电子产品世界

芯片、再分布层和中介层的翘曲是多小芯片封装中一个日益严重的问题，它会对这些器件的行为和可靠性产生巨大影响。

导致翘曲的因素有很多，包括芯片尺寸较大、硅衬底严重变薄、临时键合和剥离过程以及凸块间距和尺寸的缩放。这些因素中的每一个都会影响整体结构的可靠性。此外，小芯片在制造和运行过程中会经历多次热循环，这可能导致芯片分层、开裂，甚至在先进封装中丢失凸块。

新思科技3D-IC多物理场仿真和硬件安全首席产品经理Lang Lin表示：“在翘曲方面，凸块阵列是最重要的部分，因为你可能会产生空隙甚至裂缝——物理断开，这将对你的系统有害。

微凸块必须满足严格的平面度要求。例如，在回流焊过程中施加的任何应力都有诱发翘曲和弯曲行为的趋势。芯片制造商和模块设计人员用于减轻弯曲和翘曲的一些策略包括：

• 从设计到系统级别模拟材料相互作用、热剖面和翘曲;

• 平衡关键材料界面的 CTE;

• 选择多芯片模块的最佳回流焊工艺（TCB、反向激光器TCB等）;

• 选择最适合晶圆减薄的临时粘合剂，以及

• 战略性地使用 TSV 和金属层将热量从有源设备中带走。

多物理场仿真的
强大功能多物理场仿真很早就被用于高级封装设计。有限元建模 （FEM） 可以模拟物理世界，而无需构建物理原型的费用、时间或风险。有限元可以预测现实世界的力、振动、热量和其他物理效应将如何影响封装，帮助识别潜在的弱点并评估产品失效的方式和时间。FEM 与测试结构结合使用，然后与最终组装的模块结合使用。

随着芯片制造商继续将更多芯片封装得更近，热效应尤为重要。有限元模拟传热和温度分布，使工程师能够评估热管理策略，识别热点，并预测不同材料之间由热膨胀失配 （TCE） 引起的应力、应变和翘曲。硅的TCE为2.6 ppm/°C;砷化镓的含量为 6.86 ppm/°C;铜的TCE为16.7 ppm/°C;锡铅焊料的 TCE 为 27 ppm/°C，FR4 基板的 TCE 为 11 至 17 ppm/°C。

“你可以将多小芯片系统视为带有中介层的夹层，然后是芯片 1、芯片 2 等，然后是成型、热界面材料和散热器，”Lin 说。“最大限度地减少翘曲的一种方法是逐渐减细材料的 CTE，因为如果任何两层之间的 CTE 差异太大， 你创建了一个具有大翘曲的界面，所以最好在垂直方向上平衡这些属性。

另一个显着影响翘曲行为的材料属性是杨氏模量，它是其弹性或刚度的量度。例如，单晶硅在<100>方向的模量为130 GPa，但在<111>方向为188 GPa。这种差异影响基于硅的器件的电气性能，并且是晶圆选择的关键决定因素。

晶圆减薄
过程中的潜在分层晶圆减薄正在成为各种设备的常见做法，尤其是需要超薄外形的移动应用。2.5D 和 3D 的先进封装要求将硅薄化至 100μm 以下。

载体和器件晶圆之间的临时键合材料必须在背面研磨过程中承受强大的离心力。3D Integration 研发工程师 Nader Jedidi 和 imec 的同事最近在背磨期间评估了 Brewer Science 的 VersaLayer 系统。[1] “根据多层BEOL堆栈（电介质/金属材料、厚度、设计）和工艺条件，通常是沉积和烘烤温度，器件硅片在减薄过程中可能会明显翘曲。基板与堆叠电介质层和金属层之间的热膨胀系数不匹配是驱动晶圆形状的最重要因素之一。沉积或具有大 CTE 失配、大杨氏模量和厚度（即：厚而硬的材料）的层的生长肯定会导致晶圆显着弯曲，“作者说。

该项目证实，非翘曲晶圆在研磨过程中不会分层。“在研磨时，当基板厚度减小时，基板的弯曲刚度不断减小，晶圆弯曲度增加。为了使顶部晶圆保持与载体的粘合，需要 TBM/RL（临时键合材料/离型层）系统来补偿越来越大的剥离力矩。低于一定的硅厚度，后者将足够大，以克服最弱界面内的粘附力，导致边缘区域顶部晶圆的脱粘/分层。

最后，imec的工作证实，在硅背面研磨过程中，有三个变量是晶圆分层的关键决定因素——硅靶材厚度、晶圆弯曲度以及研磨工艺负载条件下离型层对BEOL堆栈的附着强度。“对于固定堆栈顶层（SiO2、SiCN、SiNx等）以及固定的 RL/TBM 系统，设置硅目标厚度，通常为 ≤100μm，相当于设置弓形的工艺窗口，或者，为无分层减薄所允许的最大弓形。

带盖与无盖组装
一些封装设计人员在半导体封装上使用盖子将热量从芯片/TIM 传播到散热器，但使用盖子各有利弊。它们使封装更厚，并且在某些情况下无法像无盖解决方案那样有效地散热，在无盖解决方案中，芯片更直接地与散热器连接。

“存在有盖设计与无盖设计的整个问题。一些客户更喜欢无盖，因为盖子材料与硅和散热器不同。该盖子的刚度无法很好地固定整个多芯片系统，“新思科技的 Lin 说。

当需要盖子时，它们可以用可伐合金、合金 52 或陶瓷（用于气密密封）或镀镍铜等材料制成。事实上，全金属封装通常用于高性能计算/HBM 应用。

在封装中，超过 90% 的热量从芯片顶部通过封装散发到散热器，散热器通常是带有垂直翅片的阳极氧化铝基。具有高导热性的热界面材料 （TIM） 放置在芯片和封装之间，以帮助传递热量。

