人工智能芯片先进封装技术

随着人工智能(AI)和集成电路的飞速发展,人工智能芯片逐渐成为全球科技竞争的焦点。在后摩尔时代,AI芯片的算力提升和功耗降低越来越依靠具有硅通孔、微凸点、异构集成、Chiplet等技术特点的先进封装技术。从AI芯片的分类与特点出发,对国内外典型先进封装技术进行分类与总结,在此基础上,对先进封装结构可靠性以及封装散热等方面面临的挑战进行总结并提出相应解决措施。面向AI应用,对先进封装技术的未来发展进行展望。

封装工艺对半导体激光器偏振特性的影响

研究了封装工艺对半导体激光器偏振度的影响,包括封装结构、热沉材料、焊料组分、焊料厚度、烧结压力以及烧结温度等方面。通过对功率25W、波长976nm单管半导体激光器封装工艺进行优化,实现了该半导体激光器应力匹配封装,进而提高了其偏振度。研究结果表明,在金锡焊料厚度6~8μm、金锡焊料中金组分77%~79%、烧结温度320℃、烧结压力50gf(1gf=9.8mN)、预热时间10s、降温速率6℃/s等工艺条件下,该半导体激光器横电(TE)模式偏振度测试值达到97.9%~98.6%。

内置温控多模耦合半导体激光器研究

随着半导体激光光源在通信、探测等领域应用的不断扩展,常规多模半导体光纤耦合模块功率温度特性不能满足使用需求,因此有必要研制高稳定性多模耦合半导体激光器。研制了一种内置温控的多模耦合半导体激光器。针对器件的封装耦合进行了光纤耦合设计和散热设计,并对制作的器件的光电参数进行了测试,重点测试了宽温范围内的输出功率与功率变化率。测试结果表明:光纤芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.22时,室温下光纤输出功率大于3.1 W,耦合效率达到94%以上;在温度范围-45~70℃内,典型温度点下输出功率变化率低于1%。该内置温控多模耦合半导体激光器的研制为半导体激光器在泵浦领域的进一步应用提供了技术参考。

基于ANSYS的智能读码器散热结构设计及优化

读码器作为智能相机的一个分支,是高度集成的嵌入式图像处理设备,由于其需要长时间、不间断地工作在流水线产品线上,读码器的散热能力,对于读码器设备的性能和寿命起到了极其关键的作用。为了提高读码器设备的可靠性,降低环境温度对读码器设备长期运行稳定性的影响,对读码器设备进行热分析,定位到系统内部的关键发热模块,采用ANSYS仿真软件得出了读码器设备的温度场分布情况,并提出相应的优化方案,对优化后的方案进行了仿真分析,同等条件下对比外壳平均降低了3℃~4℃。为验证环境温度变化对读码器设备稳定性的影响和设备可靠性,进行了高低温测试和烤机测试,结果表明整机设备内核温度稳定在75℃左右,在-10℃~50℃可以正常启动、稳定运行,证明了该方案的可行性和有效性。

基于温度传感阵列的TSV内部缺陷检测技术研究

在TSV三维集成领域,由于TSV内部缺陷的微小化和检测的不可接触性,寻找一个无损、灵敏且高效的内部缺陷检测方法尤为重要。针对这一挑战,提出了一种基于温度传感阵列的TSV内部缺陷检测方法。内部缺陷对TSV三维封装芯片的外部温度分布产生了影响,这些温度分布呈现出有规律的变化,每一种缺陷类型都会导致外部温度分布产生不同的偏差。利用温度传感阵列测量这些分布变化对缺陷进行有效的识别与分类。根据工作状态下的芯片产生的热信号以揭示其内部的缺陷信息,设计了基于温度传感阵列的检测系统。通过理论分析与仿真模拟,构建了模拟芯片工作状态下的温度分布和热变化的模型。实验中,以芯片样品的样本制备和测试平台搭建为基础,同时利用分类识别模型成功实现了对内部缺陷的有效分类,准确率高达99.17%。这种检测方法为高密度和微型化芯片的可靠性分析和故障诊断提供了一个经济高效的新途径。

基于硅基载板微系统封装的散热结构研究

基于硅基载板与芯片之间有良好的热膨胀系数匹配性能和硅通孔(TSV)有高密度的互联技术特性,硅基载板广泛应用于高集成度、高可靠微系统封装。然而射频链路中存在较大的发热,可能导致芯片高温时无法正常工作,同时在封装内部产生较大的热应力,可能引起分层、互联失效等可靠性问题,因此硅基载板封装系统的散热设计至关重要。文章以典型硅基载板封装为例,采用数值仿真方法,研究A型(PCB板)、B型(PCB+铜板)和C型(PCB+铜板+散热翅片)3种散热结构和不同对流工况对封装内部芯片散热的影响,并与原始封装散热效果作对比。研究结果表明,改变外流场速度从而增大封装与外流场的换热系数、增大封装散热面积、提高封装的导热系数均可改善硅基封装的散热效率;最佳散热结构和工况为强迫对流工况下的C型结构。

