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科研前线 | 剑指台积电?日月光发表先进封装成果

2022/03/18
2022
阅读需 6 分钟
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先进封装技术发展路上,台积电晶圆厂的资源整合优势吃下了封装市场不小的份额,近日,中国台湾日月光研究团队发表了对于多种先进封装的研究成果,较为全面地展示了自身FOCoS先进封装技术的技术优势,并对其与2.5D封装的竞争颇为看好。

研究背景

随着近年来人工智能云计算自动驾驶智能制造等新兴技术领域崛起,行业需求反哺HPC高性能计算领域增长。与此同时,终端小型化的趋势则要求集成电路器件有用更密集的互连、更小的封装尺寸、更好的电气性能和更经济的解决方案成本。而传统的FCBGA*封装技术受到有机衬底尺寸和I/O密度的限制。因此,诸如2.5D封装等先进封装技术相继被提出,其中硅中介层*和TSV硅通孔被用来桥接各模块和封装载板之间的微小间距(下图a)。

典型的2.5D封装中,GPU、HBM和中介层之间可能包含成百上千个微凸块,同时其他基于FO技术的可选择工艺技术也被提出(下图b),日月光公司称之为FOCoS(Fan Out Chip on Substrate,扇出型板上封装),该工艺可适应chip-last或chip-first*两种封装设计的特点。

总的来说,不断降低2.5 D封装和FO封装的翘曲以及提高温度循环测试(TCT)可靠性是这一领域的热点方向,学界进行了相当多的研究。然而,对于2.5 D和FO封装(chip-last与chip-first)的对比研究相对仍是匮乏。

日月光研究团队针对研究领域空白进行了相关研究,其成果以“Thermal and Mechanical Characterization of 2.5-D and Fan-Out Chip on Substrate Chip-First and Chip-Last Packages”为题发表于IEEE TCPMT二月刊,施孟铠为第一作者及通讯作者。

*FCBGA,全称Flip Chip Ball Grid Array、倒装芯片球栅格阵列,一种表面贴装技术,常用来永久性固定微处理器之类的器件。

*硅中介层,在晶圆片(die)与封装载板间引入以集成电路制造工艺制造的硅质线路板,相较PCB板拥有更密的互连线路,使得die间互连效率大大提升。

*chip-last/chip-first,主要区别在RDL层和芯片贴装两个环节的先后次序。

 

研究内容

日月光团队构建了非线性仿真技术(三维仿真模型),研究三种封装的翘曲、极限low-k条件下的互连应力、重分布层(RDL)的迹应力,以及电路板级焊点的可靠性,发现较薄的PI(聚酰亚胺)层可以减小PI层和RDL层trace之间的热膨胀失配,从而提高封装的可靠性。

其主要研究内容包括:

· 通过对比FOCoS芯片末封装在30℃-260℃温度范围内平面内尺寸变化的数值结果和实验观测结果,验证了仿真模型准确有效;

 

· 对三种封装的热性能(主要是连接断点到外部环境之间的热阻)进行校验和比较;

 

· 采用25个因子设计和ANOVA方差分析*,测试了FOCoS封装的主要结构设计参数对典型热符合工况下热机械可靠性的影响。

*ANOVA方差分析,全称Analysis of Variance,又称“变异数分析”,用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。

三种封装的工艺步骤比较

三种封装横截面比较:(a)2.5D封装;(b)chip-first FOCoS;(c)chip-last FOCoS

器件参数信息

环氧塑封料的杨氏模量/热应变与温度的变化曲线

三维TCoB(板上热循环)分析模型

ANOVA方差分析测试

前景展望

研究团队通过评估2.5、D封装、两种FOCoS封装这三种异质集成封装的力学性能和热性能,验证了有限元模型的有效性,并且通过比较发现FOCoS相比2.5D封装具有更好的电气性能与热性能,在热膨胀错配和散热方面表现良好,日月光也对该技术替代硅中介层解决方案的寄予厚望,相信未来能在丰富的应用领域占有一席之地。

 

团队介绍

施孟铠,中国台湾国立虎尾科技大学助理教授、教务处综合组组长,国立中正大学机械工程博士,曾就职于康宁玻璃、日月光半导体。研究方向为半导体IC封装结构与散热分析、计算机辅助工程设计、精密量测、微结构特性量测与分析。

论文原文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9690518

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