半導體后端工藝：封裝設計與分析

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半導體封裝設計工藝

▲ 圖1: 半導體封裝設計流程的各個方面（? HANOL出版社）

圖1顯示了半導體封裝設計工藝的各項工作內容。首先，封裝設計需要芯片設計部門提供關鍵信息，包括芯片焊盤（Chip Pad）坐標、芯片布局和封裝互連數據。然后，團隊將根據封裝材料設計由基板（Substrate）和引線框架（Leadframe）組成的半導體封裝結構。這一過程涉及應用設計規則，需要充分考慮封裝的批量生產、制造過程、工藝條件和所需設備等。

封裝可行性審查應在封裝開發初期進行，審查結果需要提交給芯片和產品設計人員做進一步反饋。完成可行性研究后，須向封裝制造商下訂單，并附上封裝、工具、引線框架和基板的設計圖紙。交付用于封裝的晶圓時，除了引線或焊接凸點（Solder Bump）連接的設計圖紙外，還需要準備好工具、引線框架材料和基板。引線或焊接凸點連接的設計圖紙必須提前分享給封裝工藝及制造工程師。

收到這些設計圖紙后，封裝設計工程師將開展可行性測試。具體來講，使封裝錫球（Solder Ball）的布局和芯片的焊盤序列關聯在一起，以確定這種布線方式是否可行。通過前期的可行性研究，工程師將提出有關封裝錫球排列、封裝尺寸和規格的建議，以改進半導體芯片和器件的特性與工藝。

02

優化封裝特性

▲圖2：封裝設計優化流程（? HANOL出版社）

封裝設計優化流程如圖2所示。在封裝可行性審查的初始階段，提出最佳焊盤位置，再確保接線的可行性。為了優化這些工藝特性，需要對結構特性、熱特性和電氣特性進行分析。

如今，為了滿足半導體行業針對傳輸速度、集成度和性能日益增長的需求，這些特性有必要進行全面提升。就電氣特性而言，封裝時增加錫球，可以增加連接印刷電路板（PCB）上引腳（Pin）的數量，從而添加更多布線。這樣一來，基板、引線框架和印刷電路板的設計將變得更加精細和復雜。這就會導致這些設備的制造會受制于封裝公司和基板等組件制造商的工藝能力。因此，在半導體封裝設計中，為了避免質量問題，需要制定與材料、工藝和設備相關的設計規則，定期對這些規則進行審查，并分享給芯片設計人員及基板和封裝制造商。

基于共享的設計規則，封裝工藝工程師和基板制造工藝工程師可合力縮小封裝錫球的尺寸和間距，以及信號布線的寬度和間隔。同樣，設計規則中還會明確規范從工藝性能到電氣規格在內的一系列細節。此外，設計規則中還會詳細說明管理封裝和基板容差1的方法，以及核查封裝工藝性能的方法。

更具體地說，設計規則還可以用來滿足嚴格的電氣規格容差管理。為了滿足電氣規格，團隊需要根據預先驗證的設計數據繪制圖紙，來規劃并依次制定三個方面的容差：每條高速信號線；管理每條信號線阻抗2一致性的電介質3厚度；以及能夠實現最佳低功耗設計的過孔尺寸4。另一方面，為了提高封裝效率和批量生產能力，團隊在設計諸如基板等器件時會考慮使用標記模式，以注明符合標準的器件，并將其作為設計規則進行管理。

1容差(Tolerance)：性能差異導致的空間或數字上的誤差范圍。

2 阻抗(Impedance)：衡量電路阻礙電流通過能力程度的指標。

3電介質(Dielectric)：通過施加電場可以被極化的一種電絕緣體。

4過孔尺寸(Via Size)：印刷電路板中不同層之間用于電氣連接的孔的尺寸。

03

分析封裝結構

針對半導體封裝結構，可通過計算機模擬的方式去分析。通常情況下，計算機模擬分析過程會將推導出的一般方程應用于特定條件中，以便深入了解特定情況。標準的計算機模擬分析過程包括四個步驟。

首先，將支配某種自然現象的要素以及這些要素之間的關系歸納為數學表達式，如控制方程5，然后對分析對象進行建模，以便進行計算機模擬。接下來，將控制方程應用到模型中，進行數學計算，最后將計算結果應用于現象進行分析。計算機模擬分析方法主要分為：有限差分法（Finite Difference Method）、有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限體積法（Finite Volume Method）。其中，有限元法被廣泛應用于分析半導體結構。從工程角度而言，有限元法指將無限數量的點和自由度6轉化為有限數量的點和自由度的能力，這些點隨后被納入線性方程組進行計算。

有限元法由有限數量的被稱為元素的構建模塊組成。每個元素都包含有限數量的點和一個控制方程，而數值則通過求解方程獲得。為了深化對結構分析的了解，我們有必要知道結構分析所需材料的三個關鍵屬性：熱膨脹系數（CTE）、泊松比（Poisson's Ratio）和應力（Stress）。

熱膨脹系數是用來描述材料因溫度波動而發生長度變化的一項指標。一般來說，溫度升高時材料膨脹，溫度下降時材料收縮。因此，熱膨脹系數被定義為單位溫度上升時材料長度的增幅量。泊松比指材料在垂直于特定載荷方向上的膨脹或收縮，考慮物體所受的推拉作用可有助于我們更好地了解泊松比的概念。如果我們從兩端縱向拉動一個物體并對其施加拉力，那么物體會沿著長度方向伸展，沿著寬度方向收縮。但是，如果我們從兩端縱向推擠一個物體并對其施加壓縮力，那么物體會沿著這個力的方向收縮，沿著寬度方向伸展。最后，應力指物體在受到外部作用時在內部形成的內力，用以抵抗這股外力，同時保持物體的形狀不變。應力壓力是以單位進行測量的。

