1科研動態
1、IEEE T. Comp. Pack. Man.：具有Cu柱的高集成度面板級扇出型封裝的翹曲預估和演示
扇出面板級封裝（FO-PLP）已成為一項關鍵的前瞻性技術，因為它可以滿足小尺寸、高輸入/輸出引腳數和多芯片功能的需求。此外，使用Cu柱的互連可以實現稱為packaging-on-packaging的三維堆疊結構。然而，FO-PLP在制造過程中嚴重的翹曲問題導致了許多問題，如組裝困難、器件可靠性低和產品良率低等。
近日，中國臺灣國立清華大學等機構的研究人員提出了一種面向過程的有限元分析方法，以估算在制造過程中由于不同材料的熱膨脹系數之間的不匹配而導致的整個翹曲的變化。值得注意的是，在進行模擬估計時，關于FO-PLP中復雜再布線層（RDL）的模型構建遇到了嚴重的挑戰，因此采用模擬提取的等效力學特性分別重新定義了RDL和Cu柱的材料特性。此外，將改進的Timoshenko雙層理論與FO-PLP的面向過程的有限元分析相結合，以闡明RDL的無應力等效溫度。研究人員制造了一個帶有Cu柱的真實FO-PLP器件進行測量，以證明所提出的模擬方法的可靠性。實驗結果發現，模擬預測和實驗之間的平均偏差小于10%。析因設計的結果表明，電介質和RDL的力學性能是主要影響因素，并對FO-PLP的翹曲程度產生交互影響。這項工作的結果可以作為FO-PLP翹曲評估的指南。該文章以“Warpage Estimation and Demonstration of Panel-level Fan-out Packaging with Cu Pillars Applied on a Highly Integrated Architecture”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。
圖1. 實驗測量的翹曲和在室溫下通過面向制造工藝的模擬獲得的翹曲的逐步比較
論文鏈接：DOI 10.1109/TCPMT.2023.3269424
2、 IEEE T. Comp. Pack. Man.：微電子封裝低溫焊料綜述
由于焊料向無鉛方向的轉變，導致Sn-Ag-Cu（SAC）合金因其優異的機械性能和可靠性而成為最常用的焊料。然而，該類合金的熔化溫度范圍（217-222℃）遠高于Pb基焊料的熔化溫度范圍。隨著微電子封裝在先進制程和復雜異質結構上的進步，SAC基焊料較高的熔化溫度顯著影響封裝應力，導致接頭質量差和早期層間電介質（inter-layer dielectric，ILD）分層失效。因此，無鉛低溫焊料（low temperature solders，LTS）已經將發展重點放到了新型合金成分上。Sn-Bi和In基焊料已成為低溫焊料的主要候選材料。
近日，佐治亞理工學院等機構的研究人員詳細介紹了低溫焊料的關鍵性能要求，并評估了合金改性對Sn-Bi和In基焊料體系的微觀結構、熱/機械性能、潤濕性和可靠性的影響。文章還討論了潛在的需關注的領域，特別是介于SAC基與全低溫焊料之間的混合低溫焊料。為低溫焊料的研發工作提供了參考。該文章以“A Review of Low Temperature Solders in Microelectronics Packaging”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。
圖2. SAC和Sn-Bi共晶合金的熱循環表現
論文鏈接：DOI 10.1109/TCPMT.2023.3271269
3、J. Electron. Packaging：加熱功率對扇出封裝的球柵陣列熱沖擊可靠性的影響
功率器件的自熱效應和芯片散熱會使器件內部產生較大熱應力而引起變形，從而導致元器件性能惡化甚至失效。因此，電子封裝的可靠性研究尤為重要。
近日，西南電子設備研究所等機構的研究人員開展了具有球柵陣列（BGA）的Fan-out微系統封裝在熱沖擊下的可靠性研究。研究人員對硅襯底施加不同功率的熱源，模擬功率器件的功耗誘導熱，并采用Anand本構模型和Darveaux壽命模型對封裝結構的熱疲勞壽命進行了研究。有限元模擬結果表明，熱疲勞壽命與熱源功率不呈正相關，在一定的功率范圍內，熱疲勞壽命先增加后減少。為了解釋這種異常現象，研究人員對不同加熱功率（10–55?W）的焊球進行了疲勞分析。結果表明，在低溫階段，隨著熱源功率的增加，熱源在一定程度上抵消了低溫效應，焊球的應力值降低；在高溫階段，球的應力幾乎不受影響，然而，隨著熱源功率的進一步增加，結構的熱變形逐漸嚴重，抵消低溫效應的效果降低，熱疲勞壽命隨著熱源功率增加而降低。該研究成果為微系統封裝設計提供了參考。該文章以“Effect of Heating Power on Ball Grid Array Thermal Shock Reliability for a Fanout Package”發表于J. Electron. Packaging上。
