科研前线 | 剑指台积电？日月光发表先进封装成果

先进封装技术发展路上，台积电以晶圆厂的资源整合优势吃下了封装市场不小的份额，近日，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。

随着近年来人工智能、云计算、自动驾驶和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。

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

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。

施孟铠，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