夜雨聆风#马鞍形晶圆#碗型晶圆#哭脸晶圆#笑脸晶圆#大翘曲晶圆#先进封装
摘要——ASE的VIPack™平台提供了扇出型芯片在基板上（FOCoS）和扇出型芯片在基板-桥接上（FOCoS-B）技术，用于先进的扇出型封装，能够实现多芯片和元器件的集成，以满足高性能计算的需求。然而，随着封装尺寸的增大，这些异构结构表现出更严重的热膨胀系数（CTE）失配，导致制造过程中产生显著的翘曲。在严重的情况下，过大的翘曲会对扇出工艺的可制造性产生不利影响，并增加扇出型模块在基板工艺过程中冷焊的风险。因此，本研究采用有限元法（FEM）评估了FOCoS和FOCoS-B架构在掩模版尺寸从1倍到10倍的整个制造过程中的翘曲行为，并提出了模块架构选择策略，以减轻大尺寸掩模版先进扇出型封装模块的翘曲问题。
关键词——FOCoS（扇出型芯片在基板上），FOCoS-B（扇出型芯片在基板-桥接上），扇出型封装，翘曲，有限元法（FEM），大掩模版尺寸
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一、引言
随着世界进入数字时代，人工智能（AI）和高性能计算（HPC）正推动着对复杂数据处理日益增长的需求，以支持AI模型训练和逻辑推理。为了满足这些要求，ASE的VIPack™平台提供了FOCoS和FOCoS-B先进封装解决方案[1-3]，其中FOCoS-B集成了硅通孔（TSV）技术。图1(a)和图1(b)展示了FOCoS和FOCoS-B的架构示意图。这两种架构都支持更大的封装掩模版尺寸，并能够在单个封装内集成多个处理器、加速器和存储模块，从而实现更高的带宽和更快的数据传输速率。
图1. (a) 扇出型芯片在基板上（FOCoS）架构。(b) 扇出型芯片在基板-桥接上（FOCoS-B）架构。
然而，这些优势也带来了显著的挑战。随着封装尺寸增大以容纳更多芯片、组件和多层再分布层（RDL），异构集成往往会在扇出型晶圆工艺和扇出型模块在基板工艺过程中引起显著的翘曲。这种翘曲可能导致凸点互连错位和内部应力升高，从而对制造良率和产品长期可靠性产生不利影响。先前的研究已经使用实验和仿真方法研究了扇出型封装模块的翘曲问题[4-6]；然而，这些工作通常局限于3倍或更小的掩模版尺寸，对1倍至10倍掩模版尺寸下翘曲的系统比较尚未见报道。因此，在测试载具构建和量产之前，进行实验表征和基于仿真的翘曲评估至关重要。
本研究采用有限元法结合实验验证，研究了FOCoS和FOCoS-B架构在扇出型晶圆工艺和扇出型模块在基板工艺过程中的翘曲行为。系统分析了从1倍到10倍掩模版的扇出型模块尺寸，以评估设计选择如何影响较大模块尺寸下的翘曲。这项工作旨在提供对翘曲趋势的全面理解，并为面向AI和HPC应用的先进扇出型封装提供架构选择依据。
二、方法学
本节回顾了文献[1-14]中报道的FOCoS和FOCoS-B架构，以及具有类似架构的扇出型模块。通过分析所报道的扇出型模块尺寸及其对应的RDL层数信息，确定了掩模版尺寸与RDL层数之间的关系。基于这种关系，估算了掩模版尺寸从1倍到10倍的扇出型模块可能的RDL配置，如图2所示。
图2. 扇出型模块掩模版尺寸与RDL层数之间的关系
A. 扇出型RDL晶圆和扇出型模块的翘曲测量
在本研究中，FOCoS和FOCoS-B架构的晶圆翘曲是在测试载具上，使用基于三维数字图像相关（3D-DIC）的先进计量分析（aMA）系统在室温25 °C下测量的。基于3D-DIC的aMA系统的实验装置和工作原理如图3所示。
图3. aMA（先进计量分析）系统设置与工作原理
B. 扇出型RDL晶圆和扇出型模块的翘曲仿真
在仿真中，使用从FOCoS和FOCoS-B测试载具在扇出型RDL晶圆和扇出型模块上获得的实验测量翘曲数据对有限元模型进行了验证。这种验证确保了模型能够准确预测扇出型RDL晶圆和扇出型模块在实际工艺条件下的翘曲行为，并为评估掩模版尺寸从1倍增加到10倍对扇出型RDL晶圆和扇出型模块翘曲的影响提供了可靠的框架。基于此框架，系统研究了掩模版尺寸对扇出型RDL晶圆工艺和扇出型模块在基板工艺中扇出型模块的影响。仿真中使用的材料属性，包括杨氏模量、热膨胀系数（CTE）、玻璃化转变温度（Tg）和泊松比（ν），列于表1中。
表1. 材料属性
