中文 英语

使芯片封装更加可靠

高级包和旧技术中的新创新都面临着挑战。

受欢迎程度

封装公司正在为下一波集成电路封装做准备,但这些产品在被纳入系统之前必须证明是可靠的。

这些软件包涉及多种先进技术,例如2.5D / 3D,小芯片和扇出,但供应商也正在研究新版本的更成熟的包装类型,如LueBond和Leadframe技术。与以前的产品一样,包装房屋很快就指出了他们的新包装是可靠的,但是在该领域有时会出现不可预见的问题。

包装是一种令人困惑的景观,具有过多的流行语和太多选择。一个常数是每个包都必须符合给定的可靠性规范,这意味着它必须在一段时间内没有发生故障。尽管如此,即使产品符合规格,也有几种未知值和变量也有关可靠性。在最新包装中携带的下一代芯片受到系统中的恶劣操作条件的令人苛刻的,特别是在汽车,军事/航空航天和数据中心内部。

关于可靠性的担忧在半导体行业中并不新鲜,最近在优先的半导体和包装内容继续增加任务关键系统。大多数情况下,如果不是全部,产品可以随着各种因素而随着时间的推移而磨损。关键是能够预测和防止故障,并确定特定部分的可接受的操作条件范围。

这不是那么简单。“可靠性一直很重要,”R&D副总裁Eric Beyne表示,3D系统集成计划总监副总裁Eric BeyneImec。“包装是芯片符合环境的地方,这对设备并不总是友好的。您具有湿度和离子污染,以及热带或冷冻条件。所有这些东西都可以在一次或另一个时间发生。“

封装也经过系统中的苛刻操作条件,以及与芯片本身的各种相互作用。“他们称之为芯片包交互(CPI)。这是芯片和包装的可靠性之间的相互作用。“贝斯纳说,可能存在高机械应力和扭转。”“以前,您考虑过完全独立的芯片世界和包装测试。在这种情况下,您无法完全分开两者,因为它们互动。“

这只是冰山一角,用于包装可靠性。为帮助行业获得一些见解,半导体工程看了一些包装类型和一些可靠性问题。德赢娱乐网站【官方平台】探讨了线磁,四扁部无铅(QFN),扇出和3D架构。

可靠性问题/测试
可靠性通常与质量混淆,这是产品满足其所规定的需求。任何产品的目标是在现场实现零失败。在操作中,产品可以为设定时期或永远工作。但有时,它可能会磨损或失败。

这就是可靠性的所在。为了确保产品的可靠性,IC供应商多年来一直遵循相同的步骤:

  • 基于规格表测试设备是不够的,因此供应商在设备上运行各种加速/压力测试。目标是导致设备故障。
  • 然后,供应商搜索失败机制并解决任何潜在的问题。
  • 从那里,模型是开发的并用于预测正常情况下的产品寿命。

在这个过程中,设备要经受一连串的测试。例如,高温反向偏压(HTRB),一种常见的测试,在温度下检查器件的退化。为此,设备被放置在一个特殊的HTRB老化测试系统中,并经受高压和高温。

一旦设备符合规格,它们就会运到一个包装房屋,在那里它们被包装和测试。沿途,包装部件也经过单独的可靠性测试。

供应商希望在苛刻的条件下查看包装。这样,如果需要,他们可以对产品进行任何更改。它还有助于预测产品在正常应用压力下的寿命。

在包装中使用的加速测试包括热循环、冲击测试、高温和湿度(HAST)测试、机械应力和跌落测试。

不是所有的包都有相同的可靠性测试要求。汽车和军事/航空航天的规格比消费类产品更严格。不过,根据各种因素的不同,一个给定的产品可能通过了实验室中的所有测试,但在实际应用中仍然会遇到问题。

“最初,想法是这些类型的测试将预测产品的寿命。当您进行加速测试时,您尝试在更长的时间内在室温下获得测试预测,“IMEC的Beyne说。“现实是,当然,这些测试往往远离现实生活条件。你不能只是假设室温发生相同的机制。您还有风险的风险,其中一些测试将导致工程。并且可能有你忽视的东西。“

