【硬核书单】后摩尔时代的破局指南：《三维微电子封装：从架构到应用》图书分享

摩尔定律不仅是慢下来了，而且变得越来越昂贵。随着先进制程逼近物理极限，单纯依靠缩小晶体管尺寸来换取性能提升（PPA）已显疲态。看看最近火爆的 AI 芯片（如 NVIDIA H100、AMD MI300），你会发现它们无一例外都不仅仅是“设计”出来的，更是“封装”出来的。Chiplet（小芯片）、异构集成、CoWoS、HBM……这些曾经概念性技术，如今已站在了延续算力增长的舞台中央。

在这个“封装即系统”的时代，如何系统性地掌握三维封装技术？而不是只懂一个个孤立的名词？

今天我想为大家推荐一本在这个领域堪称“案头圣经”的硬核技术书——《三维微电子封装：从架构到应用（原书第2版）》（Three-Dimensional Microelectronic Packaging: From Architecture to Applications, 2nd Edition）。

很多同类书籍往往容易陷入两个极端：要么只讲材料科学（焊料、聚合物），要么只讲光刻电镀等单一工序。而这本书正如书名所言——From Architecture to Applications。它先从系统架构的高度切入，告诉你为什么要用 3D？内存堆叠（Memory-on-Logic）和逻辑堆叠（Logic-on-Logic）各有什么优劣？有了顶层理解，再去读工艺章节，会有豁然开朗的感觉。

此书已于2022年由机械工业出版社出版，ISBN:9787111696551。作者：李琰。本书的第一作者/主编 Yan Li (李琰) 博士是 Intel的资深封装技术专家，长期深耕于封装与失效分析的一线。这意味着这本书不是象牙塔里的理论推导，而是源自工业界大规模量产经验的总结。书中所引用的数据、案例和对良率挑战的分析，都带有浓厚的“实战”色彩。

图书目录

*1章 三维微电子封装概论

1.1 导言

1.2 为什么采用三维封装

1.2.1 摩尔定律

1.2.2小型化需要三维封装

1.2.3 降低功耗提高系统性能

1.3 三维微电子封装架构

1.3.1 芯片-芯片三维集成

1.3.2 封装-封装三维集成

1.3.3 三维异构集成

1.4 三维微电子封装的挑战

1.4.1 组装工艺、良率、测试及成本的挑战

1.4.2 热管理、封装设计及建模的挑战

1.4.3 材料和基板的挑战

1.4.4 质量、可靠性及失效分析的挑战

1.5 小结

参考文献

 

*2章 三维封装架构和组装流程设计

2.1 导言

2.2基于硅通孔（TSV）的三维架构：优势与劣势

2.3 TSV的制造方法及其他特性

2.4 组装工艺流程

2.5 制造良率及测试的作用

2.6 TSV三维架构的挑战

2.7 小结

参考文献

 

第3章 硅通孔（TSV）的材料与工艺

3.1 导言

3.2 TSV的材料与工艺概览

3.3 TSV的制作与组装

3.3.1 在硅晶圆上形成孔或沟槽

3.3.2 循序填充硅通孔

3.3.3 平坦化和芯片减薄

3.4 TSV制作与芯片集成的工艺流程

3.4.1流程顺序

3.4.2 包含TSV的芯片集成

3.5 小结

参考文献

 

第4章 TSV的微结构与力学可靠性

4.1 导言

4.2微观结构表征及应力测量

4.2.1 微观结构表征

4.2.2 应力状态测量

4.3 TSV相关的可靠性问题

4.3.1 TSV中的应力

4.3.2 电迁移有关的效应

4.4面向原子信息的TSV可靠性建模

4.4.1 CPFE法

4.4.2 PFC法

4.5 小结

参考文献

 

第5章 晶体相场（PFC）模型:一种在TSV中探测原子的工具

5.1引言

5.2 PFC模型基础

5.2.1经典密度泛函理论

5.2.2近似模型

5.2.4 控制方程

5.2.5 多组分多相系统的应用

5.2.6 物理场耦合

5.3 TSV的PFC模型

5.3.1 三角晶格

5.3.2 方晶格

5.3.3 基于石墨烯的TSV

5.4 总结

参考文献

 

