科研前線 | 劍指臺(tái)積電？日月光發(fā)表先進(jìn)封裝成果

先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展路上，臺(tái)積電以晶圓廠的資源整合優(yōu)勢(shì)吃下了封裝市場(chǎng)不小的份額，近日，中國(guó)臺(tái)灣日月光研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了對(duì)于多種先進(jìn)封裝的研究成果，較為全面地展示了自身FOCoS先進(jìn)封裝技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其與2.5D封裝的競(jìng)爭(zhēng)頗為看好。

研究背景

隨著近年來(lái)人工智能、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛和智能制造等新興技術(shù)領(lǐng)域崛起，行業(yè)需求反哺HPC高性能計(jì)算領(lǐng)域增長(zhǎng)。與此同時(shí)，終端小型化的趨勢(shì)則要求集成電路器件有用更密集的互連、更小的封裝尺寸、更好的電氣性能和更經(jīng)濟(jì)的解決方案成本。而傳統(tǒng)的FCBGA*封裝技術(shù)受到有機(jī)襯底尺寸和I/O密度的限制。因此，諸如2.5D封裝等先進(jìn)封裝技術(shù)相繼被提出，其中硅中介層*和TSV硅通孔被用來(lái)橋接各模塊和封裝載板之間的微小間距（下圖a）。

典型的2.5D封裝中，GPU、HBM和中介層之間可能包含成百上千個(gè)微凸塊，同時(shí)其他基于FO技術(shù)的可選擇工藝技術(shù)也被提出（下圖b），日月光公司稱(chēng)之為FOCoS（Fan Out Chip on Substrate，扇出型板上封裝），該工藝可適應(yīng)chip-last或chip-first*兩種封裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，不斷降低2.5 D封裝和FO封裝的翹曲以及提高溫度循環(huán)測(cè)試(TCT)可靠性是這一領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向，學(xué)界進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。然而，對(duì)于2.5 D和FO封裝（chip-last與chip-first）的對(duì)比研究相對(duì)仍是匱乏。

日月光研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)研究領(lǐng)域空白進(jìn)行了相關(guān)研究，其成果以“Thermal and Mechanical Characterization of 2.5-D and Fan-Out Chip on Substrate Chip-First and Chip-Last Packages”為題發(fā)表于IEEE TCPMT二月刊，施孟鎧為第一作者及通訊作者。

*FCBGA，全稱(chēng)Flip Chip Ball Grid Array、倒裝芯片球柵格陣列，一種表面貼裝技術(shù)，常用來(lái)永久性固定微處理器之類(lèi)的器件。

*硅中介層，在晶圓片（die）與封裝載板間引入以集成電路制造工藝制造的硅質(zhì)線路板，相較PCB板擁有更密的互連線路，使得die間互連效率大大提升。

*chip-last/chip-first，主要區(qū)別在RDL層和芯片貼裝兩個(gè)環(huán)節(jié)的先后次序。

研究?jī)?nèi)容

日月光團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了非線性仿真技術(shù)(三維仿真模型)，研究三種封裝的翹曲、極限low-k條件下的互連應(yīng)力、重分布層(RDL)的跡應(yīng)力，以及電路板級(jí)焊點(diǎn)的可靠性，發(fā)現(xiàn)較薄的PI(聚酰亞胺)層可以減小PI層和RDL層trace之間的熱膨脹失配，從而提高封裝的可靠性。

其主要研究?jī)?nèi)容包括：

· 通過(guò)對(duì)比FOCoS芯片末封裝在30℃-260℃溫度范圍內(nèi)平面內(nèi)尺寸變化的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了仿真模型準(zhǔn)確有效；

· 對(duì)三種封裝的熱性能（主要是連接斷點(diǎn)到外部環(huán)境之間的熱阻）進(jìn)行校驗(yàn)和比較；

· 采用25個(gè)因子設(shè)計(jì)和ANOVA方差分析*，測(cè)試了FOCoS封裝的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)典型熱符合工況下熱機(jī)械可靠性的影響。

*ANOVA方差分析,全稱(chēng)Analysis of Variance，又稱(chēng)“變異數(shù)分析”，用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。

三種封裝的工藝步驟比較

三種封裝橫截面比較：（a）2.5D封裝；（b）chip-first FOCoS；（c）chip-last FOCoS

器件參數(shù)信息

環(huán)氧塑封料的楊氏模量/熱應(yīng)變與溫度的變化曲線

三維TCoB（板上熱循環(huán)）分析模型

ANOVA方差分析測(cè)試

前景展望

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)評(píng)估2.5、D封裝、兩種FOCoS封裝這三種異質(zhì)集成封裝的力學(xué)性能和熱性能，驗(yàn)證了有限元模型的有效性，并且通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)FOCoS相比2.5D封裝具有更好的電氣性能與熱性能，在熱膨脹錯(cuò)配和散熱方面表現(xiàn)良好，日月光也對(duì)該技術(shù)替代硅中介層解決方案的寄予厚望，相信未來(lái)能在豐富的應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。

團(tuán)隊(duì)介紹

施孟鎧，中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立虎尾科技大學(xué)助理教授、教務(wù)處綜合組組長(zhǎng)，國(guó)立中正大學(xué)機(jī)械工程博士，曾就職于康寧玻璃、日月光半導(dǎo)體。研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體IC封裝結(jié)構(gòu)與散熱分析、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)、精密量測(cè)、微結(jié)構(gòu)特性量測(cè)與分析。

論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9690518