緩解多芯片系統(tǒng)中的翹曲問題

（本文編譯自semiconductor Engineering）

在多芯片封裝中，芯片、重分布層和中介層的翹曲問題日益突出，且會對這類器件的性能與可靠性產(chǎn)生顯著影響。

造成翹曲的因素有很多，包括芯片尺寸增大、硅基板大幅減薄、臨時鍵合和解鍵合工藝，以及凸點(diǎn)間距和尺寸的縮小。這些因素都會影響整體結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，芯片在制造和運(yùn)行過程中會經(jīng)歷多次熱循環(huán)，這可能導(dǎo)致先進(jìn)封裝出現(xiàn)芯片分層、開裂，甚至凸點(diǎn)缺失的問題。

新思科技3D-IC多物理仿真和硬件安全首席產(chǎn)品經(jīng)理Lang Lin表示：“凸點(diǎn)陣列是發(fā)生翹曲時最關(guān)鍵的部分，因?yàn)槁N曲可能產(chǎn)生空隙乃至裂紋，這些物理斷開會對系統(tǒng)造成損害。”

微凸點(diǎn)必須滿足嚴(yán)格的平面度要求。例如，回流焊過程中施加的任何應(yīng)力，都容易引起翹曲和彎曲。芯片制造商和模塊設(shè)計(jì)師目前采用的部分翹曲緩解策略包括：

• 從設(shè)計(jì)到系統(tǒng)層面仿真材料相互作用、熱分布和翹曲；

• 平衡關(guān)鍵材料界面處的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

• 為多芯片模塊選擇最佳回流焊工藝（TCB、反向激光TCB等）；

• 選擇最佳的晶圓減薄臨時粘合劑

• 策略性地使用TSV和金屬層，將熱量從有源器件中導(dǎo)出。

多物理場仿真的優(yōu)勢

在先進(jìn)封裝設(shè)計(jì)的早期階段，多物理場仿真便已投入使用。有限元建模（FEM）能夠在不耗費(fèi)成本、時間，且無需承擔(dān)物理原型制作風(fēng)險的前提下，對物理世界進(jìn)行仿真。FEM可以預(yù)測現(xiàn)實(shí)中的力、振動、熱量和其他物理效應(yīng)將如何影響封裝，從而幫助識別潛在的薄弱點(diǎn)，并評估產(chǎn)品失效的方式和時間。FEM通常與測試結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，隨后再應(yīng)用于最終的組裝模塊。

隨著芯片制造商不斷將更多芯片封裝得更緊密，熱效應(yīng)變得尤為重要。FEM可對熱傳遞和溫度分布進(jìn)行仿真，使工程師能夠評估熱管理策略、識別熱點(diǎn)，并預(yù)測因不同材料間的熱膨脹失配(TCE)引起的應(yīng)力、應(yīng)變和翹曲。各類材料的熱膨脹系數(shù)如下：硅為2.6 ppm/°C；砷化鎵為6.86 ppm/°C；銅為16.7 ppm/°C；錫鉛焊料為27 ppm/°C；FR4基板則為11-17 ppm/°C。

Lin表示：“可以將多芯片系統(tǒng)看作一個三明治結(jié)構(gòu)，首先是中介層，然后是芯片1、芯片2等，最后是塑封料、熱界面材料和散熱器。最大程度減少翹曲的一種方法是逐漸減小材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)，因?yàn)槿绻魏蝺蓪又g的熱膨脹系數(shù)差異過大，就會在界面處產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲，因此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特性是楊氏模量，它是衡量材料彈性或剛度的指標(biāo)。例如，單晶硅在<100>晶向的模量為130 GPa，但在<111>晶向的模量為188 GPa。這種差異會影響硅基器件的電學(xué)特性，也是晶圓選擇的關(guān)鍵決定因素。

晶圓減薄過程中的潛在分層

晶圓減薄正成為各種器件的常見工藝，尤其適用于對超薄外形有要求的移動設(shè)備領(lǐng)域。2.5D與3D先進(jìn)封裝技術(shù)，更是要求將硅晶圓減薄至100微米以下。

載體和器件晶圓之間的臨時鍵合材料，必須能承受背面研磨過程中的強(qiáng)大離心力。Imec 3D集成研發(fā)工程師Nader Jedidi和其同事最近開展了一項(xiàng)研究，評估了Brewer Science的VersaLayer系統(tǒng)在背面研磨過程中的性能。研究人員指出：“根據(jù)多層BEOL堆棧（電介質(zhì)/金屬材料、厚度、設(shè)計(jì)）和工藝條件（通常是沉積和烘烤溫度）的不同，器件硅晶圓在減薄過程中可能會發(fā)生明顯翹曲。基板與堆疊結(jié)構(gòu)中介質(zhì)層和金屬層之間的熱膨脹系數(shù)失配，是決定晶圓形變的最重要因素之一。若沉積或生長的材料層存在較大熱膨脹系數(shù)差異、較高楊氏模量且厚度較大（即‘厚且硬’的材料），必然會導(dǎo)致晶圓發(fā)生顯著彎曲。”

