芯片、再分布層和中介層的翹曲是多小芯片封裝中一個日益嚴(yán)重的問題，它會對這些器件的行為和可靠性產(chǎn)生巨大影響。

導(dǎo)致翹曲的因素有很多，包括芯片尺寸較大、硅襯底嚴(yán)重變薄、臨時鍵合和剝離過程以及凸塊間距和尺寸的縮放。這些因素中的每一個都會影響整體結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，小芯片在制造和運行過程中會經(jīng)歷多次熱循環(huán)，這可能導(dǎo)致芯片分層、開裂，甚至在先進封裝中丟失凸塊。

新思科技3D-IC多物理場仿真和硬件安全首席產(chǎn)品經(jīng)理Lang Lin表示：“在翹曲方面，凸塊陣列是最重要的部分，因為你可能會產(chǎn)生空隙甚至裂縫——物理斷開，這將對你的系統(tǒng)有害。

微凸塊必須滿足嚴(yán)格的平面度要求。例如，在回流焊過程中施加的任何應(yīng)力都有誘發(fā)翹曲和彎曲行為的趨勢。芯片制造商和模塊設(shè)計人員用于減輕彎曲和翹曲的一些策略包括：

• 從設(shè)計到系統(tǒng)級別模擬材料相互作用、熱剖面和翹曲;

• 平衡關(guān)鍵材料界面的 CTE;

• 選擇多芯片模塊的最佳回流焊工藝（TCB、反向激光器TCB等）;

• 選擇最適合晶圓減薄的臨時粘合劑，以及

• 戰(zhàn)略性地使用 TSV 和金屬層將熱量從有源設(shè)備中帶走。

多物理場仿真的
強大功能多物理場仿真很早就被用于高級封裝設(shè)計。有限元建模 （FEM） 可以模擬物理世界，而無需構(gòu)建物理原型的費用、時間或風(fēng)險。有限元可以預(yù)測現(xiàn)實世界的力、振動、熱量和其他物理效應(yīng)將如何影響封裝，幫助識別潛在的弱點并評估產(chǎn)品失效的方式和時間。FEM 與測試結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，然后與最終組裝的模塊結(jié)合使用。

隨著芯片制造商繼續(xù)將更多芯片封裝得更近，熱效應(yīng)尤為重要。有限元模擬傳熱和溫度分布，使工程師能夠評估熱管理策略，識別熱點，并預(yù)測不同材料之間由熱膨脹失配 （TCE） 引起的應(yīng)力、應(yīng)變和翹曲。硅的TCE為2.6 ppm/°C;砷化鎵的含量為 6.86 ppm/°C;銅的TCE為16.7 ppm/°C;錫鉛焊料的 TCE 為 27 ppm/°C，F(xiàn)R4 基板的 TCE 為 11 至 17 ppm/°C。

“你可以將多小芯片系統(tǒng)視為帶有中介層的夾層，然后是芯片 1、芯片 2 等，然后是成型、熱界面材料和散熱器，”Lin 說。“最大限度地減少翹曲的一種方法是逐漸減細(xì)材料的 CTE，因為如果任何兩層之間的 CTE 差異太大， 你創(chuàng)建了一個具有大翹曲的界面，所以最好在垂直方向上平衡這些屬性。

另一個顯著影響翹曲行為的材料屬性是楊氏模量，它是其彈性或剛度的量度。例如，單晶硅在<100>方向的模量為130 GPa，但在<111>方向為188 GPa。這種差異影響基于硅的器件的電氣性能，并且是晶圓選擇的關(guān)鍵決定因素。

晶圓減薄
過程中的潛在分層晶圓減薄正在成為各種設(shè)備的常見做法，尤其是需要超薄外形的移動應(yīng)用。2.5D 和 3D 的先進封裝要求將硅薄化至 100μm 以下。

載體和器件晶圓之間的臨時鍵合材料必須在背面研磨過程中承受強大的離心力。3D Integration 研發(fā)工程師 Nader Jedidi 和 imec 的同事最近在背磨期間評估了 Brewer Science 的 VersaLayer 系統(tǒng)。[1] “根據(jù)多層BEOL堆棧（電介質(zhì)/金屬材料、厚度、設(shè)計）和工藝條件，通常是沉積和烘烤溫度，器件硅片在減薄過程中可能會明顯翹曲?；迮c堆疊電介質(zhì)層和金屬層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配是驅(qū)動晶圓形狀的最重要因素之一。沉積或具有大 CTE 失配、大楊氏模量和厚度（即：厚而硬的材料）的層的生長肯定會導(dǎo)致晶圓顯著彎曲，“作者說。

