半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)與分析

第第頁(yè)半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)與分析共讀好書(shū)

近年來(lái)，（半導(dǎo)體）封裝變得越發(fā)復(fù)雜，更加強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的重要性。半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)工藝需要各類（工程師）和業(yè)內(nèi)人士的共同參與，以共享材料信息、開(kāi)展可行性測(cè)試、并優(yōu)化封裝特性。在之前的文章：[半導(dǎo)體后端工藝:第四篇]了解不同類型的半導(dǎo)體封裝（第二部分）中，我們探討了不同類型的半導(dǎo)體封裝。本篇文章將詳細(xì)闡述半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)工藝的各個(gè)階段，并介紹確保封裝能夠發(fā)揮半導(dǎo)體高質(zhì)量互連平臺(tái)作用的不同分析方法。

半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)工藝

▲圖1：半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)流程的各個(gè)方面（?HANOL出版社）

圖1顯示了半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)工藝的各項(xiàng)工作內(nèi)容。首先，封裝設(shè)計(jì)需要（芯片）設(shè)計(jì)部門(mén)提供關(guān)鍵信息，包括芯片焊盤(pán)（ChipP（ad））坐標(biāo)、芯片布局和封裝互連數(shù)據(jù)。然后，團(tuán)隊(duì)將根據(jù)封裝材料設(shè)計(jì)由基板（（Sub）stra（te））和引線框架（Leadframe）組成的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程涉及應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)則，需要充分考慮封裝的批量生產(chǎn)、制造過(guò)程、工藝條件和所需設(shè)備等。

封裝可行性審查應(yīng)在封裝開(kāi)發(fā)初期進(jìn)行，審查結(jié)果需要提交給芯片和（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)人員做進(jìn)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(shè)計(jì)圖紙。交付用于封裝的晶圓時(shí)，除了引線或焊接凸點(diǎn)（SolderBump）連接的設(shè)計(jì)圖紙外，還需要準(zhǔn)備好工具、引線框架材料和基板。引線或焊接凸點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)圖紙必須提前分享給封裝工藝及制造工程師。

收到這些設(shè)計(jì)圖紙后，封裝設(shè)計(jì)工程師將開(kāi)展可行性測(cè)試。具體來(lái)講，使封裝錫球（SolderBall）的布局和芯片的焊盤(pán)序列關(guān)聯(lián)在一起，以確定這種布線方式是否可行。通過(guò)前期的可行性研究，工程師將提出有關(guān)封裝錫球排列、封裝尺寸和規(guī)格的建議，以改進(jìn)半導(dǎo)體芯片和器件的特性與工藝。

優(yōu)化封裝特性

▲圖2：封裝設(shè)計(jì)優(yōu)化流程（?HANOL出版社）

封裝設(shè)計(jì)優(yōu)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(pán)位置，再確保接線的可行性。為了優(yōu)化這些工藝特性，需要對(duì)結(jié)構(gòu)特性、熱特性和（電氣）特性進(jìn)行分析。

如今，為了滿足半導(dǎo)體行業(yè)針對(duì)傳輸速度、集成度和性能日益增長(zhǎng)的需求，這些特性有必要進(jìn)行全面提升。就電氣特性而言，封裝時(shí)增加錫球，可以增加鏈接印刷電路板（（PCB））上引腳（（Pi）n）的數(shù)量，從而添加更多布線。這樣一來(lái)，基板、引線框架和印刷電路板的設(shè)計(jì)將變得更加精細(xì)和復(fù)雜。這就會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備的制造會(huì)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(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)中，為了避免質(zhì)量問(wèn)題，需要制定與材料、工藝和設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則，定期對(duì)這些規(guī)則進(jìn)行審查，并分享給芯片設(shè)計(jì)人員及基板和封裝制造商。

基于共享的設(shè)計(jì)規(guī)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(hào)）布線的寬度和間隔。同樣，設(shè)計(jì)規(guī)則中還會(huì)明確規(guī)范從工藝性能到電氣規(guī)格在內(nèi)的一系列細(xì)節(jié)。此外，設(shè)計(jì)規(guī)則中還會(huì)詳細(xì)說(shuō)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(shuō)，設(shè)計(jì)規(guī)則還可以用來(lái)滿足嚴(yán)格的電氣規(guī)格容差管理。為了滿足電氣規(guī)格，團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)預(yù)先驗(yàn)證的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)繪制圖紙，來(lái)規(guī)劃并依次制定三個(gè)方面的容差：每條高速信號(hào)線；管理每條信號(hào)線阻抗2一致性的電介質(zhì)3厚度；以及能夠?qū)崿F(xiàn)最佳低功耗設(shè)計(jì)的過(guò)孔尺寸4。另一方面，為了提高封裝效率和批量生產(chǎn)能力，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)諸如基板等器件時(shí)會(huì)考慮使用標(biāo)記模式，以注明符合標(biāo)準(zhǔn)的器件，并將其作為設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行管理。