首先，针对FOCoS和FOCoS-B两种架构，仿真了室温25 °C下的晶圆翘曲。在FOCoS架构中，RDL制造在12英寸晶圆玻璃载板上；而在FOCoS-B架构中，带有硅桥芯片的RDL制造在12英寸晶圆玻璃载板上。仿真重点比较了两种架构在相同扇出型模块尺寸下的晶圆翘曲。如图4(a)和4(b)所示，由于扇出型RDL中介层与玻璃载板之间的CTE失配，FOCoS和FOCoS-B架构中都会发生晶圆翘曲。
图4. 扇出型RDL中介层在玻璃载板上的晶圆翘曲：(a) FOCoS架构，(b) FOCoS-B架构。
此外，仿真还针对FOCoS和FOCoS-B两种架构的扇出型模块在基板工艺进行了模拟，以评估由CTE失配引起的凸点偏移。分析特别关注从室温25 °C到峰值回流焊温度260 °C的热偏移过程。
图5. 扇出型模块在基板上的凸点偏移
如图5所示，如此显著的温度升高会引发扇出型模块与基板之间的差异膨胀，导致CTE失配引起的凸点偏移。这种在升温至260 °C过程中发生的对准偏差可能损害互连质量，并影响后续组装或可靠性测试。基于这些考虑，对掩模版尺寸从1倍到10倍的FOCoS和FOCoS-B扇出型模块进行了对比分析，以评估在这些特定热加载条件下尺寸增大对翘曲和凸点对准的影响。
三、结果与讨论
A. 有限元模型的实验验证
FOCoS和FOCoS-B两种架构的有限元仿真结果均通过实验测量进行了验证。如表2-4所示，对于晶圆和扇出型模块，实验数据与仿真结果之间的差异均保持在10%以下。这些经过验证的案例所呈现的一致性，为后续研究1倍至10倍掩模版尺寸建立了一个可靠的仿真框架。
表2. 25 °C下晶圆翘曲的验证结果。
表3. 25 °C下扇出型模块翘曲的验证结果。
表4. 260 °C下扇出型模块翘曲的验证结果。
所有仿真结果均以1倍尺寸下的FOCoS架构为基准（定义为1）进行归一化处理，以确保不同配置之间的一致比较。这种归一化处理能够清晰评估与掩模版尺寸增大相关的趋势以及架构影响。
B. 扇出型晶圆翘曲的仿真分析
针对FOCoS和FOCoS-B架构，仿真了扇出型RDL中介层在室温25 °C下、掩模版尺寸从1倍到10倍范围内的晶圆翘曲，如图6所示。在1倍掩模版尺寸下，FOCoS-B的归一化翘曲约为0.58；而在4倍掩模版尺寸下，FOCoS的归一化翘曲达到约2.0，而FOCoS-B约为1.5。总体而言，与FOCoS相比，FOCoS-B架构使晶圆翘曲降低了约15-40%。这种降低可归因于硅桥芯片的使用，它减少了所需的RDL层数，从而有效抑制了晶圆翘曲。
图6. FOCoS和FOCoS-B扇出型RDL中介层随掩模版尺寸变化的归一化晶圆翘曲。
C. 扇出型模块在基板上的仿真分析
针对FOCoS和FOCoS-B架构，在从25 °C到260 °C的热偏移条件下，仿真了掩模版尺寸从1倍到10倍范围内扇出型模块在基板工艺过程中由CTE失配引起的凸点偏移，如图7所示。
图7. FOCoS和FOCoS-B扇出型模块在基板上随掩模版尺寸变化的归一化凸点偏移。
在1倍掩模版尺寸下，FOCoS-B的归一化凸点偏移比FOCoS降低了约35%，并且这种差异随着掩模版尺寸的增大而变得更加明显。特别是在4倍掩模版尺寸下，FOCoS的归一化凸点偏移达到约1.5，而FOCoS-B则远低于该水平。总体而言，与FOCoS相比，FOCoS-B架构使CTE失配引起的凸点偏移降低了约25-35%。这种改进归因于硅桥芯片和复合层的使用，它们减少了有效的RDL层数，并改善了与基板的CTE匹配。这些特性从而减轻了扇出型模块在基板工艺过程中的凸点对准偏差。
四、结论
本研究通过实验测量和有限元仿真，对掩模版尺寸从1倍到10倍的FOCoS和FOCoS-B架构的翘曲进行了全面评估。FOCoS-B架构通过其硅桥和复合层设计，在较大掩模版尺寸下有效降低了晶圆翘曲以及扇出型模块在基板上的凸点偏移，这得益于其减少了有效RDL层数并改善了与基板的CTE匹配。对于AI和HPC应用中扇出型模块尺寸不断增大的先进扇出型封装，建议在掩模版尺寸低于4倍时采用FOCoS，因其工艺复杂度较低且成本效益更高；而当掩模版尺寸高于4倍时，则优选FOCoS-B，因其嵌入的硅桥和复合层设计能有效控制翘曲，提高良率和可靠性。
1.Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Kaohsiung, Taiwan
2.Advanced Semiconductor Engineering, Inc. Kaohsiung, Taiwan