第6章 TSV挤出效应的原子尺度动力学

6.1 导言

6.2 模型设置和TSV挤出的实例

6.3 不同机械载荷条件下的挤出

6.3.1 剪切应变γyx

6.3.2 法向应变εx和剪切应变γxy

6.3.3 法向应变εy

6.3.4 载荷分布

6.4 晶粒结构的影响

6.4.1 晶粒分布

6.4.2 晶粒尺寸

6.4.3 晶粒取向

6.5 温度的影响

6.6 几何形状的影响

6.6.1 TSV的形状

6.6.2 侧壁粗糙度

6.7 TSV挤出效应的一般观点

6.7.1 原子机制

6.7.2 挤出的轮廓预测准则

6.7.3 塑性流动观点

6.8 展望

参考文献

 

第7章 三维封装芯片准备的原理及失效

7.1 导言

7.2 TSV晶圆制造工艺概述

7.3 临时晶圆键合

7.4 晶圆解键合及清洁

7.5 晶圆激光划片

7.6 晶圆砂轮划片

7.7 晶圆芯片顶出

7.8 芯片贴装

7.9 底部填充

7.10 结论

参考文献

 

第8章 铜-铜（Cu-Cu）直接键合及三维封装的其他键合技术

8.1 导言

8.2基于焊料键合与无焊料键合：优点与缺点

8.3 堆叠和键合方案、技术与应用

8.4 热压键合（一种典型的扩散焊）：材料基础及微观结构效应

8.5 覆盖层钝化：自组装单分子膜（SAM）和金属

8.6 表面活化键合（SAB）工艺

8.7 Cu/介质混合键合

8.7.1 Cu/SiO2混合键合

8.7.2 Cu/粘合剂混合键合

8.8 另一种Cu-Cu键合技术：插入键合

8.9 Cu–Cu键合设备概览及现状

8.10 小结及后续研究建议

参考文献

 

第9章 微米/纳米铜在三维互连中的应用

9.1 导言

9.1.1 金属纳米颗粒键合综述

9.1.2 混合铜颗粒键合的应用动因

9.2 烧结致密度建模

9.2.1 算法设计与假设

9.2.2 3D仿真结果

9.2.3 小结

9.3铜浆配方及表征

9.3.1 铜浆配方和烧结曲线

9.3.2 热学和电学特性

9.3.3 仿真与试验结果的探讨

9.3.4 小结

9.4 芯片到晶圆键合验证

9.4.1 实验内容

9.4.2 键合剪切强度

9.4.3 小结

9.5 总结与展望

9.5.1 总结

9.5.2 展望

参考文献

 

*10章 2.5/3D封装键合技术与工艺材料基础

10.1 导言

10.2 背景介绍

10.2.1 三维封装结构概述

10.2.2 热压焊（TCB）技术的基本原理

10.2.3 工艺材料基础

10.3 材料配方原理

10.3.1 水溶性助焊剂

10.3.2 免清洗助焊剂

10.3.3 毛细底部填充

10.3.4 环氧助焊剂（非流动底部填充胶或非导电胶）

10.3.5 预涂环氧基材料（非导电膜及B阶材料）

10.4 组装工艺设计

10.4.1 简介

10.4.2 TCB组装工艺要素

10.4.3 TCB组装工艺要素的设计和开发

10.5专题：综合比较分析传统回流焊与TCB的Sn-Ag-Cu（SAC）焊点微观结构

10.5.1 简介

10.5.2 实验部分

10.5.3 结果和讨论

10.5.4 结论

10.6 小结与讨论

参考文献

 

*11章 三维封装焊料合金基础

11.1 微凸点工艺

11.2 微凸点的焊料合金

11.3 微凸点焊接中金属间化合物的形成

11.4 热力学环境下微凸点的微观结构演变

11.5 微凸点的微观结构与失效机理

11.6 小结和未来的挑战

参考文献

 

*12章 三维封装互连的电迁移原理

12.1 导言

12.2焊点电迁移的关键影响因素

12.2.1 锡扩散引起的典型电迁移失效

12.2.2 金属化层溶解导致的电迁移失效

12.3三维封装中焊点的电迁移

12.3.1 微凸点中锡扩散导致的电迁移损伤

12.3.2 电迁移中全金属间化合物焊点的形成

12.3.3 伴随电迁移的热迁移

12.4 三维封装中TSV的电迁移

12.4.1 大马士革Cu互联的电迁移

12.4.2 TSV的电迁移失效

12.4总结

参考文献

 

 

 

*13章 三维集成电路封装的散热与热设计基础

13.1导言

13.2 三维集成电路的热性能参数

13.3 三维集成电路的空气冷却

13.4 射流冲击和喷雾冷却

13.5微通道冷却

13.6三维集成电路架构中的热设计注意事项

13.6.1 TSV 布局的散热注意事项

13.6.2用于三维集成电路的热分析工具

13.6.3性能注意事项

13.6.4用于带液体冷却的三维集成电路的新兴无线互连

13.7集成微通道的液冷散热

13.7.1 变密度翅片对微通道热性能的改善

13.7.2 两相冷却

13.8 未来方向

参考文献

 

