本文由半導體産業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

機械應力隨著尺寸的增大和材料的異質性而增加。

翹曲在先進封裝中成爲一個日益嚴重的關注點，材料的異質混合可能在組裝和封裝過程中以及在現場真實負載下導致不均勻的應力點。

翹曲在確定先進封裝能否成功組裝並滿足長期可靠性目標中起著關鍵作用。新的進步，如具有改進熱性能的封裝化合物、先進的建模技術以及涉及兩個封裝步驟的創新架構，正在使對封裝翹曲的控制更加嚴格，同時也爲優化一個健壯的多芯片系統提供了更多的靈活性。

翹曲是硅芯片、封裝化合物、銅、聚酰亞胺和其他材料之間熱膨脹系數（CTE）不匹配的必然結果。它在整個組裝過程中發生變化，並可能導致開裂或分層故障。最脆弱的點包括低k核心，這些核心容易受到開裂和短路的影響，或者微凸點的非濕潤故障。

“目前非常熱門的一個話題是關于封裝的翹曲和應力，”

Synopsys産品管理高級總監Kenneth Larsen說。“這不僅僅是在制造過程中，當你改變溫度時。那可能導致翹曲。但當你需要將正在構建的設備插入插座時，也可能會遇到翹曲問題。”

即使在組裝和封裝過程中有效地解決了翹曲問題，設備在現場的重負荷使用下仍可能翹曲。這在異構設計中尤其如此，其中芯片使用不同的材料或工藝開發，並且邏輯集中在非對稱封裝的特定區域。

由于對越來越高的處理速度和低延遲的需求，尤其是在移動、汽車和高性能計算/AI應用中，向多芯片封裝的轉變正在迅速加速。工程師越來越多地轉向建模和仿真來理解溫度依賴的翹曲，這種翹曲可能會因芯片厚度、模具與硅的比例和基板類型而有所不同。有機基板非常吸引人，因爲它們價格便宜，並且可以定制到任何大小，但它們比硅基板更加靈活，更容易翹曲。

所有這些考慮都指向了對複雜異構組裝和封裝的熱和結構模型的需求。“先進的建模允許公司在組裝過程中模擬不同材料的行爲、熱動力學和機械應力，”Amkor芯片/FCBGA集成副總裁Mike Kelly說。“通過這種虛擬實驗，可以預測和減輕潛在的挑戰，確保最終産品滿足嚴格的質量和可靠性標准。”

組裝過程包括多個加熱和冷卻步驟，這些步驟會在具有不同熱和機械性能的相鄰材料之間引起一定程度的變形。在先進封裝中，100微米範圍內的翹曲並不罕見。

翹曲之所以成爲當今的問題之一，是因爲芯片尺寸較大，芯片、重分布層（RDL）、基板和各種尺寸的凸點的工藝窗口非常緊密。相鄰材料的相對膨脹和收縮取決于材料CTE的差異，這表明了溫度每變化一度尺寸的增加（ppm/°C）。

“芯片通常相對較大的芯片，”Promex Industries的首席執行官Dick Otte說。“在iPad中，它是20 x 30毫米，有多達10,000個I/O - 通常是銅柱。僅僅將一個單獨的芯片放在基板上可能是一個相當大的挑戰，因爲間距非常小。所以對于這些封裝來說，控制翹曲和平整度是至關重要的。它需要在整個回流焊接過程中保持平整，以在不翹曲的情況下彌合銅柱和電路板上的接觸點之間的差距。”

翹曲可以向上發生，邊緣彎曲，或者向下，這取決于堆疊材料中材料的相對CTE。例如，硅是2.8；銅是17；FR4 PCB是14到17 ppm/°C。硅中介和有機基板之間的CTE差異最嚴重。

將封裝中的堆疊想象爲材料組是有幫助的。“你必須查看材料的CTE以及它們在溫度下的反應，所以你在頂部有相對較低的膨脹銅，在底部有焊料，”Otte說。“它們在中間有一個高膨脹的介電質，所以當你加熱這個東西時，它以相同的數量膨脹。如果你只是在頂部放所有的銅，當你加熱它時，這個東西會向銅側翹曲。銅是每攝氏度15 ppm。有機物更像是兩倍，25到30 ppm/°C。”

其他關鍵指標是模量，即材料的彈性，以及玻璃化轉變溫度（Tg），即材料開始流動的溫度。這些值也是相關的。例如，當涉及像環氧塑封料（EMC）這樣的聚合物的熱行爲時，模量往往會在其玻璃化轉變溫度以上急劇下降。這是因爲聚合物鏈在液態下傾向于自由滑動，而在固態下則更硬。

