並行發展起來的一種新技術。片上系統是指將系統功能進行單片集成的電路晶片，該晶片加以封裝就形成一個系統的器件。系統級封裝是指將多個半導體裸晶片和可能的無源元件構成的高性能系統集成於一個封裝內，形成一個功能性器件，因此可以實現較高的性能密度，集成較多的無源元件，最有效地使用晶片組合，縮短交貨周期。SOP封裝還可大大減少開發時間和節約成本，具有廣闊的套用前景，因此人們對其寄予厚望，並將其視為3D封裝的核心技術。SOP將成為半導體產業創新的重要方向。
為了適應我國電子封裝業的發展，滿足廣大電子封裝領域的企業、科研院所工作者對電子封裝方面書籍的迫切需求，中國電子學會電子製造與封裝技術分會成立了《電子封裝技術叢書》編輯委員會，組織系列叢書的編輯、出版工作。
近幾年來，叢書編輯委員會已先後組織編寫、翻譯出版了《積體電路封裝試驗手冊》(1998年電子工業出版社出版)，《微電子封裝手冊》(2001年電子工業出版社出版)，《微電子封裝技術》(2003年中國科學技術大學出版社出版)，《電子封裝材料與工藝》(2006年化學工業出版社出版)，《MEMS/MOEMS封裝技術》(2008年化學工業出版社出版)，《電子封裝工藝設備》(2012年化學工業出版社出版)，《電子封裝技術與可靠性》(2012年化學工業出版社出版)共七本圖書。《系統級封裝導論》一書是這一系列的第九本。該書出版後，正在編纂中的系列叢書之五《光電子封裝技術》、之十《三維電子封裝的矽通孔技術》將會陸續出版，以饗讀者。
《系統級封裝導論》譯自美國Rao R.Tummala(拉奧R圖馬拉)，Madhavan Swaminathan(馬達范·斯瓦米納坦)所著的“Introduction to SystemonPackage(SOP)：Miniaturization of the Entire System”。該書的內容涉及片上系統(SOC)、堆疊式IC和封裝(SIP)、混合信號(SOP)設計、射頻系統級封裝(RF SOP)、集成晶片到晶片的光電子系統級封裝、內嵌多層布線和薄膜元件的SOP基板、混合信號(SOP)可靠性、MEMS封裝、晶圓級SOP、系統級封裝(SOP)散熱、系統級封裝(SOP)模組及系統的電測試、生物感測器SOP等技術。該書對從事電子封裝業和電子信息裝備業以及相關行業的科研、生產、套用工作者都會有較高的使用價值。對高等院校相關師生也有一定的參考意義。
我相信本書中譯本的出版發行將對我國電子封裝及電子信息裝備業發展起到積極的推動作用。我也向華中科技大學參與本書譯校的劉勝教授及全體師生和出版社的工作人員，表示由衷的感謝。
譯者的話
系統級封裝(SystemonPackage，SOP)是系統層次的封裝概念。它是指將器件、封裝、系統主機板縮小到一個具備所有功能需求的單系統中的封裝。這樣一個包含多積體電路晶片(ICs)的單系統封裝，通過對數字、射頻(RF)、光學、微機電系統(MEMS)的協同設計和製造，提供了所有的系統功能以及在積體電路中或者系統封裝中的微感測器功能。
本書英文原版“Introduction to SystemonPackage(SOP)：Miniaturization of the Entire System”是目前電子封裝領域關於系統級封裝技術的一本重要著作。原書作者Rao R. Tummala教授和Madhavan Swaminathan教授都長期從事微電子、微系統研究工作。尤其是Tummala教授，他是美國國家工程院院士，IBM會士，IEEE會士，喬治亞理工學院材料科學與工程學院講座教授，美國國家科學基金會工程研究中心(ERC)下的微系統封裝研究中心(PRC)主任。他是電子封裝領域的權威人士。本書詳細收錄了國際知名學者近年來在系統級封裝領域的最新研究成果。
本書第1章首先對系統級封裝技術進行了概述性介紹；第2章介紹了片上系統(SOC)技術；第3章介紹了積體電路和封裝的堆疊(SIP)；第4～6章分別詳細介紹了混合信號、射頻、集成晶片到晶片光電子的SOP設計及實現；第7章介紹多層布線和薄膜元件的SOP基板；第8章對混合信號SOP的可靠性進行了分析；第9、10章介紹了MEMS封裝以及晶圓級SOP的最新研究工作；第11章著重講述系統級封裝熱管理問題；然後，第12章對系統級封裝模組和系統的電測試各種方法進行了分析；最後，第13章介紹了生物感測器系統級封裝概念和套用。