該項目證實，非翹曲晶圓在研磨過程中不會分層?！霸谘心r，當(dāng)基板厚度減小時，基板的彎曲剛度不斷減小，晶圓彎曲度增加。為了使頂部晶圓保持與載體的粘合，需要 TBM/RL（臨時鍵合材料/離型層）系統(tǒng)來補償越來越大的剝離力矩。低于一定的硅厚度，后者將足夠大，以克服最弱界面內(nèi)的粘附力，導(dǎo)致邊緣區(qū)域頂部晶圓的脫粘/分層。

最后，imec的工作證實，在硅背面研磨過程中，有三個變量是晶圓分層的關(guān)鍵決定因素——硅靶材厚度、晶圓彎曲度以及研磨工藝負(fù)載條件下離型層對BEOL堆棧的附著強度?！皩τ诠潭ǘ褩ｍ攲樱⊿iO2、SiCN、SiNx等）以及固定的 RL/TBM 系統(tǒng)，設(shè)置硅目標(biāo)厚度，通常為 ≤100μm，相當(dāng)于設(shè)置弓形的工藝窗口，或者，為無分層減薄所允許的最大弓形。

帶蓋與無蓋組裝
一些封裝設(shè)計人員在半導(dǎo)體封裝上使用蓋子將熱量從芯片/TIM 傳播到散熱器，但使用蓋子各有利弊。它們使封裝更厚，并且在某些情況下無法像無蓋解決方案那樣有效地散熱，在無蓋解決方案中，芯片更直接地與散熱器連接。

“存在有蓋設(shè)計與無蓋設(shè)計的整個問題。一些客戶更喜歡無蓋，因為蓋子材料與硅和散熱器不同。該蓋子的剛度無法很好地固定整個多芯片系統(tǒng)，“新思科技的 Lin 說。

當(dāng)需要蓋子時，它們可以用可伐合金、合金 52 或陶瓷（用于氣密密封）或鍍鎳銅等材料制成。事實上，全金屬封裝通常用于高性能計算/HBM 應(yīng)用。

在封裝中，超過 90% 的熱量從芯片頂部通過封裝散發(fā)到散熱器，散熱器通常是帶有垂直翅片的陽極氧化鋁基。具有高導(dǎo)熱性的熱界面材料 （TIM） 放置在芯片和封裝之間，以幫助傳遞熱量。

TIM 有多種外形尺寸可供選擇，能夠填充封裝內(nèi)的微小間隙。Amkor Technology Korea 的工藝/材料研究總監(jiān) MinJae Kong 和同事最近使用倒裝芯片蓋 BGA 研究了增加銦金屬 TIM 中銀含量對封裝翹曲的影響。[2] “銦具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、對器件的高附著力和耐用性。因此，銦金屬熱界面材料（TIM）有望作為高性能半導(dǎo)體和電子器件的熱管理解決方案發(fā)揮重要作用，“孔說。

不能使用純銦，因為它在焊料回流溫度 （250°C） 下熔化?；诳煽啃詼y試、陰影摩爾紋翹曲評估以及有限元分析的翹曲和仿真結(jié)果，Amkor研究表明，降低銦合金中的銀含量會導(dǎo)致更大的TIM覆蓋率下降，并在高溫下增加封裝和芯片翹曲。

“考慮到這些發(fā)現(xiàn)，在進行回流焊的FCLBGA封裝中使用銀含量較高的銦合金在TIM覆蓋率方面可能是有利的。然而，該假設(shè)僅適用于在室溫和高溫下具有較大翹曲撓度的 FCLBGA 封裝。未來對每種合金的研究將需要側(cè)重于進一步減少封裝翹曲和保持 TIM 覆蓋率的實際措施，“Kong 說。

質(zhì)量回流焊、TCB、反向激光輔助鍵合
回流焊有多種選擇，每種都有其自身的優(yōu)點和缺點。質(zhì)量回流焊是原始且最便宜的方法，但當(dāng)涉及到具有細(xì)凸塊（<45μm 線/空間）的大/薄基板封裝時，其性能受到限制。