所有人都说,可靠性测试很重要。但是,从一开始就确保产品是可靠的同样很重要。“你可以具有机械,热和化学胁迫。一切都有风险。但它真的是关于你如何减轻设计阶段的风险,“高级进程工程师萨姆萨德里说QP技术

Wirebond可靠性
根据TechSearch的说法,今天的大约75%至80%的套餐基于引线键合。电线焊接器使用微小的电线将一条芯片缝合到另一个芯片或基板。引线键合用于低成本的遗留封装,中间封装和内存堆叠。

图1:包中的线夹线来源:K&S

图1:包中的线夹线来源:K&S

这些年来,金属丝焊接器已经变得更加先进,也可以为特定的应用定制。例如,Kulicke & Soffa (K&S)推出了针对性价比、高端、LED和内存市场的保固剂。

K&S首席技术官Bob Chylak表示:“我们正在为下一代机器添加智能传感和自适应控制。”“该能力将寻找由于应用程序、工具、材料或粘结剂变化而导致的产量下降。它还将提供预测性维护。我们的目标是让越来越多的工厂机器在需要更少操作人员的情况下,同样完美地运行。”

高级键合器在更精细的音高节点上启用具有更多骰子堆栈的包。“节距最先进的是约40μm。粘结剂能够更精细的球场,但今天没有行业。在堆叠的模具方面,我们在生产中有8个甚至16个模具堆栈。我们已经完成了多达128个死亡的野生原型。“粘接似乎并不是极限”,“Chylak说。“设备上有四行或更多行垫非常常见。这种多层焊盘布局可实现1000多种I / O用于引线设备,使电线键合更多的区域技术而不是外围技术。导线键合循环设计和编程对于这些设备来说非常具有挑战性。“

为了防止任何误子,来自K&S和其他的引线接合器具有实时电动测试功能,检查每个键后的电连接。这确保了过程中的高收益率。

然而,可靠性问题也可能发生。在2010年代,许多IC供应商从金线转向铜线。当时占主导地位的线材是金,对许多应用来说都太贵了。今天,以铜为基础的线绑包占据了市场的主导地位,但黄金仍在使用。

铜价格低廉,导电性高,但有时它容易腐蚀,导致电线连接的封装失效。这是由于氯化物中的卤素离子,它们存在于霉菌化合物和其他来源中。

Hast用于测试腐蚀。在系统中,将包装在130℃下进行85%湿度。

为防止故障,工具和材料供应商必须在此过程中早期协作。“这个想法是使化合物无卤,但不是那么卤素,它具有过高的成本,”Chylak说。

还可能出现其他问题。“在粘接过程中,主要问题是材料变化、污染或过早的刀具磨损。这其实很罕见。”他说。“对于封装线结集成电路,有两件事需要考虑——大批量组装工艺的合格性和组装后部件的寿命。”

为此,有各种各样的可靠性测试,如温度循环、偏置测试和高温储存寿命测试(HTSL)。根据EAG实验室的说法,有偏的HAST在设备上施加电压,并将其置于高压和高温下。根据EAG的说法,HTSL测量设备在高温环境下的电阻。

线接机用于制造几种封装类型,如QFN和quad平板封装(QFP)。这些属于包类型的leadframe组。引线框架是一种金属框架。在生产过程中,模具附着在机架上并连接。

QFN和QFP用于汽车,消费者,MIL Aero,RF和其他市场。“QFN的一个优点是暴露的管芯桨,”QP的Sadri说。“底部暴露的模具划桨给了你更好的热量。如果将相同包装的热阻抗与带有没有引线的QFN相反,则热阻抗是引线对应的一半。“

QFN是一种成熟的技术,但它们变得越来越复杂。“QFNS只有几毫米的广场,带有4和6个引线,高达12mm x 12毫米广场。然后,在3到12毫米之间,萨德里说,在3到12毫米之间,有不同尺寸的味道不同的尺寸。“我们已经看到了一个6mm x 6mm的QFN,并在那里掉了15个组件。我们也看到了一些堆叠在那里。它基本上是一个小QFN内的一个包装包。QFN未来是什么?更多I / O.在RF应用程序中看到更多的事情发生了更多的事情。“

