摘要：造成翘曲的因素有很多，包括芯片尺寸增大、硅基板大幅减薄、临时键合和解键合工艺，以及凸点间距和尺寸的缩小。这些因素都会影响整体结构的可靠性。此外，芯片在制造和运行过程中会经历多次热循环，这可能导致先进封装出现芯片分层、开裂，甚至凸点缺失的问题。

（本文编译自semiconductor Engineering）

在多芯片封装中，芯片、重分布层和中介层的翘曲问题日益突出，且会对这类器件的性能与可靠性产生显著影响。

造成翘曲的因素有很多，包括芯片尺寸增大、硅基板大幅减薄、临时键合和解键合工艺，以及凸点间距和尺寸的缩小。这些因素都会影响整体结构的可靠性。此外，芯片在制造和运行过程中会经历多次热循环，这可能导致先进封装出现芯片分层、开裂，甚至凸点缺失的问题。

新思科技3D-IC多物理仿真和硬件安全首席产品经理Lang Lin表示：“凸点阵列是发生翘曲时最关键的部分，因为翘曲可能产生空隙乃至裂纹，这些物理断开会对系统造成损害。”

微凸点必须满足严格的平面度要求。例如，回流焊过程中施加的任何应力，都容易引起翘曲和弯曲。芯片制造商和模块设计师目前采用的部分翘曲缓解策略包括：

从设计到系统层面仿真材料相互作用、热分布和翘曲；

平衡关键材料界面处的热膨胀系数（CTE）；

为多芯片模块选择最佳回流焊工艺（TCB、反向激光TCB等）；

选择最佳的晶圆减薄临时粘合剂

策略性地使用TSV和金属层，将热量从有源器件中导出。

多物理场仿真的优势

在先进封装设计的早期阶段，多物理场仿真便已投入使用。有限元建模（FEM）能够在不耗费成本、时间，且无需承担物理原型制作风险的前提下，对物理世界进行仿真。FEM可以预测现实中的力、振动、热量和其他物理效应将如何影响封装，从而帮助识别潜在的薄弱点，并评估产品失效的方式和时间。FEM通常与测试结构结合使用，随后再应用于最终的组装模块。

随着芯片制造商不断将更多芯片封装得更紧密，热效应变得尤为重要。FEM可对热传递和温度分布进行仿真，使工程师能够评估热管理策略、识别热点，并预测因不同材料间的热膨胀失配(TCE)引起的应力、应变和翘曲。各类材料的热膨胀系数如下：硅为2.6 ppm/°C；砷化镓为6.86 ppm/°C；铜为16.7 ppm/°C；锡铅焊料为27 ppm/°C；FR4基板则为11-17 ppm/°C。

Lin表示：“可以将多芯片系统看作一个三明治结构，首先是中介层，然后是芯片1、芯片2等，最后是塑封料、热界面材料和散热器。最大程度减少翘曲的一种方法是逐渐减小材料的热膨胀系数(CTE)，因为如果任何两层之间的热膨胀系数差异过大，就会在界面处产生严重翘曲，因此最好在垂直方向上平衡这些属性。”

另一个显著影响翘曲行为的材料特性是杨氏模量，它是衡量材料弹性或刚度的指标。例如，单晶硅在晶向的模量为130 GPa，但在晶向的模量为188 GPa。这种差异会影响硅基器件的电学特性，也是晶圆选择的关键决定因素。

晶圆减薄过程中的潜在分层

晶圆减薄正成为各种器件的常见工艺，尤其适用于对超薄外形有要求的移动设备领域。2.5D与3D先进封装技术，更是要求将硅晶圆减薄至100微米以下。

载体和器件晶圆之间的临时键合材料，必须能承受背面研磨过程中的强大离心力。Imec 3D集成研发工程师Nader Jedidi和其同事最近开展了一项研究，评估了Brewer Science的VersaLayer系统在背面研磨过程中的性能。研究人员指出：“根据多层BEOL堆栈（电介质/金属材料、厚度、设计）和工艺条件（通常是沉积和烘烤温度）的不同，器件硅晶圆在减薄过程中可能会发生明显翘曲。基板与堆叠结构中介质层和金属层之间的热膨胀系数失配，是决定晶圆形变的最重要因素之一。若沉积或生长的材料层存在较大热膨胀系数差异、较高杨氏模量且厚度较大（即‘厚且硬’的材料），必然会导致晶圆发生显著弯曲。”

该研究证实，无翘曲晶圆在研磨过程中不会发生分层。“在研磨过程中，随着基板厚度的减小，基板的抗弯刚度不断减小，晶圆翘曲度不断增大。为了使顶部晶圆保持与载体的键合，需要临时键合材料/脱模层（TBM/RL）系统来补偿不断增大的脱键力矩。当硅基本厚度低于一定值时，脱键力矩将足以克服最薄弱界面处的粘附力，导致顶部晶圆在边缘区域发生脱键/分层。”

最后，imec 的研究证实，在背面硅研磨过程中，有三个变量是决定晶圆分层的关键因素——硅靶厚度、晶圆翘曲度，以及在研磨工艺的载荷条件下，脱模层与BEOL叠层之间的粘附强度。“对于固定的叠层顶层（SiO2、SiCN、SiNx等）和固定的RL/TBM系统，设定硅靶厚度（通常≤100μm）相当于设定翘曲度的工艺窗口，或者说，设定允许无分层减薄的最大翘曲度。”

带盖封装与无盖封装对比

一些封装设计师在半导体封装上使用盖板，以便将芯片/TIM产生的热量传导到散热器，但使用盖板有利有弊。盖板会增加封装厚度，且在某些情况下，散热效率不如无盖解决方案，因为无盖设计中芯片能更直接地与散热器接触。

