芝能智芯出品
先进封装技术正成为芯片制造产业的关键驱动力。台积电、三星和英特尔不仅在芯片制造中占据主导地位，也在先进封装领域引领潮流。
在台积电的3D Fabric技术体系中，包括InFO、CoWoS和SoIC在内的先进封装技术已成为该领域的标杆，随着芯片尺寸减小和封装复杂性增加，应变和应力对封装的可靠性、性能和设计提出了新的挑战，探讨先进封装中的核心问题和解决方案，具有重要的产业意义。
Part 1
什么是先进封装？核心问题与分析
先进封装是现代集成电路制造领域中的关键环节，它突破了传统封装技术的局限，旨在实现更高的芯片集成度、更强的性能以及更优的功能多样化。
传统封装主要侧重于芯片的物理保护与基本电气连接，而先进封装则通过创新的设计理念与工艺技术，将多个芯片或芯片模块进行三维集成，实现芯片间的高速互联、异构集成以及系统级优化。
简单来说，先进封装技术将多颗芯片集成在一个封装模块中，实现性能提升、功耗优化和小型化设计，通过扇出型封装（Fan-Out）、硅转接板（Silicon Interposer）、重新分布层（RDL）等技术突破传统封装的限制，提供更高的I/O密度、更低的延迟和更高的信号完整性。
台积电的InFO、CoWoS和SoIC技术体现了先进封装的发展方向。比如，InFO通过重新分布层技术实现多芯片集成；CoWoS通过硅中介层提供高密度互连；SoIC则通过晶圆对晶圆（WoW）堆叠实现真正的三维集成。
然而，先进封装在带来性能与效率提升的同时，也面临核心问题。
先进封装中的核心问题:
● 热应力与机械应力挑战
◎ 在异构芯片组件中，热应力和机械应力问题尤为突出。随着基板变薄以缩短信号传输距离，硅基板的散热效率降低，晶格失配导致的翘曲以及不均匀的加热和冷却现象频繁出现。
这不仅给互连结构带来巨大压力，使得数千个微凸块之间的接触难以维持稳定，进而导致性能下降与产量降低，还极大地增加了解决所有可能物理效应、依赖性和相互作用所需的时间和成本。例如，在多芯片设计中，不同芯片的材料热膨胀系数（CTE）差异会在温度变化时引发应力，可能导致芯片开裂、分层或互连故障等可靠性问题。
◎ 从制造过程来看，在回流焊等环节，由于温度曲线的变化以及材料的 CTE 不匹配，器件内部会产生应力。
这种应力不仅影响机械结构的稳定性，还会对晶体管的电气行为产生影响，改变导线上的电阻以及晶体管的阈值电压等宏观参数，从而对整个芯片的性能产生难以预测的干扰。
● 架构设计复杂性增加
◎ 芯片组在先进封装中面临着走线密度与架构优化的挑战。在 2.5D 或 3D 集成设备中，芯片间的走线密度与传统 2D 芯片组有显著差异，从几十纳米到几百微米不等。
这意味着在维持芯片组边界上的走线密度时需要付出更高的代价，包括更高的功率消耗、更大的面积占用以及更高的延迟等。例如，在设计数据接口时，需要从架构层面综合考虑这些开销，确保在特定应用场景下能够平衡性能与成本。
◎ 此外，先进封装中的芯片与 SoC 本身的联系更为紧密，不像传统的 PCIe 接口那样具有完全的互操作性。
在芯片分解与集成过程中，需要精心设计数据接口，深入了解总线的流量模式、延迟与吞吐量的容忍度等因素，以实现与特定应用程序的高度适配，这无疑增加了架构设计的复杂性与难度。
● 多物理场相互作用与建模需求
◎ 热、机械和电气效应在先进封装中日益相互关联和依赖，形成了复杂的多物理场环境。例如，热会导致应力产生，应力又会引起弯曲并影响晶体管行为，进而改变电路的电气性能。
这种相互作用使得传统的单一物理场分析工具难以满足设计需求，对能够同时模拟多物理场效应的工具的需求愈发迫切。
