在臺(tái)積電的3D Fabric技術(shù)體系中，包括InFO、CoWoS和SoIC在內(nèi)的先進(jìn)封裝技術(shù)已成為該領(lǐng)域的標(biāo)桿，隨著芯片尺寸減小和封裝復(fù)雜性增加，應(yīng)變和應(yīng)力對封裝的可靠性、性能和設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，探討先進(jìn)封裝中的核心問題和解決方案，具有重要的產(chǎn)業(yè)意義。

　　Part 1

　　什么是先進(jìn)封裝?核心問題與分析

　　先進(jìn)封裝是現(xiàn)代集成電路制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它突破了傳統(tǒng)封裝技術(shù)的局限，旨在實(shí)現(xiàn)更高的芯片集成度、更強(qiáng)的性能以及更優(yōu)的功能多樣化。

　　傳統(tǒng)封裝主要側(cè)重于芯片的物理保護(hù)與基本電氣連接，而先進(jìn)封裝則通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念與工藝技術(shù)，將多個(gè)芯片或芯片模塊進(jìn)行三維集成，實(shí)現(xiàn)芯片間的高速互聯(lián)、異構(gòu)集成以及系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。

　　簡單來說，先進(jìn)封裝技術(shù)將多顆芯片集成在一個(gè)封裝模塊中，實(shí)現(xiàn)性能提升、功耗優(yōu)化和小型化設(shè)計(jì)，通過扇出型封裝(Fan-Out)、硅轉(zhuǎn)接板(Silicon Interposer)、重新分布層(RDL)等技術(shù)突破傳統(tǒng)封裝的限制，提供更高的I/O密度、更低的延遲和更高的信號(hào)完整性。

　　臺(tái)積電的InFO、CoWoS和SoIC技術(shù)體現(xiàn)了先進(jìn)封裝的發(fā)展方向。比如，InFO通過重新分布層技術(shù)實(shí)現(xiàn)多芯片集成;CoWoS通過硅中介層提供高密度互連;SoIC則通過晶圓對晶圓(WoW)堆疊實(shí)現(xiàn)真正的三維集成。

　　然而，先進(jìn)封裝在帶來性能與效率提升的同時(shí)，也面臨核心問題。

　　先進(jìn)封裝中的核心問題:

　　● 熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力挑戰(zhàn)

　　◎ 在異構(gòu)芯片組件中，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力問題尤為突出。隨著基板變薄以縮短信號(hào)傳輸距離，硅基板的散熱效率降低，晶格失配導(dǎo)致的翹曲以及不均勻的加熱和冷卻現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。

　　這不僅給互連結(jié)構(gòu)帶來巨大壓力，使得數(shù)千個(gè)微凸塊之間的接觸難以維持穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致性能下降與產(chǎn)量降低，還極大地增加了解決所有可能物理效應(yīng)、依賴性和相互作用所需的時(shí)間和成本。例如，在多芯片設(shè)計(jì)中，不同芯片的材料熱膨脹系數(shù)(CTE)差異會(huì)在溫度變化時(shí)引發(fā)應(yīng)力，可能導(dǎo)致芯片開裂、分層或互連故障等可靠性問題。

　　◎ 從制造過程來看，在回流焊等環(huán)節(jié)，由于溫度曲線的變化以及材料的 CTE 不匹配，器件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。

　　這種應(yīng)力不僅影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)對晶體管的電氣行為產(chǎn)生影響，改變導(dǎo)線上的電阻以及晶體管的閾值電壓等宏觀參數(shù)，從而對整個(gè)芯片的性能產(chǎn)生難以預(yù)測的干擾。

　　● 架構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加

　　◎ 芯片組在先進(jìn)封裝中面臨著走線密度與架構(gòu)優(yōu)化的挑戰(zhàn)。在 2.5D 或 3D 集成設(shè)備中，芯片間的走線密度與傳統(tǒng) 2D 芯片組有顯著差異，從幾十納米到幾百微米不等。

　　這意味著在維持芯片組邊界上的走線密度時(shí)需要付出更高的代價(jià)，包括更高的功率消耗、更大的面積占用以及更高的延遲等。例如，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口時(shí)，需要從架構(gòu)層面綜合考慮這些開銷，確保在特定應(yīng)用場景下能夠平衡性能與成本。

　　◎ 此外，先進(jìn)封裝中的芯片與 SoC 本身的聯(lián)系更為緊密，不像傳統(tǒng)的 PCIe 接口那樣具有完全的互操作性。

　　在芯片分解與集成過程中，需要精心設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口，深入了解總線的流量模式、延遲與吞吐量的容忍度等因素，以實(shí)現(xiàn)與特定應(yīng)用程序的高度適配，這無疑增加了架構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與難度。

　　● 多物理場相互作用與建模需求

　　◎ 熱、機(jī)械和電氣效應(yīng)在先進(jìn)封裝中日益相互關(guān)聯(lián)和依賴，形成了復(fù)雜的多物理場環(huán)境。例如，熱會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生，應(yīng)力又會(huì)引起彎曲并影響晶體管行為，進(jìn)而改變電路的電氣性能。

　　這種相互作用使得傳統(tǒng)的單一物理場分析工具難以滿足設(shè)計(jì)需求，對能夠同時(shí)模擬多物理場效應(yīng)的工具的需求愈發(fā)迫切。

　　◎ 工程師通常在封裝設(shè)計(jì)早期使用有限元分析(FEA)求解器來解決應(yīng)力應(yīng)變問題，但高應(yīng)力區(qū)域的可靠性問題仍然嚴(yán)峻，如互連故障、芯片開裂或分層等風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