当需要使用盖板时，其制造材料可选用可伐合金（Kovar）、52 号合金（Alloy 52）、陶瓷（用于气密性封装）或镀镍铜。事实上，全金属封装通常用于高性能计算/HBM应用。

在封装结构中，超过90%的热量会从芯片顶部通过封装散发到散热器，散热器通常采用阳极氧化铝材质，并带有垂直散热片。为助力热量传导，芯片与封装之间会放置具有高导热性的热界面材料（TIMs）。

TIM具有多种尺寸规格，能够填充封装内的微小间隙。安靠科技(Amkor Technology Korea)韩国工艺/材料研究总监MinJae Kong及其同事最近开展了一项研究，采用倒装芯片带盖球栅阵列（FCLBGA）封装结构，探究提高铟金属基热界面材料中银含量对封装翘曲的影响。Kong表示：“铟具有优异的导热性、对器件的高附着力和耐用性。因此，铟金属TIM有望在高性能半导体和电子器件的热管理解决方案中发挥重要作用。”

纯铟不能直接使用，因为它在焊料回流温度（250°C）下会熔化。基于可靠性测试、阴影莫尔条纹翘曲评估，以及有限元分析的翘曲和仿真结果，Amkor的研究表明，在高温环境下，降低铟合金中的银含量会导致热界面材料的覆盖度显著下降，同时加剧封装与芯片的翘曲程度。

Kong表示：“综合这些研究结果来看，对于经过回流焊的FCLBGA封装，使用银含量更高的铟合金，可能在TIM覆盖率方面更具优势。然而，这一假设仅适用于室温和高温下均存在较大翘曲变形的FCLBGA封装。”

批量回流焊、TCB、反向激光辅助键合

回流焊有多种工艺选择，它们各有优缺点。批量回流焊是最早且成本最低的方法，但对于带有细小凸点（线宽/间距

热压键合(TCB)已投入生产多年。其工作原理是对封装组件施加向下压力和高温（250°C至400°C，具体取决于金属材料）实现键合，因此相对于批量回流焊，翘曲得到了改善。但其设备生产效率低于批量回流焊或反向激光辅助键合(R-LAB)。此外，TCB的高压和高温会导致金属间发生混合并形成键合。

激光辅助键合依赖于金属间关键界面的局部加热。近年来，Amkor工程师开发了反向LAB技术，通过对激光波长透明的底层平台，对凸点进行局部加热。过去一年中，该公司开始探索激光辅助TCB技术，该技术适用于采用背面金属化的应用场景，以及芯片模块（塑封硅芯片）与基板的键合工艺。

“反向激光压缩键合(R-LTC)本质上是R-LAB和TCB的结合，适用于翘曲程度高且较大的模块设计。R-LTC的优势之一是它有助于最大限度地降低芯片的热应力，因为凸点浸润主要通过反向激光加热完成，”安靠科技韩国公司产品开发高级总监Seokha Na表示。键合头通过结合温度、压力和作用力，来控制间隙高度、对准度和芯片倾斜度。与TCB相比，它向模块传递的热量更少。

图1：反向激光压键合技术将激光的局部加热与键合头对间隙高度、对准精度和芯片倾斜的控制相结合。

嵌入式芯片结构的翘曲问题

高能效电子器件通常需要将一个或多个芯片嵌入层压增层中，以在轻薄小巧的封装中实现高性能和良好散热。日月光半导体（ASE）工程师Wei-Hong Lai及其同事评估了半导体基板嵌入式(SESUB)技术中的条带级翘曲控制。

研究人员指出：“本研究构建了一种有限元方法(FEM)，并通过实验对其进行基准测试以验证翘曲预测结果。田口设计响应分析表明，具有低热膨胀系数(CTE)的基板树脂层和较薄的芯片厚度是影响翘曲变形的关键因素。”研究团队使用3D数字图像相关技术，在室温和高温下测量了带材的翘曲变形程度（见图2）。

图2：使用四分之一带材进行有限元分析。

他们表示：“有限元法（FEM）是用于条带级翘曲数值建模与分析的优选方法。在建模过程中，需考虑基板结构的等效铜占比效应及逐层堆叠方式；同时，需根据设计规则，将嵌入式芯片的布局分布到条带布局中。”

有趣的是，条带在室温下的翘曲程度比260°C下高出约3倍。采用田口方法，某些条件对翘曲影响很大，包括芯片厚度（可提高条带刚度）、在基板树脂、层压电介质和阻焊层中使用低热膨胀系数和低模量材料。研究表明，通过选择最佳材料、设计含铜的版图结构（实现平衡），以及使用比底部树脂更厚的顶部树脂，可将翘曲降低50%。

结语

长期以来，有限元建模一直用于优化封装布局，如今该技术正被应用于更微观的尺度，以深入了解薄膜在制造工艺及多次热循环过程中的相互作用规律。

为了防止在硅片减薄至仅50微米的工艺中发生晶圆分层，有三个因素尤其会影响晶圆翘曲：剩余芯片厚度、较高的热膨胀系数(CTE)失配，以及较高的杨氏模量，这三个因素会加剧晶圆弯曲。优化这些参数有助于防止减薄过程中发生分层。

先进封装中可考虑多种键合技术，包括热压键合（TCB）、反向激光辅助键合（R-LAB），以及相对较新的反向激光热压键合（R-LTC）。其中，R-LTC可提供更好的对准精度和更低的间隙厚度，而这恰恰是多芯片封装中的关键需求。

无论是现在还是未来，封装组装过程中都需采取翘曲控制措施，包括选择回流焊工具、选择兼容的CTE材料，以及在堆叠过程中材料的CTE呈梯度变化。此外，采用低CTE和低杨氏模量的新型材料，也有助于改善晶圆和芯片的翘曲问题。

来源：王树一一点号