随着用户对电子产品的功能性、可靠性要求不断的提高,对于系统中集成的芯片提出了不断优化的要求。为此,芯片封装过程中相关材料、化学品及其辅材的性能、可靠性和经济性就成了市场所关注的焦点,随着先进封装成为主流,更对相关电子材料提出了更严苛的要求和挑战。
进入后摩尔时代,先进封装对于提升芯片性能带来的优势愈加显著,从WLP(晶片级封装)逐渐向三维发展。目前主流的先进封装包括SiP、WL-CSP(晶圆级封装)、FOWLP(扇出封装)、eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)、PiP(堆叠组装)、PoP(堆叠封装)等,2.5D封装和3D封装技术也逐步成熟并进入商用,近来Chiplet概念更是大放异彩。
先进封装趋势下,封装材料面临哪些挑战?
“先进封装行业在小型化、热管理和降低成本方面面临日益增长的需求。”贺利氏电子先进封装焊料全球产品经理张瀚文指出,
张瀚文-贺利氏电子先进封装焊料全球产品经理
“一是元器件小型化、高密度化、多功能化,系统级封装(SiP)中的元件数量不断增加;二是更小空间,更多电子功能导致更高功率密度功率损耗带来的热量亟需消散,因此热管理、温度控制问题越来越受关注;三是客户越来越注重系统的Total cost of ownership (TCO,总体拥有成本) ,而不在一味单纯追求低成本。这些挑战都对先进封装所需的电子材料带来更大挑战。”
张瀚文解释,首先,随着芯片复杂度提升,芯片封装时焊盘数量也变得越来越多,同时随着元器件尺寸缩小,焊盘、焊料凸点间距和尺寸也越来越小,为此所需的焊锡膏、焊粉也要更细。其次,在热管理趋势下,要求焊锡膏、焊粉等封装材料的热性能要求更高,这表现在两方面。一是在封装流程中有多次回流焊的过程,通常所使用的锡铜合金焊料,回流焊温度在250~260℃左右,这个温度会导致空洞,元件、基板或芯片产生翘曲等不良反应,从而导致可靠性和良率问题,为此低温金属或其他新型材料焊料的开发提上了日程。二是封装好的芯片在使用过程中,比如处理器、射频、功放等器件会产生大量热量,进而影响器件可靠性和使用寿命,对器件散热材料的需求大大提升;最后,缩短新品上市时间是电子厂商保持竞争力的重要战略优势之一,封装工序的简化、周期缩短,使良率得以提升无疑可以大大提升成品产能,减少了各方面风险,也就降低了TCO,而并非简单的降低价格。
不难看出,先进封装大潮下,芯片客户亟需封装连接材料的更大创新,以打造可靠性更高的系统封装的电子器件。据悉,先进封装的关键材料包括焊锡膏(Solder Paste)、底部填充胶(Underfill)、高性能热界面材料(TIM)、临时键合胶(TBA)、光敏性聚酰亚胺(PSPI)、光敏树脂(BCB)等,对材料的力、热、电等各方面性能均有严格要求,保障芯片性能与可靠性。
那么,当前封装材料导致元器件可能发生的缺陷或失效问题有哪些呢?张瀚文以焊锡膏举例说,在各类先进封装过程中,可能由锡膏导致的失效包括空洞、锡珠飞溅、爬锡(抽芯)、桥连、芯片移位等,此外,客户进行钢网印刷工序可能要连续8~10小时长时间工作,锡膏性能在此过程中出现下降也会导致器件可靠性问题。
在一颗封装完成的芯片中,囊括了来自不同供应商的各种材料,在用户不断追求更高芯片性能的趋势下,对材料、接口、工艺和技术的持续全盘优化十分必要,才能应对材料领域前所未有的挑战。“面对先进封装用户痛点,贺利氏正加快推陈出新,带来了很多深受行业信赖的封装产品和解决方案,凭借丰富的材料知识和领先技术,贺利氏将不断为客户提供更多创新技术和解决方案,帮助他们在快节奏的竞争市场脱颖而出。”张瀚文强调。