1

容差(Tolerance)：性能差異導(dǎo)致的空間或數(shù)字上的誤差范圍。

2

阻抗(Imp（eda）nce)：衡量電路阻礙（電流）通過(guò)能力程度的指標(biāo)。

3

電介質(zhì)(Dielectric)：通過(guò)施加電場(chǎng)可以被極化的一種電絕緣體。

4

過(guò)孔尺寸(ViaSize)：印刷電路板中不同層之間用于電氣連接的孔的尺寸。

分析封裝結(jié)構(gòu)

針對(duì)半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)（模擬）的方式去分析。通常情況下，計(jì)算機(jī)模擬分析過(guò)程會(huì)將推導(dǎo)出的一般方程應(yīng)用于特定條件中，以便深入了解特定情況。標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模擬分析過(guò)程包括四個(gè)步驟。

首先，將支配某種自然現(xiàn)象的要素以及這些要素之間的關(guān)系歸納為數(shù)學(xué)表達(dá)式，如控制方程5，然后對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行建模，以便進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。接下來(lái)，將控制方程應(yīng)用到模型中，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)象進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)模擬分析方法主要分為：有限差分法（FiniteDifferenceMethod）、有限元法（FiniteElementMethod,FEM）和有限體積法（FiniteVolumeMethod）。其中，有限元法被廣泛應(yīng)用于分析半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。從工程角度而言，有限元法指將無(wú)限數(shù)量的點(diǎn)和自由度6轉(zhuǎn)化為有限數(shù)量的點(diǎn)和自由度的能力，這些點(diǎn)隨后被納入線性方程組進(jìn)行計(jì)算。

5

控制方程(GoverningEqua（ti）on)：構(gòu)成計(jì)算機(jī)代碼基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)公式。在計(jì)算建模場(chǎng)景中，控制方程決定由代碼提前預(yù)設(shè)的隱藏的流體行為。

6

自由度(DegreesofFreedom)：對(duì)某一統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行最終計(jì)算時(shí)，可以自由變化的數(shù)值的個(gè)數(shù)。

有限元法由有限數(shù)量的被稱為元素的構(gòu)建模塊組成。每個(gè)元素都包含有限數(shù)量的點(diǎn)和一個(gè)控制方程，而數(shù)值則通過(guò)求解方程獲得。為了深化對(duì)結(jié)構(gòu)分析的了解，我們有必要知道結(jié)構(gòu)分析所需材料的三個(gè)關(guān)鍵屬性：熱膨脹系數(shù)（CTE）、泊松比（Poisson’sRatio）和應(yīng)力（Stress）。

熱膨脹系數(shù)是用來(lái)描述材料因溫度波動(dòng)而發(fā)生長(zhǎng)度變化的一項(xiàng)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高時(shí)材料膨脹，溫度下降時(shí)材料收縮。因此，熱膨脹系數(shù)被定義為單位溫度上升時(shí)材料長(zhǎng)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(dòng)一個(gè)物體并對(duì)其施加拉力，那么物體會(huì)沿著長(zhǎng)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(gè)物體并對(duì)其施加壓縮力，那么物體會(huì)沿著這個(gè)力的方向收縮，沿著寬度方向伸展。最后，應(yīng)力指物體在受到外部作用時(shí)在內(nèi)部形成的內(nèi)力，用以抵抗這股外力，同時(shí)保持物體的形狀不變。應(yīng)力壓力是以單位進(jìn)行測(cè)量的。

這些材料特性應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)分析的三個(gè)主要領(lǐng)域：封裝翹曲、焊點(diǎn)可靠性和封裝強(qiáng)度。

翹曲分析

在進(jìn)行封裝時(shí)，當(dāng)溫度上升然后回落到室溫時(shí)，不同材料之間由于熱膨脹系數(shù)不同，可能導(dǎo)致封裝翹曲并造成封裝缺陷。因此，我們應(yīng)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料的彈性模量7、熱膨脹系數(shù)、工藝溫度和時(shí)間，對(duì)封裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，以便更好地預(yù)防翹曲及封裝缺陷。

7

彈性模量(Elast（ic）Modulus)：在固體力學(xué)中表示材料剛度的數(shù)值，是應(yīng)力與應(yīng)變的比值。

焊點(diǎn)可靠性

焊錫主要用于半導(dǎo)體封裝和PCB基板之間的（機(jī)械）和電氣連接。由于焊點(diǎn)可靠性非常重要，所以我們需要在封裝前對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，以改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)和材料。

焊錫的失效主要源于兩個(gè)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(diǎn)結(jié)構(gòu)分析中，需要對(duì)各種工藝或使用條件下施加到焊點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行分析。