微型组合导航SIP芯片的PDN电热协同仿真与优化

随着SIP芯片逐步小型化和集成化,导致芯片对PDN的直流压降、电流密度以及系统的温升控制要求越来越高.本文通过改变载流导体的面积来改善直流压降和电流密度过高的问题,同时针对芯片温升研究通过合理优化热过孔阵列的孔径、过孔数量以及镀铜厚度来减小热阻以达到控制芯片温升的目的.仿真结果表明,增加载流导体的面积能有效降低直流压降和电流密度,且还留有很大的裕量;而热过孔阵列的合理布局能有效控制芯片温升,从而提升了芯片的功能和可靠性.

基于能量最小化的CCGA焊点形态仿真研究

为了确定某陶瓷柱栅阵列(CCGA)器件实现高焊接可靠性时的工艺参数组合范围,并研究焊点形态随不同参数变化的规律,以钎料润湿角、钎料体积以及焊柱偏移量作为关键变量因素,利用基于能量最小化原理的Surface Evolver软件,计算了不同因素水平组合下的实际焊点形态,并对参数化建模过程进行了详细介绍。通过对比形态结果与焊点可接收标准,寻找能够产生合格焊点的参量范围,为实际焊点微连接生产工艺提供合理的工艺指导。

集成硅基转接板的PDN供电分析

集成硅转接板的2.5D/3D封装是实现Chiplet技术的重要封装方案。总结了传统电源分配网络(PDN)的供电机理,分析了先进封装下PDN存在的直流压降过大、路径电阻大等电源完整性问题,介绍了针对硅基转接板上PDN的等效电路建模方法,重点概述了2.5D/3D封装下PDN的建模与优化。通过将整块的大尺寸硅桥拆分为多个小硅桥、硅桥集成硅通孔(TSV)、增加TSV数量等方式减少电源噪声。最后,对比采用不同集成方案的DC-DC电源管理模块的PDN性能,结果表明,片上集成方案在交流阻抗、电源噪声以及直流压降等指标上都优于传统的基板集成方案,是3D Chiplet中具有潜力的供电方案。

回流焊工艺对SMT器件热翘曲的影响

集成电路正在向小型化、高集成度的方向发展,回流焊工艺已成为其组装过程中的关键技术。在回流焊过程中集成电路容易发生热翘曲现象。采用阴影云纹法对PBGA1296、PBGA1024器件在不同回流焊温度、升降温速率的回流焊工艺下的热翘曲进行测量,在此基础上通过建模仿真对实验结果进行分析。结果表明,采用表面贴装技术(SMT)的BGA器件的热翘曲会随着回流焊温度的升高而增大,回流焊升降温速率较快同样会导致严重的热翘曲。实验结果与仿真结果高度一致,进而验证了仿真模型的准确性和有效性。采用实验结合有限元分析的方法为改善集成电路热翘曲提供了参考。

Sn95Sb5焊料与ENIG/ENEPIG镀层焊点界面可靠性研究

研究了Sn95Sb5焊料在化学镍金(ENIG)镀层、化学镍钯浸金(ENEPIG)镀层表面形成的焊点界面微观组织形貌与剪切强度。使用Sn95Sb5焊料在FR4印制板上焊接0805片式电容,焊点在高温时效测试和温度循环过程中均表现出较高的剪切强度,焊点界面连续且完整,剪切强度下降的最大幅度不超过19.2%。Sn95Sb5焊料在ENIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENIG焊点)强度更高。Sn95Sb5焊料在ENEPIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENEPIG焊点)界面反应更为复杂,在焊点界面附近可观察到条块状的(Pd,Ni,Au) Sn4。Sn95Sb5/ENEPIG焊点界面的金属间化合物层平均厚度约为Sn95Sb5/ENIG焊点界面的2倍。

面向Chiplet集成的三维互连硅桥技术

摩尔定律的发展速度放缓和集成电路产品应用的多元化趋势,共同推动了先进封装技术的快速发展。先进互连技术是先进封装的核心,在高速、高频传输、功耗、超细节距互连以及系统集成能力等方面均展现出显著优势。硅桥技术作为Chiplet以及异构集成封装的重要解决方案,可以以较低的成本实现多芯片间的局部高密度互连,在处理器、存储器、射频器件中被广泛应用。介绍了业界主流的硅桥技术,并对硅桥技术的结构特点和关键技术进行了分析和总结。深入讨论了硅桥技术的发展趋势及挑战,为相关领域的进一步发展提供参考。