然而,也存在一些问题。通常,QFN可以承受1000次热循环。相比之下,带铅的QFP可以承受10,000次热循环,-40°C至125°C。

QFP是一个带有焊点的铅封装。QFN利用焊点。在某些载荷下随着时间的推移,焊点可以进行疲劳。“客户将包括热循环测试,作为QFN包装的一部分。温度循环可用于测量焊接长期可靠性,“QP技术销售和营销副总裁Rosie Medina说。

湿度敏感水平(MSL)测试也很常见。“执行MSL测试以识别对湿度诱导的应力敏感的非密封SMD(表面安装装置)的分类水平,”QP的南德里说。

高级套餐:粉丝,3D
同时,先进的包装正在蒸汽。扇出是一种先进的封装类型,用于消费、工业和移动应用程序。在扇出的一个例子中,DRAM芯片被堆叠在包中的逻辑芯片的顶部。

图2:高性能计算包装的不同选项,基于插入器的2.5d与底板(Focos)上的扇出芯片)。来源:ASE.

图2:高性能计算包装的不同选项,基于插入器的2.5d与底板(Focos)上的扇出芯片)。来源:ASE.

在扇形流动过程中,晶圆片上的芯片被切割并放置在晶圆片状结构中,该结构中填充了环氧树脂模具化合物。这叫做重组晶圆片。

然后,再分配层(RDL)形成在包装中。RDL是铜金属连接迹线,其将包装的一部分电连接到另一个包。RDL通过线路和空间测量,指示金属迹线的宽度和间距。

图。图3:RDL衬底底部的横截面。来源:amkor.

图。图3:RDL衬底底部的横截面。来源:amkor.

然而,在流动期间,晶片状结构容易翘曲。然后,当模具嵌入化合物中时,它们倾向于移动,导致效果称为模档。这会影响产量。

尽管如此,粉丝正在进入越来越远,沿不同的方向移动。在5G例如,一些供应商已经开发出扇形天线封装技术。这个组件将射频芯片和天线结合在一起,增强系统中的信号。

“我们看到很多人对5G感兴趣,无论是现在的39GHz、60GHz还是28GHz,原因就是天线,”华为高级副总裁殷昌表示ASE.。“即使在5G之前,我们也在手机上看了近12个天线。我们需要一个用于WiFi,一个用于蓝牙,一个用于GPS,也许是LTE频率的四到六个。最重要的是,我们必须适合三到四个额外的5g天线。我们有机会将这些天线集成到包装中,因为手机无法更大。每个人都想要较薄的手机和更多的功能。因此,我们要在扇出包装中完成所有这一切,您需要减少整体形状因素,无论您是否在芯片顶部的RDL上使用混合衬底或扇出,以创建此天线解决方案。“

在另一个应用程序中,扇出是使用更精细的RDL的更多I / O,实现高级多模产品。在最近的一篇论文中,TSMC描述了超高密度扇出封装,其具有0.8μm的线/空间。通常,FAN-OUT在2μm的线/空间和上方包含RDL。根据TSMC的说法,带有0.8μm线/空间的扇出套件,可实现4倍的带宽超过2μm线/空间。

在射频、超密度和其他应用中,细间距rdl面临一些挑战。“在这种情况下,部署更细的RDL线理论上会诱导更高的耐药性,”研究人员t·柯(T. Ko)说台积电在Ectc最近的一篇论文中。“这种阻力升高将相应地影响数据速率,这对总带宽有害。”