圖3. 不同功率熱源下的BGA底部單元應變能密度增量及熱疲勞壽命
論文鏈接：https://doi.org/10.1115/1.4062344
4、Small：用于電磁波吸收、熱管理和阻燃的新型環氧基封裝材料
下一代集成電路的尺寸急劇減小和功率密度增加導致電磁干擾和熱失效，這也成為聚合物基電子封裝材料廣泛應用的關鍵障礙。
近日，華中科技大學的研究人員展示了一種具有高電磁波吸收率、高導熱性和良好阻燃性能的多功能環氧基復合材料——三聚氰胺衍生碳泡沫@層狀雙氫氧化物/環氧樹脂（MDCF@LDH/EP）。其多孔結構和異質界面的協同作用促進了電磁波的多重反射和吸收以及介電損耗。在僅填充10 wt%的情況下，可實現?57.77 dB的低反射損耗和7.20 GHz的有效吸收帶寬。同時，由于高度連續的3D三聚氰胺衍生碳泡沫（MDCF）為聲子的傳輸提供了一條廣闊的路徑，促使環氧樹脂基體的熱導率提高了241.4%。此外，該復合材料還表現出很高的熱穩定性和阻燃性，與純環氧樹脂相比，峰值放熱率和總放熱率分別降低了19.4%和30.7%。如此出色的綜合性能使其成為一種很有前景的電子封裝材料。該文章以“Multifunctional Epoxy-Based Electronic Packaging Material MDCF@LDH/EP for Electromagnetic Wave Absorption, Thermal Management, and Flame Retardancy”發表在Small上。
圖4. MDCF@LDH/EP的（a）導熱性能和（b）阻燃性能
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202204303
2技術動態
1、DARPA：DARPA頒布Minitherms3D熱管理系統開發資助計劃
2023年1月23日，美國國防高級研究計劃局（DARPA）微系統技術辦公室（MTO）發布Minitherms3D計劃的公告，該計劃旨在促進3D異構集成（3DHI）中熱管理系統的開發。并預計于2023年10月份正式啟動對中標的各提案的補助，撥款總額為6900萬美元。
目前集成電路往小型化和高功率的方向不斷發展，越來越緊湊的微系統中熱管理不足的問題急需得到解決。多層高功率邏輯或其他功能塊（包括射頻設備）的3D堆疊被認為能進一步顯著提高微系統的功能，但是3D堆疊中每層結構在面內和面外熱量傳導能力的不足、不同功能塊之間熱隔離較差，限制了微系統能力的提高，特別是在射頻系統、圖像分析和高性能計算方面（包括人工智能和機器學習等應用領域）。
DARPA正尋求研究和開發緊湊型熱管理創新技術，并應用到3D異構集成芯片中的高功率層。具體目標包括：5層3D堆疊；總散熱>6.8 kW（目前單層最先進的邏輯芯片（SOTA）為1kW）；散熱系統體積限制在0.006 m3（比SOTA小2倍）以內。并且要求提出的熱管理方法必須與給定應用的電氣設備和互連性能目標兼容。
圖5. 頂底部散熱的硅基3D堆疊結構的每層最高溫度
同時，DARPA指出，為實現Minitherms3D的目標，需要克服以下技術挑戰（TC）：降低內部和外部熱阻。
TC1a.在不增加層厚度的情況下增加層內熱傳導。3DHI層中平均熱通量> 150 W/cm2的區域和局部> 1 kW/cm2熱點區域必須同時進行熱管理，以保持芯片溫度在合適范圍內；
TC1b.增加相鄰功能塊之間面內和面外的熱隔離。熱隔離指隔離區和半導體主體的熱導率之比，必須小于0.0002以降低存儲器的刷新頻率，而由于金屬互連和封裝材料的熱傳遞，目前的堆疊方法的比率為0.01。
TC1c.保持低熱阻的同時增加每層的散熱量。為了實現5層堆疊結構（30 mm x 30 mm x 700 μm和50μm互連層），在150 W/cm2的熱通量下，熱阻需要小于0.09 cm2℃/ W ，以將層最高溫度控制在 100 ℃ 以下。
TC2a.降低連接熱阻。從堆疊系統到環境的總熱阻=內部電阻（TC1）+連接熱阻（TC2a）+散熱部件的熱阻（TC2b），由于空氣側相對較低的熱導率，導致第三部分的熱阻占總熱阻的70%，因此前兩種熱阻必須低于10-15%。
TC2b.增加體積散熱能力，同時減少對空氣的熱阻。對給定的對流條件和環境溫度，散熱器的體積往往隨散熱要求線性增加，因此高功率意味著更大尺寸和重量，進而使應用受到限制。
DARPA還強調，Minitherms3D方案必須關注多功能的協同設計，并確定最佳設計選擇，以滿足所選擇的預期應用的性能和可能性。
圖6. 3DHI堆疊結構所面臨的內外部熱管理挑戰
（Source：DARPA）