強(qiáng)度分析

因?yàn)榉庋b的作用是保護(hù)芯片免受外部影響，所以芯片在受外部影響時(shí)表現(xiàn)出的穩(wěn)健性要依靠封裝強(qiáng)度。為了確定封裝的穩(wěn)健性，我們可以使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM）8進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，由此計(jì)算斷裂強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)性分析可以模擬用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，從而推導(dǎo)出封裝各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平，并以特定材料的斷裂強(qiáng)度為參考來(lái)預(yù)測(cè)整個(gè)產(chǎn)品的斷裂強(qiáng)度。

8

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(UTM)：一種測(cè)量材料強(qiáng)度的儀器，通過(guò)用一定重量拉伸或壓縮材料來(lái)測(cè)量其抗拉、抗彎和抗壓強(qiáng)度。

四有芯人注：UTM，即UniversalTestingMachine。

散熱性能分析

（電子）設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗電能并產(chǎn)生熱量。這種熱量會(huì)提高包括半導(dǎo)體產(chǎn)品在內(nèi)元件的溫度，從而損害電子設(shè)備的功能性、可靠性和安全性。因此，電子設(shè)備必須配備適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)，以確保元件在任何環(huán)境下均能保持在一定溫度水平下。

鑒于散熱性能在半導(dǎo)體封裝中的重要作用，熱分析也成為了一項(xiàng)必不可少的測(cè)試內(nèi)容。因此，必須提前準(zhǔn)確了解半導(dǎo)體封裝在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的熱量、封裝材料與結(jié)構(gòu)的散熱效果、以及溫度效應(yīng)，并將其反應(yīng)在封裝設(shè)計(jì)中。

▲圖3：封裝的關(guān)鍵溫度點(diǎn)（?HANOL出版社）

對(duì)半導(dǎo)體封裝實(shí)施并使用熱分析，我們需要定義封裝的關(guān)鍵溫度點(diǎn)，包括：環(huán)境溫度（Ta）、結(jié)溫（Tj）、殼溫（Tc）和板溫（Tb）。封裝規(guī)格的溫度通常為最高結(jié)溫（Tjmax.）或者最高殼溫，這兩點(diǎn)指的是確保半導(dǎo)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(gè)溫度點(diǎn)。

四有芯人注：Ta:

ambienttemperature;Tj:

junctiontemperature;

Tc:

casetemperature;

Tb:

boardtemperature.

▲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(diǎn)可以計(jì)算出熱阻，熱阻是最重要的熱保護(hù)特性。封裝熱阻是一個(gè)指數(shù)，單位為℃/W，表示當(dāng)芯片產(chǎn)生1瓦熱量時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)品相對(duì)于環(huán)境溫度所上升的溫度。該比值根據(jù)每種產(chǎn)品和環(huán)境條件而變化。常見(jiàn)的熱阻類型包括結(jié)到環(huán)境熱阻（Ja）、結(jié)到板熱阻（Jb）和結(jié)到殼熱阻（Jc），它們是封裝的抗熱性指標(biāo)。

電氣模擬

▲圖5：封裝RLGC模型示例（?HANOL出版社）

隨著半導(dǎo)體芯片傳輸速度的提升和密度的增大，封裝也對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品的特性產(chǎn)生重大影響。特別是在封裝高性能半導(dǎo)體芯片時(shí)，必須要對(duì)封裝狀態(tài)進(jìn)行精確的電氣模擬。為了預(yù)測(cè)由高性能半導(dǎo)體芯片的復(fù)雜布線引起的電氣問(wèn)題，需要使用諸如RLGC等模型。因此，電氣模擬可以創(chuàng)建各種模型，并利用這些模型來(lái)預(yù)測(cè)高速數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)、信號(hào)質(zhì)量和形狀精度。

在封裝電氣分析過(guò)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(qiáng)度足以阻礙電流的流動(dòng)，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(yīng)）形成的反電動(dòng)勢(shì)的比率。最后，電容是（電容器）在單位電壓作用下儲(chǔ)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(yù)測(cè)的最重要特性，即信號(hào)完整性（SI）、（電源）完整性（PI）和電磁干擾（EMI）。信號(hào)完整性衡量的是電信號(hào)的質(zhì)量，電源完整性衡量的是電源傳輸?shù)馁|(zhì)量。最后，EMI指電磁干擾，即輻射或傳導(dǎo)的電磁波會(huì)干擾其他設(shè)備的運(yùn)行的因素。因此，應(yīng)提前檢查噪聲問(wèn)題，盡可能縮短其發(fā)展周期，確保電源完整性和電源配送系統(tǒng)能夠支持創(chuàng)建可靠的電路板。信號(hào)完整性、電源完整性和電磁干擾之間存在著密切的有機(jī)聯(lián)系，因此，綜合考量