本譯著是在中國電子科學研究院副院長、中國電子學會常務理事、中國電子學會電子製造與封裝技術分會理事長、中國半導體行業協會副理事長畢克允教授的建議和鼓勵下，由華中科技大學機械科學與工程學院微系統中心主任劉勝教授牽頭，在中心全體師生員工共同努力下，並在非常緊湊的時間內完成的。劉勝教授的幾名同事，如能動學院的羅小兵教授等，也提供了大量的幫助，聯合他們的研究生們加入翻譯工作。本書前言部分和序由王愷主要翻譯，第1章由萬志敏主要翻譯，第2章由陳浩和陳全主要翻譯，第3章由曹斌和蔡明先主要翻譯，第4章由呂植成和趙志力主要翻譯，第5章由曹鋼主要翻譯，第6章由趙爽和王佳鑫主要翻譯，第7章由吳步龍、楊亮和焦峰主要翻譯，第8章由陳星和張芹主要翻譯，第9章由劉超軍和王宇哲主要翻譯，第10章由劉孝剛和劉川主要翻譯，第11章由毛章明和陳全主要翻譯，第12章由宋劭和申智輝主要翻譯，第13章由高鳴源主要翻譯，縮略語部分由胡程志主要翻譯。劉勝教授承擔全書統稿、審譯工作和部分較難章節的翻譯工作。另外，劉孝剛參與前言、第1～3章、第11章審校工作，以及後期全書的修改工作，聞銘參與第4、5、13章審校工作，李水明參與第6章審校工作，李操參與第7章審校工作，陳星參與第8章審校工作，曹鋼參與第9章審校工作，師帥參與第10章審校工作，楊元文以及北京信息工程大學繆敏教授參與第12章審校工作。對大家一併表示感謝。
同時，也要感謝華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室對本書的翻譯工作給予的大力支持。
需要指出的是，本書的內容僅代表原作者個人的觀點和見解，並不代表譯者的觀點。尤其是書中關於SOP以及SIP(SysteminPackage)的概念問題完全遵從英文原文，本書譯者不參與對這兩個概念的爭論。
另外，由於本書內容較多且新，許多術語以及圖片儘量維持並體現原義；對原書中的一些印刷錯誤或明顯單詞拼寫等錯誤，以及其他需要商榷的地方，以“譯者注”表明。同時，由於譯者的理解問題以及系統封裝內容跨度大等原因，本書難免有錯譯、誤譯以及不妥之處，懇請廣大讀者給予原諒並指正。
譯者
英文版序
1994年，我很榮幸地作為喬治亞理工的新任校長受邀參加了我校第一個國家自然基金(NSF)優秀中心——微系統封裝研究中心的開幕式。該中心由拉奧R圖馬拉(Rao RTummala)教授領導，旨在採用創新的方法將眾多晶片封裝成超級微型化的單一組件系統，以實現多種功效。通過中心的贊助，我校不同領域的專家與來自全國乃至全世界的其他大學或者工業界中有想法的專家們走在一起，組建了一個強大的團隊，共同努力擴大單個影響力。這對於喬治亞理工來說是第一次。這是一個大膽的嘗試，不僅需要最好的技術理念，而且還需要有一個新方法用於系統試驗平台研究，牽涉到教師、學生以及信息管理的高度多元化的團隊。這是一個高風險、同時也是高回報的策略。
所有喬治亞理工需要的教師專家並不是一開始就可以全部到位。我相信，如此激動人心的前景，將吸引著更多有才華的人員加入我們。我們也認識到需要先進的設備，包括大量特殊用途的超淨間基礎設施。基於這些投入與Tummala教授的領導，將使喬治亞理工在基於系統級封裝(SystemonPackage，SOP)的超微小系統化這個重要研究領域，在眾大學中處於先驅的位置。
從1995年到2007年，本書中所描寫的SOP技術一直得到了NSF、工業界與喬治亞理工研究聯盟的支持。在該時期內，中心人員來自於喬治亞理工的電氣、機械、材料科學與化學化工各個院系，且有55位教師和高級研究員來自全球160個公司。另外還有600名出色的博士生與碩士生參加了開拓性的SOP研發工作，同時他們現在正在作為工業界的領導使用他們在喬治亞理工開發出的SOP技術來驅動下一個時代的發展。
本書介紹的SOP技術將使未來20年中電子與生物電子系統體積縮小到目前的一千分之一，甚至一百萬分之一。它介紹了系統集成定律的概念，被認為是用於整個系統微小化的電子學第二定律。它補充了眾所周知的積體電路(IC)摩爾定律，摩爾定律主要套用於系統的小部分。SOP使得最小化以及系統功能多樣化成為可能，它將促使消費電子、醫療、能源與交通等領域新一代產品的誕生。
我校以及全世界的教師將會發現本書是教育後輩學生SOP技術的有用資源。我要向Tummala教授和他的團隊帶來了喬治亞理工第一個國家自然基金優秀中心表示祝賀，同時為將其帶入下一個嶄新的階段而出版這本傑出著作表示祝賀。
Wayne Clough
喬治亞理工學院校長
