文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：趙先生

本文介紹了芯片的堆疊與堆疊產(chǎn)生的應(yīng)力問題。

多芯片堆疊

多芯片堆疊技術(shù)的出現(xiàn)，順應(yīng)了器件朝著小型化、集成化方向發(fā)展的趨勢(shì)。該技術(shù)與先進(jìn)封裝領(lǐng)域中的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）存在一定差異。先進(jìn)封裝涵蓋多種前沿工藝技術(shù)，如重布線層（RDL）、硅通孔（TSV）、金屬凸點(diǎn)（Bump）以及晶圓級(jí)封裝（WLP）等。晶圓級(jí)封裝已突破傳統(tǒng)封裝在劃片、粘片、鍵合和密封等方面的工藝范疇，像芯片再布線、凸點(diǎn)生長與倒裝焊接，芯片通孔、疊層與互連，乃至扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）、扇入型晶圓級(jí)封裝（FIWLP），均屬于廣義上的封裝概念。部分中道線工藝在一些工廠雖被歸為后道工序，但相較于后道封裝工藝，其與前道晶圓制造工藝的聯(lián)系更為緊密。

多芯片堆疊所構(gòu)建的器件，同樣屬于SIP。不過，其采用的是傳統(tǒng)的芯片粘接和引線鍵合工藝，因此本質(zhì)上屬于傳統(tǒng)封裝類型。芯片的疊層粘接能夠大幅節(jié)省空間，但在操作過程中，需確保下層芯片的管腳（Pad）點(diǎn)不會(huì)被上層芯片或粘接劑覆蓋，以免對(duì)后續(xù)的引線鍵合工序造成影響。多芯片堆疊的形式主要由芯片的大小、形狀以及管腳點(diǎn)的分布決定，常見的堆疊形式如圖1-圖3所示。

圖1 多芯片的錯(cuò)層堆疊

圖2 多芯片的交叉堆疊

圖3 多芯片的金字塔堆疊

多層芯片堆疊應(yīng)力集中

在多層芯片堆疊過程中，由于芯片正面設(shè)有鈍化層，無法采用合金燒結(jié)的方式進(jìn)行芯片間的堆疊，一般會(huì)選用膠黏劑來實(shí)現(xiàn)粘接。具體的粘接工藝流程為，首先將最下層芯片進(jìn)行粘接；接著在最下層芯片表面涂抹膠黏劑，隨后粘接上層芯片，依此方式逐層疊加粘接。研究顯示，由于膠黏劑與硅芯片的熱膨脹系數(shù)存在差異，多層芯片之間會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力。

有研究人員針對(duì)塑封的多層芯片堆疊器件開展建模仿真，識(shí)別出應(yīng)力集中的三種主要形式，如圖4所示。

圖4多層堆疊粘片主要失效位置

多層芯片堆疊應(yīng)力集中產(chǎn)生的失效形式：

芯片與環(huán)氧塑封料分層：上層芯片與環(huán)氧塑封料之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這一應(yīng)力致使芯片與塑封料界面處出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

下層芯片損傷：上下層芯片間的應(yīng)力會(huì)在上層芯片的邊角位置高度集中。這種集中應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致下層芯片出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至造成芯片斷裂，對(duì)器件造成致命性破壞，具體可參考圖5。

圖5下層芯片裂紋

芯片與膠黏劑整體和環(huán)氧塑封料分層：下層芯片邊緣與環(huán)氧塑封料之間存在應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)使芯片和膠黏劑構(gòu)成的整體，與環(huán)氧塑封料之間發(fā)生分層。

研究表明，上述應(yīng)力的大小，與材料的熱膨脹系數(shù)、芯片厚度等關(guān)鍵參數(shù)緊密相關(guān)。

芯片的裂紋

為了通過目檢清晰觀察膠黏劑從芯片四周溢出的輪廓，通常會(huì)在芯片下方懸空部位填充不導(dǎo)電膠。研究人員將硅片切割成與待封裝芯片相同尺寸，并分別堆疊至兩層、三層、四層，隨后開展 -55℃至125℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，填充不導(dǎo)電膠的電路出現(xiàn)了熱失配問題。在溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，上層芯片均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，裂紋首先沿底層芯片邊緣位置擴(kuò)展，最終有可能貫穿整個(gè)芯片，具體現(xiàn)象如圖6所示。

仿真結(jié)果表明，使用不導(dǎo)電膠填充的模型，其最大應(yīng)力位置與實(shí)際觀察到的上層芯片裂紋位置一致，均出現(xiàn)在上層芯片、填充的不導(dǎo)電膠、下層芯片邊緣三者的交接面上。而未使用不導(dǎo)電膠填充的模型，上層芯片的最大應(yīng)變相較于使用不導(dǎo)電膠填充的模型，降低了91.7%。由此可見，硅芯片與膠黏劑之間匹配性的差異，是引發(fā)芯片裂紋的主要原因。這些裂紋在溫度循環(huán)等可靠性試驗(yàn)過程中，會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致芯片斷裂。底部無填充的堆疊芯片情況，如圖7所示。

圖6堆疊粘片的裂紋

圖7無填充的堆疊芯片

爬膠與膠膜

在傳統(tǒng)封裝工藝?yán)铮酒辰悠毡椴捎弥苯油磕▽?dǎo)熱膠的方式。這種導(dǎo)熱膠不僅使用便捷，而且能提供足夠的粘接強(qiáng)度。然而，在多層堆疊芯片的場景下，芯片通常會(huì)被減薄至很薄的尺寸，部分芯片厚度甚至達(dá)到100μm。當(dāng)使用常規(guī)導(dǎo)熱膠進(jìn)行這類超薄芯片間的粘接時(shí)，爬膠問題頻繁出現(xiàn)。爬膠會(huì)致使部分導(dǎo)熱膠溢出到芯片表面，污染管腳（Pad）點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的鍵合工序造成嚴(yán)重影響。

為解決這一難題，材料供應(yīng)商研發(fā)出導(dǎo)熱膠膜，以此替代傳統(tǒng)導(dǎo)熱膠。導(dǎo)熱膠膜具有固定的厚度，借助這一特性，能夠有效控制膠量和粘接厚度，從而避免爬膠現(xiàn)象的發(fā)生。不僅如此，導(dǎo)熱膠膜還能在高度設(shè)計(jì)方面提供更大的靈活性。從實(shí)際應(yīng)用來看，在民用產(chǎn)品領(lǐng)域，部分多層堆疊結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了百余層的堆疊。圖8展示了一種存儲(chǔ)器芯片的堆疊示意圖。

圖8一種存儲(chǔ)器芯片的堆疊示意圖