先进封装中的未知数和挑战

Promex Industries 首席执行官 Dick Otte着眼于先进封装中哪些可行，哪些仍需改进提出建议。Promex Industries 首席执行官 Dick Otte对先进封装中材料特性的未知数、对键合的影响，以及为什么环境因素在复杂的异质封装中如此重要等问题进行回答。以下是本次谈话的节选。公司一直在设计异构芯片以利用特定应用程序或用例，但他们也需要为这些异构组件设计高级封装。因为其中很多都是定制设计，是否存在使这项工作顺利进行的工具？Otte: 有很多强大的工具。例如，如果您查看设计软件，就会发现 SolidWorks 在机械方面做得很好。它会下降到亚微米级别并且处理得很好。并且有用于深度分析的昂贵软件包，而我们开发的计算能力使其能够做到这一点并快速获得结果——有时只需几分钟。但是我们对材料特性的了解还不够详细，无法在设计中有效地使用它们，这是弱点之一。如果您查看标准数据表，如果它告诉您弹性模量，更不用说玻璃化转变温度是多少，以及当您翻阅它时模量如何变化——尤其是结合热膨胀系数时，你需要知道所有这些东西才能真正“设计”它。接下来要做的是我们如何获得零件？3D 打印正在兴起，并在很大程度上帮助提高了零件的可用性。但它有一些限制，尤其是表面光洁度。今天，大多数进行 3D 打印的过程都会给你一个相对粗糙的表面处理，大约 300 微英寸的数量级，你可以用 RMS “均方根” 测量表面光洁度。这太粗糙了，尤其是对于光学而言。它非常适合粘附，但需要非常平坦的表面。这基本上相当于非常先进节点的线边缘粗糙度，对吧？Otte: 是的，这是一个很好的类比。围绕 MEMS 也付出了很多努力。虽然 MEMS 传统上是在芯片层面中完成的，但我们开始看到这些工艺使用其他材料。金属蚀刻通常在薄片上完成。那么我们可以在哪里使用这些光刻技术来获得真正高分辨率的部件呢？一旦你得到了零件，你如何将它们连接在一起。您可能有一个玻璃部件、一个塑料部件和一个金属部件。我如何加入他们？遇到的第一个问题是在表面上获得足够的附着力。一旦解决了这个问题，我如何在热循环时将它保持在一起？如果陶瓷的膨胀系数为 3 ppm，而我使用的这种聚合物是因为我喜欢它的光学特性，它的膨胀系数为 50 ppm，当我将它循环到 150°C 以满足 MIL-STD-883 时会发生什么？答案是它会分开。你还看到了哪些其他挑战？Otte：一旦你组装好设备，你如何让它满足环境要求。人们倾向于回到旧的贝尔标准 MIL-STD-883。手机专家很久以前就放弃了。他们有自己的相关标准。商业设备设计人员必须应对的关键问题之一是这些要求是否适合他们的环境？比如在佛罗里达州，湿度很高，在沙特阿拉伯，有风、沙尘和高温，这些设备也需要在北极工作。所以环境温度很关键？Otte：是的，但湿度和吸水率也是如此，材料数据表中通常没有很好地说明这些问题。对介电常数有什么影响？物理尺寸是多少，加热时是否有爆炸的趋势？毕竟，当您将产品投入现实世界时，您仍然会遇到意想不到的后果。当你将不同的组件封装在一起时，会有很多变数。你如何解决这个问题？Otte：你必须从基础开始。这些零件有什么特点？我想在连接方面完成什么？几乎总有一个可行的解决方案，但总需要为此付出代价。例如，引线键合仍然是使用最广泛的互连方法之一，因为它用途广泛，可以将一根小电线从一个地方连接到另一个地方，并且可以正常工作。缺点就是会产生寄生效应，设备很脆弱，你必须把它全部装进一个有限的空间。是否有足够的培训和人才来处理这个问题？