科研前線 | 劍指臺積電？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，臺積電以晶圓廠的資源整合優(yōu)勢吃下了封裝市場不小的份額，近日，中國臺灣日月光研究團(tuán)隊發(fā)表了對于多種先進(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，并對其與2.5D封裝的競爭頗為看好。

研究背景

隨著近年來人工智能、云計算、自動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高性能計算領(lǐng)域增長。與此同時，終端小型化的趨勢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微凸塊，同時其他基于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)計的特點。

總的來說，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)測試(TCT)可靠性是這一領(lǐng)域的熱點方向，學(xué)界進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。然而，對于2.5 D和FO封裝（chip-last與chip-first）的對比研究相對仍是匱乏。

日月光研究團(tuán)隊針對研究領(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)，常用來永久性固定微處理器之類的器件。

*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層和芯片貼裝兩個環(huán)節(jié)的先后次序。

研究內(nèi)容

日月光團(tuán)隊構(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，以及電路板級焊點的可靠性，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。

其主要研究內(nèi)容包括：

· 通過對比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)果和實驗觀測結(jié)果,驗證了仿真模型準(zhǔn)確有效；

· 對三種封裝的熱性能（主要是連接斷點到外部環(huán)境之間的熱阻）進(jìn)行校驗和比較；

· 采用25個因子設(shè)計和ANOVA方差分析*，測試了FOCoS封裝的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對典型熱符合工況下熱機械可靠性的影響。

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

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方差分析測試

前景展望

研究團(tuán)隊通過評估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，驗證了有限元模型的有效性，并且通過比較發(fā)現(xiàn)FOCoS相比2.5D封裝具有更好的電氣性能與熱性能，在熱膨脹錯配和散熱方面表現(xiàn)良好，日月光也對該技術(shù)替代硅中介層解決方案的寄予厚望，相信未來能在豐富的應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。

團(tuán)隊介紹

施孟鎧，中國臺灣國立虎尾科技大學(xué)助理教授、教務(wù)處綜合組組長，國立中正大學(xué)機械工程博士，曾就職于康寧玻璃、日月光半導(dǎo)體。研究方向為半導(dǎo)體IC封裝結(jié)構(gòu)與散熱分析、計算機輔助工程設(shè)計、精密量測、微結(jié)構(gòu)特性量測與分析。

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