先進封裝之3D-IC 面臨的最大挑戰與先進封裝清洗介紹

合明科技發布時間：2024-07-17 ?? 2179 Tags：先進封裝3D-IC 3D封裝清洗先進封裝清洗

人們普遍認為3D-IC是繼續突破平面 SoC 極限的途徑，也是將更多在不同工藝節點開發的異構設備添加到同一封裝中的方法。但無論是平面 SoC 還是芯片組件，物理定律都是無法逾越的，工程師能使用的技巧非常有限，否則就會碰壁。

先進節點中較細的導線會增加電阻，從而增加熱量。而較大的結構（如 3D-IC）則會擴大熱梯度范圍。而此類結構中散熱的方式有限，使情況更加惡化。負面影響包括電遷移等細微影響以及芯片起火等突發狀況。此外，隨著制造工藝節點下降到個位數納米范圍，進而下降到埃范圍，控制或考慮變化變得更加困難，這可能會導致噪音增加和可靠性下降等嚴重問題。所有這些都要求設計人員在最佳性能規格和不配合的物理現實之間找到越來越脆弱的平衡。

3D-IC 的復雜性增加了曾經理論上存在的熱問題的風險，例如自發 DRAM 刷新和可能導致設備關閉的熱失控。在光子學應用中，熱量可以通過改變光的波長來干擾通信。

圖 1：芯片和封裝組件的溫度分布。

“熱也會導致時序問題。高溫會導致線路延遲過高，從而降低電路速度。我們從代工廠那里聽說，熱是世界的中心。”

熱量和工藝變化可能是獨立的問題，也可能是彼此問題的乘數。無論如何，它們可能會級聯，需要有遠見才能解決。“這些問題可能有點正交。解決熱量問題必須在更宏觀的層面上進行。如果我遇到熱量問題，最簡單的第一步就是更改平面圖。如果這還不夠，我可以開始考慮諸如在我的主動設計中放置熱柱以將熱量從熱區吸走之類的事情。之后，我需要開始考慮芯片在封裝中的位置。在最壞的情況下，如果我開始沒有選擇，我必須更改封裝。我必須在上面放置散熱器，等等。這些都是在創建整體組件的整個生命周期中從最簡單和成本最低的選項開始。如果我可以左移，我就能盡早弄清楚這些問題。”

翹曲是首要問題

目前，3D-IC 面臨的最大挑戰是熱致翹曲。翹曲已從偶然問題變為持續問題，因為高度堆積的異質材料配置會導致溫度升高，并且需要復雜的熱系數建模以避免產量損失。此外，基板更薄，這降低了基板將熱量傳導出設備的能力。機械應力是先進設計的另一個不可避免的結果，它增加了3D-IC 多物理場的擔憂。“機械應力問題與熱問題密切相關。隨著溫度升高，導線會變形，從而改變機械應力。具體來說，主要擔心的似乎在于凸塊。我們是否獲得了良好的粘附性和凸塊清晰度，從而能夠正確且充分地形成歐姆接觸？晶圓開裂是另一個值得關注的問題，一般來說翹曲也是如此。如果將東西堆疊在一起，那么你必須保證兩面都是平面的，否則就有出現氣隙或其他形式間隙的風險。任何一個都不能忽視。”

添加TSV也成為一個問題。“你要挖出大洞，然后用其他材料填充它們，”Ferguson 解釋道。“如何在不引起某種形式的翹曲的情況下做到這一點并不容易。這一切都取決于你在開始時如何控制芯片工藝，以確保它們盡可能平坦。下一步是小心堆疊東西的方式。例如，如果我們談論的是將一個芯片堆疊在另一個芯片上，或者將第二個芯片堆疊在晶圓上，第一步是確保你有良好的平面度方法。這取決于你如何填充，以及制造、化學機械拋光工藝，以及它們的調整程度。當我們談論非常薄的芯片時，這可能會變得更具挑戰性。如果你談論的是將單個芯片與其他芯片放在一起，那么有些情況下，一個芯片會故意懸在另一個芯片之上。這就像是一塊跳水板，一邊是陸地，另一邊是懸在水池里。這絕對是可能發生扭曲的地方。然而，這種解決方案是以犧牲性能為代價的，這使得設備缺乏競爭力。“[熱節流] 并不能解決問題，“它檢測到問題，然后付出代價來修復它。名義上無法達到額定性能，因為芯片會不斷升溫并自我節流，所以成本非常高，而且它表明我們未能預測到這個問題。它出現了，現在我們付出代價來降低功耗，但這不是你想要的。你想要的是能夠預測它。”

左移

不應低估改變傳統工作流程的挑戰。鑒于人性，改變往往很難。設計師和公司可能沒有意識到改變長期存在的工作流程的成本和時間優勢。可能需要進行一些艱難的經濟分析才能說服懷疑論者，盡管向左轉變最初會帶來破壞性影響，但從長遠來看將更具成本效益。左移可以幫助創建更穩健、更可靠的設計，但使用正確的工具，它還可以通過減少迭代次數來幫助整個設計過程加快速度。“如果你盡早開始進行熱可行性分析，它會讓你知道你的布局問題會在哪里，“所以你甚至可以在正確布局之前更改你的布局。如果你在最終封裝之前不考慮熱問題，并且你已經完成了每個 IC 的物理布局，那就太晚了。”

可靠性

熱量和變化引起的問題不再只是短期問題。可靠性現在是多個市場的主要問題，芯片用于關鍵應用，并且預計使用壽命更長。提高可靠性的最佳選擇是提前規劃，并盡可能建立冗余和彈性。

合明科技研發的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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