在臺積電的3D Fabric技術體系中，包括InFO、CoWoS和SoIC在內(nèi)的先進封裝技術已成為該領域的標桿，隨著芯片尺寸減小和封裝復雜性增加，應變和應力對封裝的可靠性、性能和設計提出了新的挑戰(zhàn)，探討先進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

　　什么是先進封裝?核心問題與分析

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

　　傳統(tǒng)封裝主要側重于芯片的物理保護與基本電氣連接，而先進封裝則通過創(chuàng)新的設計理念與工藝技術，將多個芯片或芯片模塊進行三維集成，實現(xiàn)芯片間的高速互聯(lián)、異構集成以及系統(tǒng)級優(yōu)化。

　　簡單來說，先進封裝技術將多顆芯片集成在一個封裝模塊中，實現(xiàn)性能提升、功耗優(yōu)化和小型化設計，通過扇出型封裝(Fan-Out)、硅轉接板(Silicon Interposer)、重新分布層(RDL)等技術突破傳統(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完整性。

　　臺積電的InFO、CoWoS和SoIC技術體現(xiàn)了先進封裝的發(fā)展方向。比如，InFO通過重新分布層技術實現(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)堆疊實現(xiàn)真正的三維集成。

　　然而，先進封裝在帶來性能與效率提升的同時，也面臨核心問題。

　　先進封裝中的核心問題:

　　● 熱應力與機械應力挑戰(zhàn)

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

　　這不僅給互連結構帶來巨大壓力，使得數(shù)千個微凸塊之間的接觸難以維持穩(wěn)定，進而導致性能下降與產(chǎn)量降低，還極大地增加了解決所有可能物理效應、依賴性和相互作用所需的時間和成本。例如，在多芯片設計中，不同芯片的材料熱膨脹系數(shù)(CTE)差異會在溫度變化時引發(fā)應力，可能導致芯片開裂、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)部會產(chǎn)生應力。

　　這種應力不僅影響機械結構的穩(wěn)定性，還會對晶體管的電氣行為產(chǎn)生影響，改變導線上的電阻以及晶體管的閾值電壓等宏觀參數(shù)，從而對整個芯片的性能產(chǎn)生難以預測的干擾。

　　● 架構設計復雜性增加

　　◎ 芯片組在先進封裝中面臨著走線密度與架構優(yōu)化的挑戰(zhàn)。在 2.5D 或 3D 集成設備中，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需要付出更高的代價，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，在設計數(shù)據(jù)接口時，需要從架構層面綜合考慮這些開銷，確保在特定應用場景下能夠平衡性能與成本。

　　◎ 此外，先進封裝中的芯片與 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，需要精心設計數(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，以實現(xiàn)與特定應用程序的高度適配，這無疑增加了架構設計的復雜性與難度。

　　● 多物理場相互作用與建模需求

　　◎ 熱、機械和電氣效應在先進封裝中日益相互關聯(lián)和依賴，形成了復雜的多物理場環(huán)境。例如，熱會導致應力產(chǎn)生，應力又會引起彎曲并影響晶體管行為，進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計需求，對能夠同時模擬多物理場效應的工具的需求愈發(fā)迫切。

　　◎ 工程師通常在封裝設計早期使用有限元分析(FEA)求解器來解決應力應變問題，但高應力區(qū)域的可靠性問題仍然嚴峻，如互連故障、芯片開裂或分層等風險依然存在。

　　對于模擬設計而言，如果不能及早考慮應變對晶體管電氣行為的影響，可能會導致電路行為出現(xiàn)無法預料的偏差，影響整個芯片的功能正確性與穩(wěn)定性。

　　● 針對以上問題，在其技術平臺中提出了一系列優(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，減小熱膨脹系數(shù)差異引起的應力集中;

　　◎ 采用CoWoS硅轉接板的深溝槽電容器結構，增強了信號完整性與功率穩(wěn)定性，SoIC在晶圓對晶圓堆疊中通過精準對準與粘結技術，減少了機械應力。

　　Part 2

　　一些處置的辦法和核心建議

　　在設計過程的早期階段，就應將熱分析納入架構探索與規(guī)劃之中。通過對整個多芯片堆棧(包括芯片、中介層、封裝和 PCB)進行熱建模與分析，預測可能出現(xiàn)的熱熱點與熱耦合問題，提前優(yōu)化電力分配網(wǎng)絡設計，以控制熱量的產(chǎn)生與傳播，避免因熱問題導致的應力集中與性能下降。

　　深入研究芯片之間的熱耦合效應，考慮不同芯片的發(fā)熱特性與布局關系，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)，減少熱應力對芯片和互連結構的影響。

　　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力問題。

　　例如，在選擇硅中介層、基板以及芯片粘接材料時，應充分考慮它們的 CTE 匹配性，減少因溫度變化引起的應力差異。與 OSAT 和代工廠緊密合作，獲取準確的材料數(shù)據(jù)，深入了解制造工藝對材料性能和應力應變的影響。在制造過程中，嚴格控制工藝參數(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力。

　　完善多物理場建模與仿真，開發(fā)和應用能夠集成熱、機械、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，精確分析應力應變分布對芯片性能和可靠性的影響，為設計優(yōu)化提供準確依據(jù)，采用數(shù)字孿生技術，在虛擬環(huán)境中對芯片的設計、制造和運行過程進行全面模擬與驗證。

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

　　● 開發(fā)低應力、高可靠性材料：封裝中的關鍵材料如粘結劑、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、高熱導率的新型材料，有助于降低封裝應力并改善散熱性能。

　　● 強化EDA工具鏈支持：針對多物理域耦合設計，開發(fā)專用的封裝EDA工具鏈。例如，集成應力模擬、電熱耦合分析的統(tǒng)一平臺，可以提高設計效率并降低驗證成本。

　　● 改進熱管理方案：引入先進的散熱技術如微流道冷卻(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：在先進封裝制造中，采用實時監(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)逐步擴大工藝能力，降低新技術風險。

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

　　臺積電的先進封裝技術在行業(yè)內(nèi)處于領先地位，其 3D Fabric 體系下的多種封裝類型為高性能計算、人工智能、移動設備等眾多領域提供了強有力的支持。然而，應變和應力問題作為先進封裝中的核心挑戰(zhàn)，需要行業(yè)各方高度重視。

　　小結

　　先進封裝技術正推動芯片產(chǎn)業(yè)從功能集成向系統(tǒng)級優(yōu)化邁進，這一技術的復雜性也對產(chǎn)業(yè)鏈的設計能力、制造能力和生態(tài)協(xié)同提出了更高要求。面對應變與應力問題的挑戰(zhàn)，優(yōu)化材料、改進設計工具、加強生態(tài)協(xié)作是未來發(fā)展的必然趨勢。