先进封装中应力和应变效应设计方法

逍遥设计自动化

引言
  s# z: r5 p" M+ L随着异构集成技术的发展，半导体封装技术从传统平面系统芯片向更复杂的多芯片组装转变过程中，热力和机械应力的管理已成为设计过程中的关键挑战。本文探讨先进封装中应力和应变的基本特性、对设计的影响以及成功实施所需的方法[1]。
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图1：展示了封装设计中热力和结构建模的相互关联性。左上方显示了Ansys示意图，说明了相连的子系统。右上方从背面视角展示了20°C时的封装翘曲情况，右下方显示了加电时的热梯度下的封装翘曲。左下方呈现了从Icepak导入的温度剖面边界条件。

先进封装的基本挑战
2 l! K* W  X! z" k6 E% e% ]. y从传统封装向先进异构集成的转变引入了多个热力和机械应力管理的复杂问题。现代衬底正变得越来越薄以减少信号传输距离，这无意中降低了散热能力。这种减薄过程由于不同材料之间的晶格失配导致翘曲和不均匀热分布，对互连产生应力，可能影响数千个微凸点的可靠性。
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机械应力在制造过程中以多种方式表现。在焊料回流和组装过程中，从印刷线路板到封装的不同层之间的相互作用会产生固有的应力点。这在球栅阵列焊球的接合过程中特别明显，实际制造中完全平面的假设常常不成立。制造过程本身会引入各种应力效应，需要在设计阶段仔细考虑。

. b! N: A' N1 a. J1 X; Q& \热-机械相互作用
先进封装中热效应和机械效应之间的关系形成了设计者必须应对的复杂相互作用网络。当集成电路工作时，封装中的不同材料由于热膨胀系数不同而以不同速率膨胀。这种差异膨胀可能导致多个可靠性问题：
0 R  |" h/ Q1 J7 u衬底和芯片的翘曲
各种封装层中的裂纹形成
不同材料界面间的分层
互连结构中的应力集中
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这些效应在2.5D和3D封装中特别明显，芯片-封装相互作用带来额外的复杂性。这些封装中的应力-应变场必须在封装设计早期使用有限元分析求解器进行分析。

对器件性能的影响
+ h1 e0 X' ^$ M$ B5 x应力和应变的影响不仅限于机械可靠性，还会影响电性能。应变可以通过改变载流子迁移率显著影响晶体管行为，进而影响阈值电压等关键参数。这对模拟设计特别重要，因为器件特性的微小变化都可能导致线路行为的意外变化。
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在回流过程中，当器件冷却时会产生内置应力，可能影响封装的长期可靠性。在互连密集区域或硅通孔附近，这些应力效应特别明显。这些区域由于热循环和机械应力的综合作用，可能经历寿命减少和故障概率增加。
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系统级考虑
先进封装设计需要一个全面的系统级方法，考虑包括芯片、中介层和印刷线路板在内的整个堆叠。组装过程本身带来独特的挑战，特别是在具有数千个球栅阵列连接的大面积设计中。在冷却过程中可能发生"热撕裂"现象，角落和边缘的焊球以不同速率凝固，可能导致开路连接。
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3 M) ?2 h) F: ]电源分配网络必须考虑整个3D集成电路系统，因为应力和应变效应可以在不同芯片和组件之间传播。这需要早期原型设计和分析，以在产品制造前识别潜在问题。热、机械和电学等不同物理域之间的相互作用，需要能够同时模拟这些效应的复杂多物理场建模工具。

1 ]$ R! t0 V0 F+ }0 H设计方法和工具
* d  q: r$ |( t* ?当前设计方法正在发展以应对这些挑战。初始设计常采用基于阈值的方法，建立和模拟最大允许应变值。然而，这种方法往往过于保守，假设所有器件都处于最差情况。更复杂的方法正在出现，允许区域特定分析和更准确的实际工作条件模拟。
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" H0 k) U/ {; G1 P4 _4 m" B热、机械和电学等不同类型分析工具的集成对全面设计验证变得越来越重要。这种集成使设计者能够从晶体管到系统级进行多尺度模拟，更准确地描述应力和应变将如何影响最终产品。
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现代设计流程正在结合硅前测试和热监测器，但确定这些监测点的最佳位置仍具有挑战性。这些方法的有效性在不同应用领域中各不相同，移动、高性能计算、人工智能和汽车应用各自具有独特的要求和约束。
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! r8 O0 g/ U6 m: S通过对先进封装中应力和应变效应的全面理解，设计者可以在设计周期早期更好地预测和解决潜在问题，实现更可靠和性能更高的集成系统。随着封装技术继续发展，设计工具和方法的持续演进将在管理这些挑战方面发挥关键作用。

结论
异构集成和先进封装技术的不断发展为半导体行业带来了新的机遇，同时也带来了应力和应变管理的挑战。随着系统变得更加复杂，多物理场效应的相互作用需要在设计早期就得到充分考虑。通过合适的建模工具、分析方法和设计策略，这些挑战是可以克服的。设计团队需要特别注意以下几个方面：早期热分析和规划、完整的堆叠建模、芯片间的热耦合、材料热膨胀系数差异、互连结构的可靠性以及电磁效应的影响。随着设计工具和方法的不断改进，半导体行业将能够更好地应对这些技术挑战，推动异构集成技术的进一步发展。

9 @; W& O5 u4 a) O# b参考来源
# n4 v9 {* L# W/ D[1] Mutschler, "Strain, Stress In Advanced Packages Drives New Design Approaches," Semiconductor Engineering, Dec. 19, 2024. [Online]. Available: https://semiengineering.com/strain-stress-in-advanced-packages-drives-new-design-approaches/ [Accessed: Dec. 24, 2024]

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