　　對于模擬設(shè)計(jì)而言，如果不能及早考慮應(yīng)變對晶體管電氣行為的影響，可能會(huì)導(dǎo)致電路行為出現(xiàn)無法預(yù)料的偏差，影響整個(gè)芯片的功能正確性與穩(wěn)定性。

　　● 針對以上問題，在其技術(shù)平臺(tái)中提出了一系列優(yōu)化策略，

　　◎ 通過InFO的高密度重新分布層(RDL)和微凸塊(Micro Bump)技術(shù)，減小熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力集中;

　　◎ 采用CoWoS硅轉(zhuǎn)接板的深溝槽電容器結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了信號(hào)完整性與功率穩(wěn)定性，SoIC在晶圓對晶圓堆疊中通過精準(zhǔn)對準(zhǔn)與粘結(jié)技術(shù)，減少了機(jī)械應(yīng)力。

　　Part 2

　　一些處置的辦法和核心建議

　　在設(shè)計(jì)過程的早期階段，就應(yīng)將熱分析納入架構(gòu)探索與規(guī)劃之中。通過對整個(gè)多芯片堆棧(包括芯片、中介層、封裝和 PCB)進(jìn)行熱建模與分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的熱熱點(diǎn)與熱耦合問題，提前優(yōu)化電力分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以控制熱量的產(chǎn)生與傳播，避免因熱問題導(dǎo)致的應(yīng)力集中與性能下降。

　　深入研究芯片之間的熱耦合效應(yīng)，考慮不同芯片的發(fā)熱特性與布局關(guān)系，合理規(guī)劃芯片的堆疊順序與間距，優(yōu)化散熱通道，確保熱量能夠有效散發(fā)，減少熱應(yīng)力對芯片和互連結(jié)構(gòu)的影響。

　　優(yōu)化材料選擇與工藝控制，精心挑選具有兼容 CTE 的材料，降低不同材料界面處的應(yīng)力問題。

　　例如，在選擇硅中介層、基板以及芯片粘接材料時(shí)，應(yīng)充分考慮它們的 CTE 匹配性，減少因溫度變化引起的應(yīng)力差異。與 OSAT 和代工廠緊密合作，獲取準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)，深入了解制造工藝對材料性能和應(yīng)力應(yīng)變的影響。在制造過程中，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，如回流焊溫度曲線、鍵合壓力等，減少因制造工藝引入的額外應(yīng)力。

　　完善多物理場建模與仿真，開發(fā)和應(yīng)用能夠集成熱、機(jī)械、電氣等多物理場分析的工具與工作流程。

　　通過多物理場模擬，全面捕捉各物理域之間的相互作用，精確分析應(yīng)力應(yīng)變分布對芯片性能和可靠性的影響，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供準(zhǔn)確依據(jù)，采用數(shù)字孿生技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對芯片的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行過程進(jìn)行全面模擬與驗(yàn)證。

　　通過建立高精度的數(shù)字模型，提前預(yù)測芯片在不同環(huán)境條件下的長期互連行為、應(yīng)力應(yīng)變變化以及性能表現(xiàn)，減少對昂貴且耗時(shí)的物理測試的依賴，提高設(shè)計(jì)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

　　● 開發(fā)低應(yīng)力、高可靠性材料：封裝中的關(guān)鍵材料如粘結(jié)劑、硅中介層和封裝基板需要優(yōu)化其熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配性。采用低模量、高熱導(dǎo)率的新型材料，有助于降低封裝應(yīng)力并改善散熱性能。

　　● 強(qiáng)化EDA工具鏈支持：針對多物理域耦合設(shè)計(jì)，開發(fā)專用的封裝EDA工具鏈。例如，集成應(yīng)力模擬、電熱耦合分析的統(tǒng)一平臺(tái)，可以提高設(shè)計(jì)效率并降低驗(yàn)證成本。

　　● 改進(jìn)熱管理方案：引入先進(jìn)的散熱技術(shù)如微流道冷卻(Microfluidics)、液態(tài)金屬熱界面材料(TIM)和熱電冷卻模塊(TEC)，可顯著提升熱管理能力，滿足高性能芯片的需求。

　　● 提升制造良率與工藝穩(wěn)定性：在先進(jìn)封裝制造中，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋系統(tǒng)優(yōu)化工藝參數(shù)，提升良率，通過小批量試產(chǎn)逐步擴(kuò)大工藝能力，降低新技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

　　隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)封裝技術(shù)在提升芯片性能與功能密度方面發(fā)揮著愈發(fā)關(guān)鍵的作用。

　　臺(tái)積電的先進(jìn)封裝技術(shù)在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，其 3D Fabric 體系下的多種封裝類型為高性能計(jì)算、人工智能、移動(dòng)設(shè)備等眾多領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的支持。然而，應(yīng)變和應(yīng)力問題作為先進(jìn)封裝中的核心挑戰(zhàn)，需要行業(yè)各方高度重視。

　　小結(jié)

　　先進(jìn)封裝技術(shù)正推動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)從功能集成向系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化邁進(jìn)，這一技術(shù)的復(fù)雜性也對產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)能力、制造能力和生態(tài)協(xié)同提出了更高要求。面對應(yīng)變與應(yīng)力問題的挑戰(zhàn)，優(yōu)化材料、改進(jìn)設(shè)計(jì)工具、加強(qiáng)生態(tài)協(xié)作是未來發(fā)展的必然趨勢。