热湿耦合效应对先进扇出型封装分层可靠性的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Thermal-moisture interaction effects on delamination reliability of advanced fan-out packages

本研究通过双悬臂梁（DCB）实验和三维有限元模型，评估了潮湿环境下扇出型（FO）封装中PI/Cu界面分层行为，分析了湿度扩散、热载荷及机械应力耦合作用下的界面断裂能量释放率，并基于Taguchi方法优化了PI厚度和环氧模塑料（EMC）材料参数，发现增加PI厚度和选用热膨胀系数匹配的EMC可显著降低分层风险。

　　随着人工智能、云计算、自动驾驶和智能制造等技术的快速发展，高性能计算（HPC）系统的需求不断上升。这一趋势推动了电子设备向微型化方向演进，要求更高的互连密度、更小的封装尺寸、更好的电气性能以及更低的制造成本。然而，传统封装技术如倒装芯片球栅阵列（FCBGA）在可扩展性和I/O密度方面存在局限。为应对这些挑战，先进的封装方案，如2.5D集成和扇出（Fan-out, FO）封装技术，逐渐成为研究热点。

扇出封装技术通过使用重布层（Redistribution Layer, RDL）和硅中介层（Silicon Interposer）实现了更精细的芯片与基板之间的互连。这种封装方式能够满足高性能应用对高带宽互连的需求，特别是在GPU、高带宽内存（HBM）和硅中介层之间的连接。同时，FO封装技术结合多芯片集成，使得扇出芯片封装（FOCoS）成为一种重要的解决方案。然而，FO封装在制造和可靠性测试过程中面临诸多挑战，其中材料界面的开裂和封装翘曲是最为关键的问题之一。

材料界面的开裂通常由热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）的不匹配引起。在FO封装中，聚酰亚胺（Polyimide, PI）作为绝缘层，其CTE与铜（Copper, Cu）重布层之间存在显著差异，导致界面应力集中，进而引发微裂纹和逐步开裂。此外，PI层在潮湿环境下的吸湿性会进一步降低界面粘附力，使封装结构在热循环和机械载荷作用下更容易发生失效。这种失效不仅影响封装的结构完整性，还可能损害其电气性能，因此需要对材料界面的粘附性和可靠性进行深入研究。

为了评估FO封装中PI/Cu界面的粘附性能，研究团队采用了双悬臂梁（Double Cantilever Beam, DCB）实验方法。该实验通过模拟实际工作条件下的湿度暴露，测量了界面在拉伸模式下的临界断裂能（Gc）。实验数据包括载荷-位移曲线和裂纹扩展长度，这些数据用于分析界面的粘附行为。同时，研究还开发了一个三维有限元（Finite Element, FE）模型，该模型考虑了湿度扩散、热载荷和机械应力的耦合效应，用于模拟FO封装在复杂环境下的热湿行为。模型的准确性通过与实验测量的封装翘曲情况进行对比进行验证。

在实际应用中，封装翘曲是一个复杂的问题，受到多种因素的影响。这些因素包括材料性能的不匹配、制造过程中的热应力积累以及环境条件的变化。为了更全面地理解这些因素如何影响封装结构的稳定性，研究团队引入了虚拟裂纹闭合技术（Virtual Crack Closure Technique, VCCT），用于分析在同时受到湿度和热载荷作用下，FO封装在关键界面处的开裂行为。VCCT能够提供裂纹尖端的能量释放率（Energy Release Rate, G），从而帮助研究人员评估材料界面的断裂风险。

此外，为了优化FO封装的设计参数，研究团队采用了田口方法（Taguchi Method）。该方法用于评估关键设计参数，如PI层的厚度和环氧塑封料（Epoxy Molding Compound, EMC）材料的性能，对界面断裂能（GI）的影响。通过系统分析这些参数的变化，研究团队能够识别出最优的封装配置，从而有效降低开裂风险，提高封装的可靠性。

研究结果表明，增加PI层的厚度以及选择与Cu层热膨胀系数相匹配的EMC材料，可以显著降低界面断裂能，从而减轻开裂的风险。这些发现为提高FO封装在高湿度和高温环境下的机械可靠性提供了实际的设计指导。此外，研究还强调了在封装制造过程中，表面处理和污染控制的重要性，以确保材料界面的粘附性能不受影响。

在实际应用中，封装的可靠性不仅取决于材料的选择，还受到制造工艺的影响。例如，铜残渣的存在会阻碍聚合物的相互扩散，降低界面粘附力，并促进层间开裂。因此，优化制造流程，确保材料界面的清洁度和完整性，是提高FO封装可靠性的关键步骤。同时，研究团队还发现，蒸汽压力在封装过程中起到了重要作用，尤其是在回流焊（reflow）条件下，蒸汽压力的增加会显著提高界面脱粘的风险。因此，在设计和制造过程中，必须充分考虑蒸汽压力的影响，以确保封装结构的稳定性。

研究还指出，传统的载荷-位移曲线方法虽然能够估算临界断裂能（Gc），但在评估湿度和温度耦合条件下的界面韧性以及裂纹扩展行为方面存在局限。因此，需要更精确的建模方法，以准确预测封装在复杂环境下的性能。研究团队开发的三维FE模型结合了湿度扩散、热载荷和机械应力的耦合分析，能够更全面地反映实际工作条件下的封装行为。该模型的验证结果显示，其在预测封装翘曲方面的准确性较高，为后续的优化分析提供了可靠的基础。

为了进一步提升FO封装的可靠性，研究团队还探讨了多芯片封装策略对界面性能的影响。随着同质和异质芯片共封装技术的普及，封装设计需要兼顾多种材料和结构的兼容性。研究团队通过系统分析关键设计参数，如PI层厚度、EMC材料性能以及制造工艺的选择，提出了优化方案，以提高封装在复杂环境下的稳定性。这些优化措施不仅能够降低界面开裂的风险，还能提高封装的整体性能，满足高性能计算和深度学习等应用的需求。

综上所述，FO封装技术在推动电子设备微型化和高性能化方面具有重要意义。然而，其可靠性仍面临诸多挑战，尤其是在材料界面和制造工艺方面。通过实验分析、数值模拟和优化设计相结合的方法，研究团队为提高FO封装的可靠性提供了科学依据和实用建议。这些研究成果不仅有助于优化现有封装技术，还为未来更复杂和高性能的封装设计奠定了基础。