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第1章 系统级封装技术介绍1

1.1 引言2

1.2 电子系统数据集成趋势3

1.3 电子系统组成部分4

1.4 系统技术演变5

1.5 5个主要的系统技术7

1.5.1 分立式器件的SOB技术8

1.5.2 在单芯片上实现两个或多系统功能的SOC技术9

1.5.3 多芯片模块（MCM）：两个或多个芯片水平互连封装集成9

1.5.4 堆叠式IC和封装（SIP）：两个或多个芯片堆叠封装集成（3D Moore定律）10

1.6 系统级封装技术（最好的IC和系统集成模块）13

1.6.1 概述13

1.6.2 微型化趋势16

1.7 5个系统技术的比较17

1.8 SOP全球发展状况19

1.8.1 光学SOP19

1.8.2 射频SOP21

1.8.3 嵌入式无源SOP21

1.8.4 MEMS SOP21

1.9 SOP技术实施22

1.10 SOP技术24

1.11 总结25

参考文献26

第2章 片上系统（SOC）简介29

2.1 引言30

2.2 关键客户需求31

2.3 SOC架构33

2.4 SOC设计挑战37

2.4.1 SOC设计阶段1——SOC定义与挑战38

2.4.2 SOC设计阶段2——SOC创建过程与挑战42

2.5 总结57

参考文献57

第3章 堆叠式IC和封装（SIP）59

3.1 SIP定义60

3.1.1 定义60

3.1.2 应用60

3.1.3 SIP的主要发展图和分类61

3.2 SIP面临的挑战63

3.2.1 材料和工艺流程问题64

3.2.2 机械问题64

3.2.3 电学问题65

3.2.4 热学问题66

3.3 非TSV SIP技术69

3.3.1 非TSV SIP的历史变革69

3.3.2 芯片堆叠71

3.3.3 封装堆叠83

3.3.4 芯片堆叠与封装堆叠87

3.4 TSV SIP技术88

3.4.1 引言88

3.4.2 三维TSV技术的历史演变91

3.4.3 基本的TSV技术92

3.4.4 采用TSV的各种三维集成技术98

3.4.5 硅载片技术104

3.5 未来趋势105

参考文献106

第4章 混合信号（SOP）设计111

4.1 引言112

4.1.1 混合信号器件与系统113

4.1.2 移动应用集成的重要性114

4.1.3 混合信号系统架构116

4.1.4 混合信号设计的挑战116

4.1.5 制造技术119

4.2 用于RF前端的嵌入式无源器件设计119

4.2.1 嵌入式电感120

4.2.2 嵌入式电容123

4.2.3 嵌入式滤波器124

4.2.4 嵌入式平衡－非平衡转换器127

4.2.5 滤波器－Balun网络129

4.2.6 可调谐滤波器131

4.3 芯片－封装协同设计133

4.3.1 低噪声放大器设计134

4.3.2 并发振荡器设计136

4.4 无线局域网的RF前端模块设计140

4.5 设计工具142

4.5.1 嵌入式RF电路尺寸设计143

4.5.2 信号模型和电源传送网络146

4.5.3 有理函数、网络合成与瞬态仿真150

4.5.4 生产设计154

4.6 耦合158

4.6.1 模拟－模拟耦合158

4.6.2 数字－模拟耦合163

4.7 去耦合166

4.7.1 数字应用中去耦的需要168

4.7.2 贴片电容的问题169

4.7.3 嵌入式去耦169

4.7.4 嵌入式电容的特征173

4.8 电磁带隙（EBG）结构175

4.8.1 EBG结构分析与设计176

4.8.2 EBG在抑制电源噪声方面的应用179

4.8.3 EBG的辐射分析181

4.9 总结183

参考文献184

第5章 射频系统级封装（RF SOP）191

5.1 引言192

5.2 RFSOP概念192

5.3 RF封装技术的历史演变195

5.4 RF SOP技术196

5.4.1 建模与优化196

5.4.2 RF基板材料技术198

5.4.3 天线198

5.4.4 电感器205

5.4.5 RF电容器208

5.4.6 电阻213

5.4.7 滤波器218

5.4.8 平衡－不平衡变换器220

5.4.9 组合器220

5.4.10 RF MEMS开关221

5.4.11 电子标签（RFID）技术227

5.5 RF模块集成229

5.5.1 无线局域网（WLAN）229

5.5.2 智能网络传输器（INC）230

5.6 未来发展趋势232

参考文献234

第6章 集成芯片到芯片的光电子系统级封装240

6.1 引言241

6.2 光电子系统级封装（SOP）的应用242

6.2.1 高速数字系统与高性能计算242

6.2.2 RF－光学通信系统243

6.3 薄层光电子SOP的挑战244

6.3.1 光学对准244

6.3.2 薄膜光学波导材料的关键物理和光学特性245

6.4 光电子系统级封装的优点248

6.4.1 高速电气与光学线路的性能对比248

6.4.2 布线密度249

6.4.3 功率损耗251

6.4.4 可靠性251

6.5 光电子系统级封装（SOP）技术的发展252

6.5.1 板－板光学布线253

6.5.2 芯片－芯片光互连254

6.6 光电子SOP薄膜元件256

6.6.1 无源薄膜光波电路256

6.6.2 有源光电子SOP薄膜器件265

6.6.3 三维光波电路的良机265

6.7 SOP集成：界面光学耦合267

6.8 芯片上的光学电路271

6.9 光电子SOP的未来趋势273

6.10 总结273

参考文献274

第7章 内嵌多层布线和薄膜元件的SOP基板283