TIM 有多种外形尺寸可供选择，能够填充封装内的微小间隙。Amkor Technology Korea 的工艺/材料研究总监 MinJae Kong 和同事最近使用倒装芯片盖 BGA 研究了增加铟金属 TIM 中银含量对封装翘曲的影响。[2] “铟具有优异的导热性、对器件的高附着力和耐用性。因此，铟金属热界面材料（TIM）有望作为高性能半导体和电子器件的热管理解决方案发挥重要作用，“孔说。

不能使用纯铟，因为它在焊料回流温度 （250°C） 下熔化。基于可靠性测试、阴影摩尔纹翘曲评估以及有限元分析的翘曲和仿真结果，Amkor研究表明，降低铟合金中的银含量会导致更大的TIM覆盖率下降，并在高温下增加封装和芯片翘曲。

“考虑到这些发现，在进行回流焊的FCLBGA封装中使用银含量较高的铟合金在TIM覆盖率方面可能是有利的。然而，该假设仅适用于在室温和高温下具有较大翘曲挠度的 FCLBGA 封装。未来对每种合金的研究将需要侧重于进一步减少封装翘曲和保持 TIM 覆盖率的实际措施，“Kong 说。

质量回流焊、TCB、反向激光辅助键合
回流焊有多种选择，每种都有其自身的优点和缺点。质量回流焊是原始且最便宜的方法，但当涉及到具有细凸块（<45μm 线/空间）的大/薄基板封装时，其性能受到限制。

热压粘合 （TCB） 已经生产多年。它的工作原理是对组件施加向下压力和高温（250°C 至 400°C，取决于金属），因此相对于质量回流焊的翘曲得到改善。但工具生产率低于质量回流焊或反向激光辅助键合 （R-LAB）。TCB 的高压和高温导致金属与金属的混合和粘合。

激光辅助键合取决于金属之间关键界面的局部加热。近年来，Amkor工程师开发了反向实验室，通过对激光波长透明的底层载物台块进行局部热凸点。去年，该公司开始探索激光辅助 TCB，它与在基板上使用背面金属化和小芯片模块键合（模制硅芯片）键合的应用兼容。

“反向激光压缩键合 （R-LTC） 本质上是 R-LAB 和 TCB 的组合，针对高翘曲和大翘曲模块。R-LTC 的一个优点是它有助于最大限度地减少芯片的热应力，因为凸块润湿主要是通过反向激光加热完成的，“Amkor Technology Korea 高级总监或产品开发总监 Seokha Na 说。[3] 键合头通过结合温度、压力和力来控制支架高度、对准和芯片倾斜。它向模块传递的热量比 TCB 少。

图 1：反向激光压缩键合将激光器的局部加热与对峙高度、对准和芯片倾斜的键合头控制相结合。来源：Amkor

嵌入式芯片结构的翘曲
节能电子设备通常涉及嵌入层压堆积层中的一个或多个芯片，以在薄而小的占地面积内实现高性能和良好的散热。日月光工程师Wei-Hong Lai及其同事评估了半导体嵌入基板（SESUB）技术中的带状翘曲控制。[4]

“构建了一种有限元方法（FEM），并进行了实验基准测试，用于翘曲验证。Taguchi设计响应表明，具有低CTE特性和较薄的芯片厚度的基材树脂层是影响翘曲的关键因素，“作者说。使用3D数字图像相关技术在室温和高温下测量带材的翘曲（见图2）。

图2：使用四分之一的条带进行有限元分析。资料来源：日月光

“有限元法 （FEM） 是数值模型和分析带材水平翘曲的首选方法。对基板结构进行了等效铜比效应和逐层叠层的考虑。根据设计规则，嵌入式芯片放置也分布到带材布局中，“他们说

有趣的是，室温下的翘曲幅度大约是 260°C 下的 3 倍。 使用田口法，某些条件会严重影响翘曲，包括芯片厚度，从而提高带材的刚度，在基板树脂、层压电介质和阻焊层中使用低CTE和低模量材料。通过选择最佳材料并用铜构建布局，平衡以及使用比底部树脂更厚的顶部树脂，有助于减少 50% 的翘曲。

结论
有限元建模长期以来一直被用于优化封装布局，但现在它正在更小的尺度上得到应用，以最好地了解薄膜在加工和多次热循环中如何相互作用。

为了防止晶圆在薄化过程中拉伸到仅 50 微米的硅片中分层，三个因素特别影响翘曲——剩余的芯片厚度、高 CTE 失配和高杨氏模量，这些因素会导致更多的晶圆弯曲。优化这些参数有助于防止减薄过程中的分层。

在先进封装中，可以考虑粘合技术，包括热压粘合、反向激光辅助粘合和相对较新的反向热压缩粘合 （R-LTC）。R-LTC 可以提供更好的对准和更低的隔离厚度，这是多芯片封装中的重要问题。

翘曲在装配过程中已经并将需要采取控制措施，包括回流焊工具的选择，以及选择兼容的 CTE 材料，以及仅在堆栈中逐渐改变 CTE。具有低 CTE 和低杨氏模量的新型材料有助于改善晶圆和芯片弯曲。

关键词： 小芯片 翘曲 多物理场仿真