先进封装的大敌：翘曲

热致翘曲（Thermally induced warpage）是由不同材料在受热时膨胀速率不一致所导致的，目前在大尺寸芯片和封装中正变得日益棘手。解决这一难题的方案，或许在于引入一类受热时反而会收缩的新型材料。

与其完全依赖少数几种具备收缩特性的天然物质，业界公司正将重点转向具有晶格结构（lattice structure）的混合材料，这种结构能够抵御材料想要膨胀的冲动。将此类材料用于底部充填（underfill）和封装模塑化合物（molding compound），可以在保持大尺寸封装刚性的同时，有效遏制翘曲现象。

翘曲现象（尤其是在大尺寸封装和面板中）的发生，是因为基板、芯片以及周围的模塑化合物等材料在受热时的行为存在差异（热失配）。这是制约封装基板、转接板（interposer）和面板不断扩大尺寸的最大瓶颈之一。结合面积越大，边缘连接不良或彻底失效的可能性就越高。甚至在键合之前，过大的翘曲度就会导致真空吸盘等标准制造设备的功能失效。

“真空吸盘虽然可以将翘曲拉平，但如果翘曲过于严重，你就无法获得良好的真空度，”Amkor 晶圆服务高级经理 Knowlton Olmstead 表示。

在两种热膨胀系数（CTE）不同的材料交界处，某种程度的翘曲几乎不可避免。举例来说，对于两层相连的材料，如果底层材料的 CTE 较高，它就会倾向于以自身速率大幅膨胀；但假设两层材料粘合良好，上层材料就会限制它的膨胀。这会导致底层材料的边缘向上卷曲。

理论上，只要存在 CTE 差异，就不可能彻底消除翘曲。问题的关键在于：翘曲到什么程度算“过量”？如果过量了，又能采取什么对策？

“我们会进行一定程度的前期建模来预测翘曲，然后可以通过拉动一些‘杠杆’（调整参数）来控制它，”Olmstead 补充道。

如果硅是其中一层（通常如此），减薄硅片厚度可以降低翘曲程度。“如果硅片更薄，低 CTE 硅的影响就会降低，”Amkor 芯粒/FCBGA 集成业务副总裁 Mike Kelly 表示，“在极极端情况下，你可以把它做得超薄，这样它就能贴合所粘附的任何物体的形状。但这又会带来新问题，因为在应对高功耗场景时，没人希望使用太薄的硅片。”

翘曲还会影响玻璃等新材料的应用前景。“拟制造的面板尺寸越大，看到的翘曲就越明显，”Synopsys 首席产品经理 Lang Lin 表示，“如今我们讨论的是微米级的翘曲，但如果是玻璃，翘曲可能会达到毫米级。”

目前正在探索的一种方法是找出或设计出在受热时会收缩的材料，即赋予其负热膨胀系数（negative CTE）。

“负 CTE 材料可以通过多种方式来抵消膨胀，”Brewer Science 研究科学家兼 IV 组组长 Luke Prenger 表示，“使用方式取决于最初为什么需要抵消膨胀。对于应力管理和降低翘曲等需求，负 CTE 材料有助于更好地匹配不同材料之间的 CTE。一个典型应用案例是将填充剂添加到聚合物材料中——聚合物的 CTE 通常远高于无机物，通过添加填充剂来降低聚合物基质的整体 CTE，使其更接近器件中的金属层和其他组件。降低或调节有机层的 CTE 使其贴近无机层，有助于减少器件中的翘曲和整体应力累积。”

导致翘曲的材料界面之一，是用于填充和底部充填的环氧模塑化合物（EMC）。它填补了封装内部的所有主要缝隙，因此当温度变化时，它会影响所接触的一切结构。改变该化合物的成分可以缓解翘曲——关键在于改变 CTE，其中负 CTE 是抵消相邻正 CTE 的理想选择。此外，将正 CTE 材料与负 CTE 材料混合，也可以改变组合材料的整体 CTE。

有多种材料可以展现出真正的负热膨胀（NTE）特性，不过这通常仅发生在特定温度范围内，也可能与相变相关。例如，水在 3.98 °C 以上表现正常，低于该温度则向结冰状态转变。众所周知，冰由于其分子结构的原因密度低于水，因此当水在 3.98 °C 到 0 °C 之间逐步形成这种构型时，它会在最终彻底结冰前发生膨胀。

与展现出真正 NTE 特性的材料不同，另一类物质则是由封装在晶格中的普通材料组成，由晶格来限制其膨胀。这种晶格的结构对于决定被封存物质的行为至关重要。

“关键在于填充剂自身的结构，”三菱化学集团（Mitsubishi Chemical Group）半导体业务全球市场与业务发展高级总监 Sanjiv Bhatt 表示。

固体可以拥有极其多样化的分子排列方式。聚合物可以是无定形的，而无机材料通常具有某种晶格结构。材料科学家会对不同的结构进行分类，并研究它们的流变特性（即研究它们如何流动）。