在其工作中,TSMC研究了RDLS - 电迁移和压力迁移的两个故障机制。电迁移它指的是由于电流流过导体而导致原子的位移。应力迁移会形成孔洞,导致芯片产生阻力。

要了解这些故障机制,TSMC进行了几种可靠性测试,如热循环,Hast和HTSL。这只是为了RDL。包装的其他部分可能需要类似或不同的测试。

同时,该行业正在开发一类新的2.5D / 3D包。在一个示例中,使用尖芯方法,英特尔最近推出了一个3D CPU平台。

小芯片是包装中的最新热潮。为此,芯片制造商可以在库中具有模块化模块或小芯片的菜单。客户可以混合和匹配小芯片,并在包装​​中使用芯片到模具互连方案连接它们。

小芯片背后的想法是将更大的单片模具分解成较小的模具。“有很多不同的方法可以拿一个大的死亡,并将其突破到更好的东西,希望能够降低成本,”先进的包装开发和集成副总裁Mike Kelly说公司。“这当然更容易更快地进入市场,因为你不需要为每一个模具做定制设计。你可以做一些重用。但客户有不同的方式来实现这一目标。有些公司做小的CPU芯片和大的I/O芯片。还有一些人决定不这样分手。它们都有独立的单元,这些单元都是相同的,可以根据性能或价格点进行放大或缩小。”

在这些架构中,DIES也可以堆叠在彼此之上。为此,在每个模具的顶部上形成微小的铜微泡和柱。一个模具被翻转,并且管芯的每一侧的凸块粘合在一起。凸起和柱子提供不同的设备之间的小型快速电气连接。

最先进的Microbumps / Pillars是带有40μm间距的微小结构。使用现有设备,该行业可以将凸起间距缩放为至少20μm,也许超出。

“随着肿块变小,需要考虑电迁移,因为电流密度会增加,”Imec的Beyne说。“当然,还有热热点。这些东西会变得非常热。它们还可能由于热梯度而造成局部压力。”

在某些时候,Microbump技术将用完蒸汽。然后,该行业需要一种新的互连技术,即铜混合键合。

在铜混合键合中,在Fab中处理晶片。金属焊盘形成在晶片的表面上。单独的晶片经历类似的过程。两个晶片是粘合的。

在最近的一篇论文中,IMEC评估了晶片到晶片混合粘合晶片的热,机械和可靠性性能,在2.5μm间距。IMEC设计并堆叠了65nm芯片。

Imec的研究人员Vladimir Cherman在论文中说:“混合垫面继续缩小到亚μm尺寸,增加互连密度,并减少垫面接触面积。”“在封装和/或可靠性测试期间,这两个因素可能会危及混合互连机的电气性能及其热机械稳定性。”

这不是唯一的问题。Imec的Beyne说:“这些体系结构,特别是这些复杂系统的一个问题是,你最终需要将大型硅结构或其他结构堆叠到一个包上。”“你还需要一个层压包装。所以有一个非常大的模具包的可靠性问题。如果你把所有这些都放到另一个基底上,你必须控制两者之间的不匹配。随着系统规模的扩大,这个问题也会越来越严重。你会遇到像翘曲这样的问题,但这更多的是制造问题而不是可靠性问题。这有时会导致失败。”

在IMEC的工作中,研究人员开发了4点机械弯曲试验。这用于模拟IC包装中的热循环效果。

“如果你粘接,你会研究它是否失败的基本物理行为,”Beyne说。“在此之后,它归结为何时出现任何问题的计量。如果在处理中出现问题,则存在空隙或粒子等问题。这些是可靠性的可能性大问题。您需要在检查中进行一些良好的分析和方法。“

由于其他原因,过程控制是至关重要的。钟形设计中的坏死可能导致整个包装失败。问题可能发生在模具或材料水平。“流程控制挑战在较小的节点中绝对更大,”朱莉普利,质量材料总监Julie Ply说啤酒科学。“较小的节点材料的值通常会增加,使早期检测和校正更重要,以减轻潜在的损失。”

结论
包装在整个行业方面变得更加重要。这是一种开发复杂的系统级设计的方法。

所以包装必须是可靠的。但确保可靠性并不总是那么容易,必须更好地理解。

- ed sperling贡献了这份报告。

相关案例
高级包装中有什么问题
更多的异质设计和包装选项增加了整个供应链的挑战,从设计到制造,再到现场。

动量构建高级包装
增加了更多尺寸的密度,速度较快到市场。

比赛更先进的包装
混合绑定开辟了模具模具的巨大改善,但没有琐碎。



留下一个回复


(注意:此名称将被公开显示)