◎ 工程师通常在封装设计早期使用有限元分析（FEA）求解器来解决应力应变问题，但高应力区域的可靠性问题仍然严峻，如互连故障、芯片开裂或分层等风险依然存在。
对于模拟设计而言，如果不能及早考虑应变对晶体管电气行为的影响，可能会导致电路行为出现无法预料的偏差，影响整个芯片的功能正确性与稳定性。
● 针对以上问题，在其技术平台中提出了一系列优化策略，
◎ 通过InFO的高密度重新分布层（RDL）和微凸块（Micro Bump）技术，减小热膨胀系数差异引起的应力集中；
◎ 采用CoWoS硅转接板的深沟槽电容器结构，增强了信号完整性与功率稳定性，SoIC在晶圆对晶圆堆叠中通过精准对准与粘结技术，减少了机械应力。
Part 2
一些处置的办法和核心建议
在设计过程的早期阶段，就应将热分析纳入架构探索与规划之中。通过对整个多芯片堆栈（包括芯片、中介层、封装和 PCB）进行热建模与分析，预测可能出现的热热点与热耦合问题，提前优化电力分配网络设计，以控制热量的产生与传播，避免因热问题导致的应力集中与性能下降。
深入研究芯片之间的热耦合效应，考虑不同芯片的发热特性与布局关系，合理规划芯片的堆叠顺序与间距，优化散热通道，确保热量能够有效散发，减少热应力对芯片和互连结构的影响。
优化材料选择与工艺控制，精心挑选具有兼容 CTE 的材料，降低不同材料界面处的应力问题。
例如，在选择硅中介层、基板以及芯片粘接材料时，应充分考虑它们的 CTE 匹配性，减少因温度变化引起的应力差异。与 OSAT 和代工厂紧密合作，获取准确的材料数据，深入了解制造工艺对材料性能和应力应变的影响。在制造过程中，严格控制工艺参数，如回流焊温度曲线、键合压力等，减少因制造工艺引入的额外应力。
完善多物理场建模与仿真，开发和应用能够集成热、机械、电气等多物理场分析的工具与工作流程。
通过多物理场模拟，全面捕捉各物理域之间的相互作用，精确分析应力应变分布对芯片性能和可靠性的影响，为设计优化提供准确依据，采用数字孪生技术，在虚拟环境中对芯片的设计、制造和运行过程进行全面模拟与验证。
通过建立高精度的数字模型，提前预测芯片在不同环境条件下的长期互连行为、应力应变变化以及性能表现，减少对昂贵且耗时的物理测试的依赖，提高设计效率与产品质量。
● 开发低应力、高可靠性材料：封装中的关键材料如粘结剂、硅中介层和封装基板需要优化其热膨胀系数（CTE）匹配性。采用低模量、高热导率的新型材料，有助于降低封装应力并改善散热性能。
● 强化EDA工具链支持：针对多物理域耦合设计，开发专用的封装EDA工具链。例如，集成应力模拟、电热耦合分析的统一平台，可以提高设计效率并降低验证成本。
● 改进热管理方案：引入先进的散热技术如微流道冷却（Microfluidics）、液态金属热界面材料（TIM）和热电冷却模块（TEC），可显著提升热管理能力，满足高性能芯片的需求。
● 提升制造良率与工艺稳定性：在先进封装制造中，采用实时监控与反馈系统优化工艺参数，提升良率，通过小批量试产逐步扩大工艺能力，降低新技术风险。
随着集成电路技术的不断发展，先进封装技术在提升芯片性能与功能密度方面发挥着愈发关键的作用。
台积电的先进封装技术在行业内处于领先地位，其 3D Fabric 体系下的多种封装类型为高性能计算、人工智能、移动设备等众多领域提供了强有力的支持。然而，应变和应力问题作为先进封装中的核心挑战，需要行业各方高度重视。
小结
先进封装技术正推动芯片产业从功能集成向系统级优化迈进，这一技术的复杂性也对产业链的设计能力、制造能力和生态协同提出了更高要求。面对应变与应力问题的挑战，优化材料、改进设计工具、加强生态协作是未来发展的必然趋势。
原文标题 : 先进封装技术：如何解决应变与应力？