7.1 引言284

7.2 基板集成技术的历史演变286

7.3 SOP基板287

7.3.1 动力与挑战287

7.3.2 嵌入低介电常数的电介质、芯体与导体的超薄膜布线289

7.3.3 嵌入式无源器件309

7.3.4 嵌入式有源器件321

7.3.5 散热材料和结构的微型化324

7.4 SOP基板集成的未来325

参考文献326

第8章 混合信号SOP可靠性330

8.1 系统级可靠性注意事项331

8.1.1 失效机制332

8.1.2 为可靠性而设计333

8.1.3 可靠性验证335

8.2 多功能SOP基板的可靠性335

8.2.1 材料和工艺可靠性336

8.2.2 数字功能可靠性与验证341

8.2.3 射频功能可靠性及验证344

8.2.4 光学功能可靠性及验证346

8.2.5 多功能系统稳定性348

8.3 基板与IC的互连可靠性349

8.3.1 影响基板与集成电路互连可靠性的因素350

8.3.2 100μm倒装芯片组装可靠性351

8.3.3 防止芯片开裂的可靠性研究356

8.3.4 焊点可靠性356

8.3.5 界面黏结和湿气对底部填料可靠性的影响357

8.4 未来的趋势和发展方向360

8.4.1 发展焊料360

8.4.2 柔性互连361

8.4.3 焊料和纳米互连之外的选择361

8.5 总结362

参考文献363

第9章 MEMS封装369

9.1 引言370

9.2 MEMS封装中的挑战370

9.3 芯片级与晶圆级封装的对比371

9.4 晶圆键合技术372

9.4.1 直接键合373

9.4.2 利用中间层键合373

9.5 基于牺牲薄膜的密封技术376

9.5.1 刻蚀牺牲层材料376

9.5.2 牺牲层聚合物的分解379

9.6 低损耗聚合物封装技术382

9.7 吸气剂技术383

9.7.1 非挥发性吸气剂384

9.7.2 薄膜吸气剂385

9.7.3 使用吸气剂提高MEMS可靠性385

9.8 互连387

9.9 组装389

9.10 总结和展望390

参考文献391

第10章 晶圆级SOP396

10.1 引言397

10.1.1 定义397

10.1.2 晶圆级封装——历史进程398

10.2 布线形成与再分布401

10.2.1 IC封装间距间隙401

10.2.2 硅上再分布层关闭间距间隙403

10.3 晶圆级薄膜嵌入式元件403

10.3.1 再分布层中的嵌入式薄膜元件404

10.3.2 硅载体基板上的嵌入式薄膜元件404

10.4 晶圆级封装和互连（WLPI）406

10.4.1 WLPI的分类409

10.4.2 WLSOP装配432

10.5 三维WLSOP435

10.6 晶圆级检测及老化436

10.7 总结439

参考文献439

第11章 系统级封装（SOP）散热446

11.1 SOP散热基础447

11.1.1 SOP热影响448

11.1.2 基于SOP便携式产品的系统级热约束449

11.2 SOP模块内热源450

11.2.1 数字SOP450

11.2.2 RFSOP452

11.2.3 光电子SOP453

11.2.4 MEMS SOP454

11.3 传热模式基础454

11.3.1 传导455

11.3.2 对流458

11.3.3 辐射换热461

11.4 热分析原理463

11.4.1 热分析数值方法463

11.4.2 热分析的实验方法469

11.5 热管理技术470

11.5.1 概述470

11.5.2 热设计技术470

11.6 功率最小化方法477

11.6.1 并行处理478

11.6.2 动态电压和频率调节（DVFS）478

11.6.3 专用处理器（ASP）478

11.6.4 缓存功率优化478

11.6.5 功率管理479

11.7 总结479

参考文献479

第12章 系统级封装（SOP）模块及系统的电测试485

12.1 SOP电测试面临的挑战486

12.1.1 HVM测试过程的目标以及SOP面临的挑战488

12.1.2 SOP HVM的测试流程489

12.2 KGES测试489

12.2.1 基板互连测试489

12.2.2 嵌入式无源元件的测试494

12.3 数字子系统的优质嵌入式模块测试498

12.3.1 边界扫描——IEEE 1149.1498

12.3.2 千兆赫数字测试：最新进展502

12.4 混合信号和RF子系统的KGEM测试505

12.4.1 测试策略506

12.4.2 故障模型和检测质量508

12.4.3 使用专用电路对规范参数的直接测量509

12.4.4 混合信号和RF电路的替代测试方法510

12.5 总结523

参考文献523

第13章 生物传感器SOP530

13.1 引言531

13.1.1 SOP：高度小型化的电子系统技术531

13.1.2 用于小型化生物医疗植入物和传感系统的生物传感器SOP531

13.1.3 生物传感器SOP组成535

13.2 生物传感535

13.2.1 生物流体传送微通道535

13.2.2 生物感应单元（探针）设计和制备536

13.2.3 探针－目标分子杂交538

13.3 信号转换540

13.3.1 信号转换元件中的纳米材料和纳米结构541

13.3.2 信号转换元件的表面改性和生物功能化543

13.3.3 信号转换方法544

13.4 信号探测和电子处理548

13.4.1 低功率ASIC和生物SOP的合成信号设计548

13.4.2 生物SOP基板集成技术551

13.5 总结和未来趋势551

13.5.1 概述551

13.5.2 纳米生物SOP集成的挑战552

参考文献553

缩略语555