他们用“纸牌屋”（house-of-cards）、“刚性棒”（rigid-rod）或“四面体”（tetrahedral）等词汇来描述晶格结构。这些结构各自表现不同，可以在一个或多个维度上建立刚性。晶格（也称为基质或网络）内部包含的内容也会影响流动，组合而成的 NTE 材料就反映了这样一种结构——限制性基质中嵌入了功能材料。

“这更多是网络结构的问题，而不是单纯材料本身的问题，”Bhatt 解释道，“并非所有东西都会形成相同的网络。碳粉会形成絮凝网络（flocculated network）；如果看碳纤维网络，那是一个起增强作用的刚性棒网络。因此，如果你把碳纤维放入基质中，就像把木头扔进河里。如果我在水里放木头，对水流动能力的影响微乎其微——它会有些许限制，但水依然能在木头缝隙间穿流。但如果我在水里放入大量黏土，就会把水弄混浊，并字面意义上限制水的流动，因为你改变了它的黏度。”

这种由基质包裹另一种材料的结构，能够限制被封存物质膨胀的倾向。受热时，它甚至可以通过重新定向结构中的分子来实现微幅收缩。在流变学中，膨胀和收缩被当作流体力学行为来研究，因此在受限情况下，流动被重新引导，从而规避了原本可能发生的翘曲。

“很多人谈论收缩和膨胀，但对我来说，从流变学角度看，这些都是低剪切速率下的流动行为，”Bhatt 表示，“当你观察基质中的物质时，加热时它之所以收缩或膨胀，是因为它必须流动。分子想要松弛放松，而这种流动会寻找最轻松的路径。现在你融入某种东西把它框住（囚笼化），就改变了这种流动的动力学。”

“在这些[填充]材料中，你拥有一个‘纸牌屋’式的晶格，它不允许自由移动，网络自行排列，使得最终形成的基质呈现出负 CTE，”Bhatt 说，“自组装（self-assembly）就是化学发挥作用的地方——你必须确保这些物质经过适当的官能化，以便它们能以特定的方式自我排列。”

一种材料试图膨胀，却被另一种结构强行限制，这引发了一个疑问：基质是否会因膨胀材料施加的压力而破裂？答案是肯定的。这被称为熔化（melting），此时整个构型归于坍塌。

“如果你有一个基质，你把它熔化，它开始流动，这就好比破裂的类比，”他说，“但到了那个阶段，材料已经达到了基质的热承载极限。”

尽管这种基质改变了被封存材料的流动特性，但它并不会改变该材料的特征温度。“增强结构对基质材料的热转变行为几乎没有影响，”Bhatt 指出，“它绝不会改变玻璃化转变温度或熔融转变温度。”

这并不是要制造出热膨胀系数恰好为零（zero-CTE）的材料，其核心思路是调控化合物的 CTE，从而将不同材料之间的差异最小化。

“我们的负 CTE 填充剂会随着温度升高而收缩，从而抵消树脂的自然膨胀，”Bhatt 表示，“通过降低并精确调控模塑化合物的有效 CTE，可以减少芯片、基板和封装胶之间的热膨胀失配，有助于将应力和封装翘曲降至最低。”

NTE材料非常罕见，这是其短板所在。“负 CTE 材料的选择非常有限，”Prenger 证实道，“β-尤克石（β-eucryptite）正被积极用作某些工具中卡盘和部件的陶瓷材料，而钨酸锆（zirconium tungstate）则被用作各种模塑化合物和底部充填材料的添加剂。”

虽然尤克石（意为“隐匿深藏”）可以在自然界中找到（显然前提是你足够努力去找），但钨酸锆并非天然存在。由于在全部三个维度上都具备 NTE 特性，它是人工合成的 NTE 物质之一。这类材料的设计难度极高。

“除了负 CTE 材料本身的可选项极少外，设计新材料也非常复杂，而且目前仅存在于无机材料领域，”Prenger 解释道，“对于有机材料，几乎所有被标注具有负 CTE 的聚合物材料，都仅在单维方向上呈现负值，而非三维方向。这导致有机材料只能局限于添加无机填充剂这一途径。”

尽管 NTE 材料作为研究课题已有相当一段时间，但三菱化学集团近期已正式推出了此类商业化材料。这是一种可以与有机环氧树脂混合的无机材料，用于定制环氧树脂的 CTE。此外，它还提供与树脂预混好的成品。

(图 1：三菱化学的 NTE 材料可混合到用于电子封装的环氧树脂中。来源：三菱化学集团)

如果这一方案得到验证且其他材料公司纷纷跟进，它可能会成为半导体封装的标准配方。不过要取得商业成功，这些材料必须在宽温度范围内保持稳定性能，不仅要覆盖加工工序，还要能承受更高温度的制造操作。它们必须能够轻松且均匀地混合到树脂中，同时绝不能因杂质引发α粒子发射而带来意外副作用。

如果一切按计划推进，这或许将成为推动更大尺寸封装和面板问世的又一坚实步骤。

点这里👆加关注，锁定更多原创内容

*免责声明：文章内容系作者个人观点，半导体芯闻转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体芯闻对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。