一文详解多芯片堆叠技术

文章来源：学习那些事

原文作者：赵先生

本文介绍了芯片的堆叠与堆叠产生的应力问题。

多芯片堆叠

多芯片堆叠技术的出现，顺应了器件朝着小型化、集成化方向发展的趋势。该技术与先进封装领域中的系统级封装（SIP）存在一定差异。先进封装涵盖多种前沿工艺技术，如重布线层（RDL）、硅通孔（TSV）、金属凸点（Bump）以及晶圆级封装（WLP）等。晶圆级封装已突破传统封装在划片、粘片、键合和密封等方面的工艺范畴，像芯片再布线、凸点生长与倒装焊接，芯片通孔、叠层与互连，乃至扇出型晶圆级封装（FOWLP）、扇入型晶圆级封装（FIWLP），均属于广义上的封装概念。部分中道线工艺在一些工厂虽被归为后道工序，但相较于后道封装工艺，其与前道晶圆制造工艺的联系更为紧密。

多芯片堆叠所构建的器件，同样属于SIP。不过，其采用的是传统的芯片粘接和引线键合工艺，因此本质上属于传统封装类型。芯片的叠层粘接能够大幅节省空间，但在操作过程中，需确保下层芯片的管脚（Pad）点不会被上层芯片或粘接剂覆盖，以免对后续的引线键合工序造成影响。多芯片堆叠的形式主要由芯片的大小、形状以及管脚点的分布决定，常见的堆叠形式如图1-图3所示。

图1 多芯片的错层堆叠

图2 多芯片的交叉堆叠

图3 多芯片的金字塔堆叠

多层芯片堆叠应力集中

在多层芯片堆叠过程中，由于芯片正面设有钝化层，无法采用合金烧结的方式进行芯片间的堆叠，一般会选用胶黏剂来实现粘接。具体的粘接工艺流程为，首先将最下层芯片进行粘接；接着在最下层芯片表面涂抹胶黏剂，随后粘接上层芯片，依此方式逐层叠加粘接。研究显示，由于胶黏剂与硅芯片的热膨胀系数存在差异，多层芯片之间会产生较大应力。

有研究人员针对塑封的多层芯片堆叠器件开展建模仿真，识别出应力集中的三种主要形式，如图4所示。

图4多层堆叠粘片主要失效位置

多层芯片堆叠应力集中产生的失效形式：

芯片与环氧塑封料分层：上层芯片与环氧塑封料之间会产生应力，这一应力致使芯片与塑封料界面处出现分层现象。

下层芯片损伤：上下层芯片间的应力会在上层芯片的边角位置高度集中。这种集中应力往往会导致下层芯片出现裂纹，严重时甚至造成芯片断裂，对器件造成致命性破坏，具体可参考图5。

图5下层芯片裂纹

芯片与胶黏剂整体和环氧塑封料分层：下层芯片边缘与环氧塑封料之间存在应力，这种应力会使芯片和胶黏剂构成的整体，与环氧塑封料之间发生分层。

研究表明，上述应力的大小，与材料的热膨胀系数、芯片厚度等关键参数紧密相关。

芯片的裂纹

为了通过目检清晰观察胶黏剂从芯片四周溢出的轮廓，通常会在芯片下方悬空部位填充不导电胶。研究人员将硅片切割成与待封装芯片相同尺寸，并分别堆叠至两层、三层、四层，随后开展 -55℃至125℃的温度循环试验。试验结果显示，填充不导电胶的电路出现了热失配问题。在温度循环试验结束后，上层芯片均出现了不同程度的裂纹，裂纹首先沿底层芯片边缘位置扩展，最终有可能贯穿整个芯片，具体现象如图6所示。

仿真结果表明，使用不导电胶填充的模型，其最大应力位置与实际观察到的上层芯片裂纹位置一致，均出现在上层芯片、填充的不导电胶、下层芯片边缘三者的交接面上。而未使用不导电胶填充的模型，上层芯片的最大应变相较于使用不导电胶填充的模型，降低了91.7%。由此可见，硅芯片与胶黏剂之间匹配性的差异，是引发芯片裂纹的主要原因。这些裂纹在温度循环等可靠性试验过程中，会进一步扩展，严重时可导致芯片断裂。底部无填充的堆叠芯片情况，如图7所示。

图6堆叠粘片的裂纹

图7无填充的堆叠芯片

爬胶与胶膜

在传统封装工艺里，芯片粘接普遍采用直接涂抹导热胶的方式。这种导热胶不仅使用便捷，而且能提供足够的粘接强度。然而，在多层堆叠芯片的场景下，芯片通常会被减薄至很薄的尺寸，部分芯片厚度甚至达到100μm。当使用常规导热胶进行这类超薄芯片间的粘接时，爬胶问题频繁出现。爬胶会致使部分导热胶溢出到芯片表面，污染管脚（Pad）点，进而对后续的键合工序造成严重影响。

为解决这一难题，材料供应商研发出导热胶膜，以此替代传统导热胶。导热胶膜具有固定的厚度，借助这一特性，能够有效控制胶量和粘接厚度，从而避免爬胶现象的发生。不仅如此，导热胶膜还能在高度设计方面提供更大的灵活性。从实际应用来看，在民用产品领域，部分多层堆叠结构已经实现了百余层的堆叠。图8展示了一种存储器芯片的堆叠示意图。

图8一种存储器芯片的堆叠示意图