 

*14章 有机基板技术中的先进材料与工艺基础

14.1 简介

14.2 基板技术的发展概述

14.3 有机基板材料

14.3.1 有机基板生产中使用的材料

14.3.2 材料概述

14.3.3 基板和PWB的芯板

14.3.4 介质材料

14.3.5 金属化过孔和过孔填充材料

14.3.6 阻焊材料

14.3.7 表面涂覆

14.3.8 小结

14.4 有机基板制造工艺概述

14.4.1 基板原料的选择与制备

14.4.2 内层图形成像

14.4.3 积层工艺

14.4.4 阻焊、表面涂覆及一级互连形成

14.5.5 *终成型、测试、检验和出货

参考文献

 

*15章 三维封装中芯片和封装级热、湿-热应力：建模与特征提取

15.1 导言

15.2 热应力及其对TSV结构的影响

15.2.1 引言

15.2.2 基于半解析和数值计算的TSV应力表征方法

15.2.3 热应力的测量

15.2.4 热应力对载流子迁移率和禁区的影响

15.2.5 热应力导致的通孔挤出

15.3 封装级热应力及翘曲控制

15.3.1 引言

15.3.2 多层结构中的热应力

15.3.3 翘曲机理及控制方法

15.3.4 用于翘曲控制的芯片盖帽方法

15.3.5 翘曲特性的试验测试

15.3.6 基于数值模拟的翘曲控制设计优化

15.4 湿-热联合作用下的综合应力分析

15.4.1 引言414

15.4.2 湿气扩散理论

15.4.3 湿气诱导的应变和等效应力理论

15.4.4 蒸汽压力建模

15.4.5 综合应力分析耦合方程

15.4.6 案例分析

15.5 小结

参考文献

 

*16章 堆叠封装互连焊接的工艺与可靠性

16.1 导言

16.1.1 小型化和功能化趋势

16.1.2 三维封装的变体

16.1.3 应用驱动的PoP和PoPoP器件要求

16.2 焊接组装工艺

16.2.1 焊料合金

16.2.2 助焊剂与焊膏

16.2.3 组装方法

16.2.4 检测技术

16.2.5 底部填充、保形涂覆和包封材料

16.2.6 翘曲效应

16.3 焊点可靠性

16.3.1 环境

16.3.2 底部填充、保形涂覆和包封

16.3.3 可靠性研究

16.4小结及未来发展趋势

16.4.1小结

16.4.2未来发展趋势

参考文献

 

*17章 三维封装的互连质量与可靠性

17.1 导言

17.2 三维封装的质量挑战

17.3 微凸点的质量与可靠性

17.3.1 类型1——Cu/Sn/Cu

17.3.2 类型2-——Ni/Sn/Ni

17.3.3 类型3——Cu/Sn/Ni

17.3.4 类型4——Cu/Ni/Sn/Ni/Cu

17.3.5 小结

17.4 三维封装的现场性能预测

17.5 三维封装的电迁移可靠性

17.5.1 电迁移简介

17.5.2 铝、铜互连的电迁移实验研究

17.5.3 倒装芯片焊点的电迁移

17.5.4 三维集成电路封装的系统级电迁移研究

17.5.5 2.5维集成电路中的系统级薄弱环节失效

17.5.6 小结

17.6 三维集成电路封装中的热迁移

17.6.1 概述

17.6.2 热迁移原理

17.6.3 三维集成电路封装中的热迁移研究

17.6.4 小结

参考文献

 

*18章 三维封装的故障隔离与失效分析

18.1 导言

18.2 三维先进封装的故障隔离与失效分析的挑战

18.3 无损故障隔离和失效分析技术在三维微电子封装中的应用

18.3.1 三维微电子封装电气失效的无损故障隔离技术

18.3.2 三维微电子封装的高分辨率无损成像技术

18.4 面向三维微电子封装的样品制备及材料分析技术应用

18.4.1 样品制备技术

18.4.2 材料分析技术

18.5 三维封装的失效分析策略

18.5.1 理解封装组装过程、可靠性应力和失效率分布

18.5.2 识别缺陷的高效FI-FA流程

18.5.3 深入了解失效机理和根本原因，提供解决路径

18.5.4 小结

参考文献

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