除了焊接回流外，翹曲還傾向于在成型後固化步驟中發生。ASE的Hung-Chun Yang及其同事最近確定，芯片厚度在現有的芯片首次扇出封裝工藝中顯著影響多個步驟測量的翹曲水平。他們指出，“固化後發生嚴重的晶圓翹曲，導致後續工藝中的對齊和處理困難。”爲了減少封裝翹曲，團隊用玻璃載體替代了金屬載體/薄膜方法。團隊還確定，三維有限元方法（FEM）能夠捕捉翹曲行爲，並與實際測試車輛數據吻合良好。

圖1: 改進後的流動（右）中的玻璃載體引起的翹曲比原來的流動小。增加模具厚度也大大減少了翹曲。來源:ASE

芯片首次工藝首先對制造的晶圓進行探測，然後減薄並在鋸切前電鍍銅柱。最初的工藝使用在成型後移除的金屬載體，並用薄膜替換。改進的工藝使用通過成型、固化、模具磨削、RDL和銅柱工藝的玻璃載體，然後解鍵合。

翹曲在後模固化期間達到最大水平，在固化步驟和玻璃載體解鍵合後變化最爲顯著。玻璃載體流動總體上減少了翹曲。此外，ASE工程師確定，通過將晶圓厚度從0.54mm增加到0.7mm，可以額外減少35%的翹曲。

減少翹曲的第二種策略涉及使用具有不同熱性能的EMC，特別是當工藝需要兩個成型步驟時。Amkor工程師最近通過建模和制造兩個高性能測試車輛來評估兩個高性能多芯片封裝的可靠性性能。其中一個模塊大約一個網板大小，包含1個ASIC、2個HBM和2個橋接芯片（33 x 26mm）。第二個模塊是3個網板大小，有2個ASIC、8個HBM和10個橋接芯片（54 x 46mm）。Amkor Technology Korea的Heejun Jang及其同事使用Ansys參數設計語言（APDL）版本16.1模擬器進行建模和仿真，並將結果與包含虛擬芯片的測試車輛進行比較。

Amkor的最後芯片S-Connect工藝從載體晶圓開始，在該晶圓上制造橋接芯片的銅柱和銅柱（見圖2）。集成被動元件和橋接芯片嵌入在第一個模具中，該模具固化後磨回。在模具上沉積RDL和焊盤，使用微凸點將芯片連接到焊盤上。然後，重新流動焊料並進行下填充。第二個模具圍繞朝上的芯片固化並磨回，然後在底部進行C4凸點以進行翻轉芯片連接到基板。仿真分析了9種組合的翹曲，這些組合由3種不同EMC組成，具有高、中、低CTE（Tg以下7至12 ppm，Tg以上22至46 ppm）和高至低玻璃化轉變溫度（145°C至175°C）。

圖2: S-Connect封裝的工藝流程。來源:Amkor

翹曲作爲EMC選擇的函數顯示所有材料在室溫下都遵循相同的微笑模式，在高溫（250°C）下遵循哭泣模式。具有較低CTE的EMC引起的翹曲較少。在模具相對于芯片面積占據更多區域的情況下，翹曲水平更加明顯。更重要的是，450µm芯片的翹曲水平大約比650µm厚的芯片高出50%。有趣的是，較厚的硅芯片在控制整體模塊翹曲方面比EMC材料選擇有效3倍，因此芯片厚度是減少翹曲的最大杠杆，如果可能的話。

Amkor對其先進的封裝測試車輛進行了耐濕性測試、高度加速應力測試、熱循環條件B和高溫存儲測試。這些測試需要根除早期故障問題，橫截面分析可以揭示任何可能導致實際使用中故障的裂紋或潛在缺陷。

雖然上述示例可能構成今天的大多芯片封裝，但封裝尺寸仍在增長，這意味著需要更多關注翹曲。這將越來越多地推動裝配線朝著數字孿生或虛擬表示發展，以實現過程和封裝優化。

“通過創建半導體裝配線的虛擬表示，可以確定潛在的關注領域並優化控制策略，”Amkor的Kelly說。“虛擬制造在封裝組裝中使公司能夠在創建物理原型之前評估設計變更對制造過程的影響。這不僅加速了産品開發周期，還最小化了昂貴錯誤的風險。”

早期識別潛在瓶頸進一步縮短周期時間，提高整體效率。

展望未來，由設計師和封裝工程師組成的團隊將需要更加關注機械和熱性能。“新封裝設計中的緊密公差要求在堆疊過程中准確分析機械和電氣公差，”Amkor的工程和技術營銷副總裁Curtis Zwenger說。“需要更高水平的工藝能力，具有常見的指標如CpK。通過這種建模，可以在工藝開發早期識別這些關鍵交互。反過來，這些分析指導了先進過程控制的投資，以確保保持工藝能力。”

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