先进包装中的未知和挑战

Promex Industries的首席执行官Dick Otte接受了《半导体工程》的采访，讨论了材料性能的未知因素、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。以下是那次谈话的节选。

SE:公司一直在设计异构芯片，以利用特定的应用程序或用例，但他们也需要为这些异构组件设计高级包。是否有工具可以使这些工作顺利进行，因为其中很多都是定制设计?

Otte现在有很多强大的工具。以设计软件为例，SolidWorks在机制方面做得很好。它可以降至亚微米级别，并很好地处理它。有一些昂贵的软件包可以进行深入的有限元分析，而我们开发的计算能力使得这样做并快速得到结果变得可行——有时只需几分钟。但我们对材料的性质了解不够详细，无法在设计中有效地使用它们。这是弱点之一。如果你看一个标准的数据表，如果它告诉你弹性模量，你就很幸运了，更不用说玻璃化转变温度是多少，以及模量在你滚动它的时候是如何变化的——尤其是当它与热膨胀系数结合在一起时。你需要知道所有这些东西才能真正“设计”它。下一件事是我们怎么拿到零件?3D打印技术的出现极大地改善了零部件的可用性。 But it has some limits, especially surface finish. Today, most of the processes for doing 3D printing give you a relatively coarse finish, somewhere on the order of 300 micro-inches that you can make with that RMS [root mean square] measure of surface finish. That’s too coarse, especially for optical. It’s great for adhesion, because things really stick to these little hills and valleys, but there’s a need for very flat surfaces.

SE:这基本上相当于非常高级节点上的线边缘粗糙度，对吧?

Otte:是的，这是一个很好的类比。在MEMS方面也投入了大量精力。虽然MEMS传统上是在硅中完成的，但我们开始看到这些工艺利用其他材料。金属蚀刻通常在薄板上进行。那么我们如何利用这些光刻技术来获得真正高分辨率的部件呢?一旦你得到了各个部分，你如何将它们连接在一起。你可能有一个玻璃部分，一个塑料部分，一个金属部分。我如何加入他们?第一个问题是要在表面上有足够的附着力。那么，一旦问题解决了，当我对它进行热循环时，我该如何保持它在一起呢? If the ceramic has got a 3 ppm coefficient of expansion, and this polymer I use because I like its optical properties is at 50 ppm, what happens when I cycle it to 150°C to meet MIL-STD-883? The answer is that it comes apart.

SE:你还看到了其他挑战吗?

Otte:设备组装好后，如何使其适应环境要求?它们是什么?人们倾向于回到旧的Bell标准MIL-STD-883。那些搞手机的人很久以前就放弃了。他们有自己的相关标准。商业设备的设计者必须考虑的一个关键问题是，对于他们的环境来说，这些需求是否真实?在佛罗里达，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。

SE:所以环境温度很关键?

Otte:是的，但湿度和吸水率也是如此，这些在材料数据表中往往没有很好地说明。对介电常数有什么影响?它的物理尺寸是多少当你加热它的时候它有爆炸的倾向吗?在所有这些之后，当您将产品推向现实世界时，您仍然可能遇到意想不到的后果，就像孩子吞下了小电池一样。你打算怎么做呢?

SE:当你把不同的组件打包在一起时，会有很多变量。你怎么解决这个问题?

Otte你必须从最基本的开始。这些部件的特点是什么?就联系而言，我想要实现什么?几乎总有可行的解决方案，但你要付出代价。例如，线键合仍然是最广泛使用的互连方法之一，因为它是如此多才多艺。你可以把一根小电线从一个地方连接到另一个地方，它就能工作。坏消息是你有寄生虫，这些设备很脆弱，你必须把它们都装进有限的空间里。

SE:是否有足够的培训和人才来处理这些问题?

Otte不，我们看到的一个问题是，现在大学毕业的人在处理软件和应用程序方面非常有天赋。他们没有的是我们这一代人用自己的双手建造东西的经验。我把我的工程技能很大程度上归功于我在语法学校和高中时制作模型飞机的爱好。我学会了所有这些，我知道如果我想在周日驾驶我的飞机，我必须在一周的早些时候就开始行动并建造它。所以你学会了如何管理项目，你把所有的东西都粘在一起。今天，这些手工制作的爱好已经不多了，其中一个限制是年轻的工程团队不能直观地理解物理世界。他们更依赖于计算机、分析和设计。这是你可以走的另一条路，如果你有想象力和韧劲，它会很奏效，但这是一条不同的成功之路。

SE: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，你所要做的就是把光刻技术做得越来越精细。我们真的把它推到了极限。我们在Promex看到的一件事是，因为我们做的是异质集成和组装——我们不制造晶圆——在医学和生物技术等领域有大量的创新。人们正在制造设备和开发解决方案，利用电子技术来收集和处理信息并报告结果。他们的设备必须与现实世界中的人互动，分析血液和唾液，所以他们需要包含非电子部分的传感器。他们也在做DNA测序之类的事情，在那里你需要应用化学。

SE:这对一些公司来说并不是很好。

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。你真正需要问的问题是，‘这个东西有用吗?”

SE:这难道不是小芯片的一大挑战吗?它不再只是软IP。你需要用硅来证明。

Otte:没错，这需要很多技巧和能力。你需要一个扫描电子显微镜，微探针，还有很多分析技术，这些都不是小事。

SE: AFM和多波束检测呢?

Otte:是的，这就是为什么我们在计量学方面进行了大量投资。我们有全自动光学比较仪，都是电子的，可以进行微米级的测量。我们有两个Keyence设备。我们用它来测量平面度，因为当你拿256针的bga你想把它们放在基板上，它们最好是平到万分之一，否则它们就不会连接在一起。这个工具可以精确地测量，并告诉你事情是否会起作用。

SE:你们是如何处理翘曲的?

Otte关于硅，人们不愿谈论的一件事是，现在我们通常把晶圆薄到100微米。这很常见。我们每天都在这样做，你可以深入到10微米，半导体的所有魔力仍然有效，因为它们在顶部表面。但我们没有办法处理晶圆，一旦低于50微米就会死亡。如果模具很小，你可以做50微米。你可以处理cm²die。但当你瘦到那种程度，就真的很困难了。

SE:在接下来的几十年里，这应该会带来一些非常有趣的工程挑战。

Otte:是的，而且目前还看不到尽头。

SE:我们如何确保这些设备在预期寿命期内都能正常工作?

Otte你必须与用户保持联系。他们必须告诉你发生了什么。你可以做出各种各样的预测，但重要的是你从与客户合作的时间和经验中学到的东西。如果你想告诉你的客户一个设备可以使用10年，你需要能够证明你用同样的方法制造东西，用这种表面贴装焊料、这些衬垫尺寸和这些封装，20年了——而且它们是有效的。当你开始使用小芯片时，小芯片会带来什么意想不到的后果?我可以告诉你所有会导致设备故障的事情。诀窍在于找到一个长期有效的组合。

SE:这里最大的挑战之一是，你需要整个供应链都参与进来，而不仅仅是单个环节，对吗?

Otte:是的，我们一直在讨论对最终产品的影响。在这背后还有一个完全不同的故事关于设备和过程发生了什么。我们需要什么样的工具和设备是我们今天没有的。这是一个全新的世界。这些东西将从哪里来，谁来设计它?每个人都想设计性感的下一代手机，但谁想设计一个把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，比如在基片上放一层薄薄的银，以达到均匀性，没有密度或针孔。当你试着放下合金时会发生什么?这真的很复杂，你需要对物理有很好的理解。