該研究證實(shí)，無翹曲晶圓在研磨過程中不會發(fā)生分層。“在研磨過程中，隨著基板厚度的減小，基板的抗彎剛度不斷減小，晶圓翹曲度不斷增大。為了使頂部晶圓保持與載體的鍵合，需要臨時鍵合材料/脫模層（TBM/RL）系統(tǒng)來補(bǔ)償不斷增大的脫鍵力矩。當(dāng)硅基本厚度低于一定值時，脫鍵力矩將足以克服最薄弱界面處的粘附力，導(dǎo)致頂部晶圓在邊緣區(qū)域發(fā)生脫鍵/分層。”

最后，imec 的研究證實(shí)，在背面硅研磨過程中，有三個變量是決定晶圓分層的關(guān)鍵因素——硅靶厚度、晶圓翹曲度，以及在研磨工藝的載荷條件下，脫模層與BEOL疊層之間的粘附強(qiáng)度。“對于固定的疊層頂層（SiO2、SiCN、SiNx等）和固定的RL/TBM系統(tǒng)，設(shè)定硅靶厚度（通常≤100μm）相當(dāng)于設(shè)定翹曲度的工藝窗口，或者說，設(shè)定允許無分層減薄的最大翹曲度。”

帶蓋封裝與無蓋封裝對比

一些封裝設(shè)計(jì)師在半導(dǎo)體封裝上使用蓋板，以便將芯片/TIM產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱器，但使用蓋板有利有弊。蓋板會增加封裝厚度，且在某些情況下，散熱效率不如無蓋解決方案，因?yàn)闊o蓋設(shè)計(jì)中芯片能更直接地與散熱器接觸。

當(dāng)需要使用蓋板時，其制造材料可選用可伐合金（Kovar）、52 號合金（Alloy 52）、陶瓷（用于氣密性封裝）或鍍鎳銅。事實(shí)上，全金屬封裝通常用于高性能計(jì)算/HBM應(yīng)用。

在封裝結(jié)構(gòu)中，超過90%的熱量會從芯片頂部通過封裝散發(fā)到散熱器，散熱器通常采用陽極氧化鋁材質(zhì)，并帶有垂直散熱片。為助力熱量傳導(dǎo)，芯片與封裝之間會放置具有高導(dǎo)熱性的熱界面材料（TIMs）。

TIM具有多種尺寸規(guī)格，能夠填充封裝內(nèi)的微小間隙。安靠科技(Amkor Technology Korea)韓國工藝/材料研究總監(jiān)MinJae Kong及其同事最近開展了一項(xiàng)研究，采用倒裝芯片帶蓋球柵陣列（FCLBGA）封裝結(jié)構(gòu)，探究提高銦金屬基熱界面材料中銀含量對封裝翹曲的影響。Kong表示：“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TIM有望在高性能半導(dǎo)體和電子器件的熱管理解決方案中發(fā)揮重要作用。”

純銦不能直接使用，因?yàn)樗诤噶匣亓鳒囟龋?50°C）下會熔化。基于可靠性測試、陰影莫爾條紋翹曲評估，以及有限元分析的翹曲和仿真結(jié)果，Amkor的研究表明，在高溫環(huán)境下，降低銦合金中的銀含量會導(dǎo)致熱界面材料的覆蓋度顯著下降，同時加劇封裝與芯片的翹曲程度。

Kong表示：“綜合這些研究結(jié)果來看，對于經(jīng)過回流焊的FCLBGA封裝，使用銀含量更高的銦合金，可能在TIM覆蓋率方面更具優(yōu)勢。然而，這一假設(shè)僅適用于室溫和高溫下均存在較大翹曲變形的FCLBGA封裝。”

批量回流焊、TCB、反向激光輔助鍵合

回流焊有多種工藝選擇，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。批量回流焊是最早且成本最低的方法，但對于帶有細(xì)小凸點(diǎn)（線寬/間距<45μm）的大型/薄型基板封裝，其性能會受到限制。

熱壓鍵合(TCB)已投入生產(chǎn)多年。其工作原理是對封裝組件施加向下壓力和高溫（250°C至400°C，具體取決于金屬材料）實(shí)現(xiàn)鍵合，因此相對于批量回流焊，翹曲得到了改善。但其設(shè)備生產(chǎn)效率低于批量回流焊或反向激光輔助鍵合(R-LAB)。此外，TCB的高壓和高溫會導(dǎo)致金屬間發(fā)生混合并形成鍵合。