熱壓粘合 （TCB） 已經(jīng)生產(chǎn)多年。它的工作原理是對組件施加向下壓力和高溫（250°C 至 400°C，取決于金屬），因此相對于質(zhì)量回流焊的翹曲得到改善。但工具生產(chǎn)率低于質(zhì)量回流焊或反向激光輔助鍵合 （R-LAB）。TCB 的高壓和高溫導(dǎo)致金屬與金屬的混合和粘合。

激光輔助鍵合取決于金屬之間關(guān)鍵界面的局部加熱。近年來，Amkor工程師開發(fā)了反向?qū)嶒炇?，通過對激光波長透明的底層載物臺塊進行局部熱凸點。去年，該公司開始探索激光輔助 TCB，它與在基板上使用背面金屬化和小芯片模塊鍵合（模制硅芯片）鍵合的應(yīng)用兼容。

“反向激光壓縮鍵合 （R-LTC） 本質(zhì)上是 R-LAB 和 TCB 的組合，針對高翹曲和大翹曲模塊。R-LTC 的一個優(yōu)點是它有助于最大限度地減少芯片的熱應(yīng)力，因為凸塊潤濕主要是通過反向激光加熱完成的，“Amkor Technology Korea 高級總監(jiān)或產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān) Seokha Na 說。[3] 鍵合頭通過結(jié)合溫度、壓力和力來控制支架高度、對準(zhǔn)和芯片傾斜。它向模塊傳遞的熱量比 TCB 少。

圖 1：反向激光壓縮鍵合將激光器的局部加熱與對峙高度、對準(zhǔn)和芯片傾斜的鍵合頭控制相結(jié)合。來源：Amkor

嵌入式芯片結(jié)構(gòu)的翹曲
節(jié)能電子設(shè)備通常涉及嵌入層壓堆積層中的一個或多個芯片，以在薄而小的占地面積內(nèi)實現(xiàn)高性能和良好的散熱。日月光工程師Wei-Hong Lai及其同事評估了半導(dǎo)體嵌入基板（SESUB）技術(shù)中的帶狀翹曲控制。[4]

“構(gòu)建了一種有限元方法（FEM），并進行了實驗基準(zhǔn)測試，用于翹曲驗證。Taguchi設(shè)計響應(yīng)表明，具有低CTE特性和較薄的芯片厚度的基材樹脂層是影響翹曲的關(guān)鍵因素，“作者說。使用3D數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在室溫和高溫下測量帶材的翹曲（見圖2）。

圖2：使用四分之一的條帶進行有限元分析。資料來源：日月光

“有限元法 （FEM） 是數(shù)值模型和分析帶材水平翹曲的首選方法。對基板結(jié)構(gòu)進行了等效銅比效應(yīng)和逐層疊層的考慮。根據(jù)設(shè)計規(guī)則，嵌入式芯片放置也分布到帶材布局中，“他們說

有趣的是，室溫下的翹曲幅度大約是 260°C 下的 3 倍。 使用田口法，某些條件會嚴(yán)重影響翹曲，包括芯片厚度，從而提高帶材的剛度，在基板樹脂、層壓電介質(zhì)和阻焊層中使用低CTE和低模量材料。通過選擇最佳材料并用銅構(gòu)建布局，平衡以及使用比底部樹脂更厚的頂部樹脂，有助于減少 50% 的翹曲。

結(jié)論
有限元建模長期以來一直被用于優(yōu)化封裝布局，但現(xiàn)在它正在更小的尺度上得到應(yīng)用，以最好地了解薄膜在加工和多次熱循環(huán)中如何相互作用。

為了防止晶圓在薄化過程中拉伸到僅 50 微米的硅片中分層，三個因素特別影響翹曲——剩余的芯片厚度、高 CTE 失配和高楊氏模量，這些因素會導(dǎo)致更多的晶圓彎曲。優(yōu)化這些參數(shù)有助于防止減薄過程中的分層。

在先進封裝中，可以考慮粘合技術(shù)，包括熱壓粘合、反向激光輔助粘合和相對較新的反向熱壓縮粘合 （R-LTC）。R-LTC 可以提供更好的對準(zhǔn)和更低的隔離厚度，這是多芯片封裝中的重要問題。

翹曲在裝配過程中已經(jīng)并將需要采取控制措施，包括回流焊工具的選擇，以及選擇兼容的 CTE 材料，以及僅在堆棧中逐漸改變 CTE。具有低 CTE 和低楊氏模量的新型材料有助于改善晶圓和芯片彎曲。