這些材料特性應用于半導體封裝結構分析的三個主要領域：封裝翹曲、焊點可靠性和封裝強度。

翹曲分析

在進行封裝時，當溫度上升然后回落到室溫時，不同材料之間由于熱膨脹系數不同，可能導致封裝翹曲并造成封裝缺陷。因此，我們應基于產品結構、材料的彈性模量7、熱膨脹系數、工藝溫度和時間，對封裝進行結構性分析，以便更好地預防翹曲及封裝缺陷。

焊點可靠性

焊錫主要用于半導體封裝和PCB基板之間的機械和電氣連接。由于焊點可靠性非常重要，所以我們需要在封裝前對焊點進行結構性分析，以改進封裝結構和材料。

焊錫的失效主要源于兩個方面的共同作用——平面收縮造成的剪切斷裂以及軸向拉伸造成的拉伸斷裂。因此，在焊點結構分析中，需要對各種工藝或使用條件下施加到焊點的應力值進行分析。

強度分析

因為封裝的作用是保護芯片免受外部影響，所以芯片在受外部影響時表現出的穩健性要依靠封裝強度。為了確定封裝的穩健性，我們可以使用萬能試驗機（UTM）8進行三點彎曲或四點彎曲試驗，由此計算斷裂強度。結構性分析可以模擬用萬能試驗機進行的實驗，從而推導出封裝各個區域的應力水平，并以特定材料的斷裂強度為參考來預測整個產品的斷裂強度。

5控制方程(Governing Equation)：構成計算機代碼基礎的數學公式。在計算建模場景中，控制方程決定由代碼提前預設的隱藏的流體行為。

6自由度(Degrees of Freedom)：對某一統計量進行最終計算時，可以自由變化的數值的個數。

7彈性模量(Elastic Modulus)：在固體力學中表示材料剛度的數值，是應力與應變的比值。

8萬能試驗機（UTM）：一種測量材料強度的儀器，通過用一定重量拉伸或壓縮材料來測量其抗拉、抗彎和抗壓強度。

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散熱性能分析

電子設備在運行時會消耗電能并產生熱量。這種熱量會提高包括半導體產品在內元件的溫度，從而損害電子設備的功能性、可靠性和安全性。因此，電子設備必須配備適當的冷卻系統，以確保元件在任何環境下均能保持在一定溫度水平下。

鑒于散熱性能在半導體封裝中的重要作用，熱分析也成為了一項必不可少的測試內容。因此，必須提前準確了解半導體封裝在系統應用時產生的熱量、封裝材料與結構的散熱效果、以及溫度效應，并將其反應在封裝設計中。

▲ 圖3:封裝的關鍵溫度點（? HANOL出版社）

對半導體封裝實施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關鍵溫度點，包括：環境溫度（Ta）、結溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規格的溫度通常為最高結溫（Tj max.）或者最高殼溫，這兩點指的是確保半導體器件正常工作的最高溫度。圖3顯示了封裝原理示意圖中的各個溫度點。

▲ 圖4:封裝中的熱特性類型（? HANOL出版社）

使用封裝的主要溫度點可以計算出熱阻，熱阻是最重要的熱保護特性。封裝熱阻是一個指數，單位為℃/W，表示當芯片產生1瓦熱量時，半導體產品相對于環境溫度所上升的溫度。該比值根據每種產品和環境條件而變化。常見的熱阻類型包括結到環境熱阻（Ja）、結到板熱阻（Jb）和結到殼熱阻（Jc），它們是封裝的抗熱性指標。

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電氣模擬

▲ 圖5:封裝RLGC模型示例（? HANOL出版社）

隨著半導體芯片傳輸速度的提升和密度的增大，封裝也對半導體產品的特性產生重大影響。特別是在封裝高性能半導體芯片時，必須要對封裝狀態進行精確的電氣模擬。為了預測由高性能半導體芯片的復雜布線引起的電氣問題，需要使用諸如RLGC等模型。因此，電氣模擬可以創建各種模型，并利用這些模型來預測高速數字系統中的數據傳輸用時、信號質量和形狀精度。

在封裝電氣分析過程中，電氣模型的基本元素包括電阻（Resistance）、電感（Inductance）和電容（Capacitance）。電阻的強度足以阻礙電流的流動，它與物體中的單位電流成反比。電感是電路中電流變化引起的電磁感應形成的反電動勢的比率。最后，電容是電容器在單位電壓作用下儲存電荷的物理量。

▲ 圖6: 電氣分析的不同方面（? HANOL出版社）

如圖5所示，利用RLGC建模，可以預測的最重要特性，即信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁干擾（EMI）。信號完整性衡量的是電信號的質量，電源完整性衡量的是電源傳輸的質量。最后，EMI指電磁干擾，即輻射或傳導的電磁波會干擾其他設備的運行的因素。因此，應提前檢查噪聲問題，盡可能縮短其發展周期，確保電源完整性和電源配送系統能夠支持創建可靠的電路板。信號完整性、電源完整性和電磁干擾之間存在著密切的有機聯系，因此，綜合考量這三種特性的設計方案對于電氣分析至關重要。

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支持半導體行業發展

無論單個芯片性能如何提高，如果不能妥善管理封裝內芯片和供電電網間連接路徑的電磁特性，整體系統性能就無法得到保障。因此，封裝設計工藝和相關分析對于確保芯片的運行和持續發展至關重要。通過遵循特定設計規則，可以創建具備最佳特性的半導體封裝藍圖。隨后可以通過結構分析、熱分析和電氣分析對封裝特性進行優化。通過各階段的設計和分析，最終可以滿足市場對半導體的傳輸速度、集成度和性能方面日益增加的需求。

審核編輯：劉清