激光輔助鍵合依賴于金屬間關(guān)鍵界面的局部加熱。近年來，Amkor工程師開發(fā)了反向LAB技術(shù)，通過對激光波長透明的底層平臺，對凸點(diǎn)進(jìn)行局部加熱。過去一年中，該公司開始探索激光輔助TCB技術(shù)，該技術(shù)適用于采用背面金屬化的應(yīng)用場景，以及芯片模塊（塑封硅芯片）與基板的鍵合工藝。

“反向激光壓縮鍵合(R-LTC)本質(zhì)上是R-LAB和TCB的結(jié)合，適用于翹曲程度高且較大的模塊設(shè)計(jì)。R-LTC的優(yōu)勢之一是它有助于最大限度地降低芯片的熱應(yīng)力，因?yàn)橥裹c(diǎn)浸潤主要通過反向激光加熱完成，”安靠科技韓國公司產(chǎn)品開發(fā)高級總監(jiān)Seokha Na表示。鍵合頭通過結(jié)合溫度、壓力和作用力，來控制間隙高度、對準(zhǔn)度和芯片傾斜度。與TCB相比，它向模塊傳遞的熱量更少。

圖1：反向激光壓鍵合技術(shù)將激光的局部加熱與鍵合頭對間隙高度、對準(zhǔn)精度和芯片傾斜的控制相結(jié)合。

（來源：Amkor）

嵌入式芯片結(jié)構(gòu)的翹曲問題

高能效電子器件通常需要將一個或多個芯片嵌入層壓增層中，以在輕薄小巧的封裝中實(shí)現(xiàn)高性能和良好散熱。日月光半導(dǎo)體（ASE）工程師Wei-Hong Lai及其同事評估了半導(dǎo)體基板嵌入式(SESUB)技術(shù)中的條帶級翹曲控制。

研究人員指出：“本研究構(gòu)建了一種有限元方法(FEM)，并通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行基準(zhǔn)測試以驗(yàn)證翹曲預(yù)測結(jié)果。田口設(shè)計(jì)響應(yīng)分析表明，具有低熱膨脹系數(shù)(CTE)的基板樹脂層和較薄的芯片厚度是影響翹曲變形的關(guān)鍵因素。”研究團(tuán)隊(duì)使用3D數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，在室溫和高溫下測量了帶材的翹曲變形程度（見圖2）。

圖2：使用四分之一帶材進(jìn)行有限元分析。

（來源：ASE）

他們表示：“有限元法（FEM）是用于條帶級翹曲數(shù)值建模與分析的優(yōu)選方法。在建模過程中，需考慮基板結(jié)構(gòu)的等效銅占比效應(yīng)及逐層堆疊方式；同時，需根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則，將嵌入式芯片的布局分布到條帶布局中。”

有趣的是，條帶在室溫下的翹曲程度比260°C下高出約3倍。采用田口方法，某些條件對翹曲影響很大，包括芯片厚度（可提高條帶剛度）、在基板樹脂、層壓電介質(zhì)和阻焊層中使用低熱膨脹系數(shù)和低模量材料。研究表明，通過選擇最佳材料、設(shè)計(jì)含銅的版圖結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)平衡），以及使用比底部樹脂更厚的頂部樹脂，可將翹曲降低50%。

結(jié)語

長期以來，有限元建模一直用于優(yōu)化封裝布局，如今該技術(shù)正被應(yīng)用于更微觀的尺度，以深入了解薄膜在制造工藝及多次熱循環(huán)過程中的相互作用規(guī)律。

為了防止在硅片減薄至僅50微米的工藝中發(fā)生晶圓分層，有三個因素尤其會影響晶圓翹曲：剩余芯片厚度、較高的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配，以及較高的楊氏模量，這三個因素會加劇晶圓彎曲。優(yōu)化這些參數(shù)有助于防止減薄過程中發(fā)生分層。

先進(jìn)封裝中可考慮多種鍵合技術(shù)，包括熱壓鍵合（TCB）、反向激光輔助鍵合（R-LAB），以及相對較新的反向激光熱壓鍵合（R-LTC）。其中，R-LTC可提供更好的對準(zhǔn)精度和更低的間隙厚度，而這恰恰是多芯片封裝中的關(guān)鍵需求。

無論是現(xiàn)在還是未來，封裝組裝過程中都需采取翹曲控制措施，包括選擇回流焊工具、選擇兼容的CTE材料，以及在堆疊過程中材料的CTE呈梯度變化。此外，采用低CTE和低楊氏模量的新型材料，也有助于改善晶圓和芯片的翹曲問題。