Otte：不，我们看到的问题之一是当今从大学走出来的人在处理软件和应用程序方面非常有才华，但是他们没有的是我们这一代人用双手建造东西的经验。我将我的大部分工程技能归因于我在学校和高中时制作模型飞机的爱好。我了解了所有这一切，我了解到如果我想在星期天驾驶我的飞机，我必须在本周早些时候齐心协力并建造它。所以你学会了如何管理项目并将所有这些东西粘合在一起。如今，这些手工制作的爱好已经不多了，其局限性之一是年轻的工程人员无法直观地理解物理世界。他们更依赖于计算机、分析和设计。因为他们在更高的抽象层次上工作？Otte：是的，这是因为在过去，您所要做的就是使光刻越来越精细。我们真的把它推到了极限。我们在 Promex 看到的一件事是，因为我们正在进行异构集成和组装——我们不制造晶圆——是在医学和生物技术等领域的大量创新。人们正在制造设备并开发利用电子设备来收集和处理信息并报告结果的解决方案。他们的设备必须与现实世界中的人互动，分析血液和唾液，因此他们需要包含非电子部件的传感器。他们也在做 DNA 测序之类的事情，你需要在其中应用化学。对于一些公司来说，这并没有那么好。Otte：你需要关注正在发生的事情的物理细节。这不仅仅是关于财务和软件。你需要问的真正问题是，“这东西有用吗？”这不是小芯片的一大挑战吗？它不再只是软 IP。您需要在芯片中证明这一点。Otte：没错，这需要很多技巧和能力。您需要一台扫描电子显微镜、微探测以及许多重要的分析技术。还有 AFM 和多光束检测？Otte：是的，这就是我们在计量学方面进行大量投资的原因。我们有全自动光学比较器，它们都是电子的，可以进行微米级别的测量。我们有两台 Keyence 设备。我们使用一个来测量平面度，因为当您使用 256 引脚 BGA 并希望将它们放在基板上时，它们的平面度最好达到万分之一，否则它们将不会连接在一起。该工具将测量到该准确度水平，并告诉您事情是否可行。你如何处理晶圆制造中的翘曲问题？Otte：人们不想谈论硅的一件事是现在我们通常将晶圆减薄到 100 微米。这很常见。你可以减薄到 10 微米，因为它们位于顶面。但是我们没有办法处理晶圆，一旦你的尺寸远低于 50 微米，我们就无法处理晶圆和芯片。如果芯片很小，你可以做 50 微米。您可以处理 cm²大小尺寸的芯片。但是当你变得那么小时，它真的变得很艰难。这应该会在接下来的几十年里带来一些非常有趣的工程挑战，而且它的发展前景看不到尽头。我们将如何确保这些设备在其预期使用寿命内正常工作？Otte：你必须与用户保持联系。他们告诉你发生了什么。可以做出各种预测，但重要的是您随着时间和与客户合作的经验所学到的东西。如果你想告诉你的客户一个设备可以使用 10 年，你需要能够证明你一直在使用相同的方法制造东西，使用这种表面贴装焊料和这些焊盘尺寸以及这些类型的封装，为了20 年——并且它们有效。当您开始驱动小芯片之类的东西时，小芯片的意外后果是什么？我可以告诉你各种会导致设备出现故障的事情。诀窍是找到长期有效的组合。这里最大的挑战之一是你需要整个供应链都参与其中，而不仅仅是个别部分，对吧？Otte：是的，我们一直在讨论对最终产品的影响。关于设备和流程正在发生的事情，还有另外一个故事。我们需要什么样的工具和设备，而我们今天没有。有一个全新的新兴世界。这些东西从哪里来，谁来设计它？每个人都想设计出高端的下一部手机，但谁愿意设计将所有这些东西组合在一起的机器呢？我们需要设备来做基本的事情，比如在基板上放一层薄薄的银以获得没有密度或针孔的均匀性。当您尝试放下合金时会发生什么？这真的很复杂，你需要对物理学有很好的理解。