陶瓷球栅阵列封装元器件工艺装联适应性验证方法

针对陶瓷球栅阵列封装(CBGA)元器件,设计了一套完整的工艺装联适应性的验证流程与方法,并将该方法在一款CBGA器件中进行了应用。通过开展CBGA元器件工艺装联适应性验证,有效地识别了该款电子元器件在温度循环应力下存在的焊点开裂风险。该焊点开裂主要是由于元器件本体与印刷电路板(PCB)之间的热膨胀系数存在差异,在温度交替变化的环境中,焊点受到热机械疲劳应力作用从而发生开裂。该问题可以通过对CBGA器件进行点胶加固或采用柱栅阵列封装(CCGA)进行有效改善。

多场耦合下RF组件的焊点信号完整性

随着集成电路和5G技术的迅猛发展,射频(RF)组件作为关键设备被广泛使用。RF组件需要在复杂多变的工作环境下服役,而焊点作为RF组件封装中相对脆弱的部分,其稳定性和可靠性尤为重要。介绍了焊点在多场耦合下的性能表现。RF组件焊点需要有效传输高频信号,从电气性能和信号完整性两方面对其进行概述,对多场耦合下的焊点信号完整性进行了总结,探讨了在高频条件下对焊点的机械性能和信号完整性进行综合研究和优化的必要性。

大腔体陶瓷封装中平行缝焊的密封可靠性设计

随着平行缝焊腔体尺寸的增大,尤其在中温共烧陶瓷封装和薄型高温共烧陶瓷封装中,常常存在平行缝焊的密封成品率相对较低和气密性可靠性相对较差的问题。通过分析氧化铝陶瓷封装的密封失效原因,提出优化平行缝焊可伐焊框和盖板的结构设计来提升密封可靠性。以采用FC-CPGA570封装形式的某型DSP电路为例进行仿真和验证,通过降低钎焊残余热应力、增加缓冲结构、采用盖板轻量化设计,实现了很好的密封成品率及好的密封可靠性,为同类产品乃至低温共烧陶瓷封装的气密性设计、可靠性提升提供参考。

基于ENEPIG镀层的无压纳米银膏烧结失效分析

总结了在化学镍钯浸金(ENEPIG)镀层上采用纳米银膏进行无压烧结时出现的失效模式。通过分析烧结镀层的微观形貌及力学性能,确认界面污染、烧结不充分及镀层缺陷是导致烧结失效的主要原因。应特别关注镍原子向镀层表面扩散导致的烧结失效风险。为保证烧结质量的稳定性和可靠性,需要充分重视界面的洁净度,对芯片、基板的存储条件和存储寿命实施严格管控,还需要优化烧结曲线,充分考虑溶剂释出所需时间、烧结峰值温度及其停留时间、降温速率等因素。研究结果为纳米银膏的无压烧结研究提供了新的理论参考。

热防护服散热性的数学模型仿真

为了探求热防护服的散热规律和在高温环境中工作的极限,根据傅里叶热传导定律,用微元法和有效差分法建立了热防护服在高温条件下的“外界环境-织物层-皮肤”散热数学模型并进行仿真模拟,然后将穿着相同防护服的恒温假人放置在与数学模型中假设温度一致的实验室温度下进行实测,并采用DS18B20温度传感器测量出假人表面温度进行比对验证。结果表明:实测假人皮肤温度为43.71℃,与模型仿真结果43.99℃的误差仅为0.28℃。研究结果说明建立的热传导散热模型具有较高准确度,能够对热防护服的散热防护效果进行仿真预测与合理评价,可为在较短的研发周期内设计散热效果更好的热防护服提供借鉴。

动力电池复合材料微通道结构主动液冷换热性能研究

大容量圆柱动力电池在电动汽车上的广泛应用导致电池包轻量化和热管理设计需求日益突出。以新型4680大号圆柱电池为研究对象,设计具有4种不同微通道网络(平行、分叉、蛇形和螺旋)的碳纤维增强复合材料(CFRP)圆筒散热结构,并分析微通道网络结构、冷却剂流速、微通道直径以及微通道进出口数量对其散热性能的影响规律。结果表明,在4种微通道CFRP圆筒结构中,平行网络微通道CFRP圆筒结构的整体换热性能最佳;微通道直径对CFRP圆筒散热性能的影响较小,但对泵压影响较大;二进二出CFRP散热圆筒的换热性能比一进一出圆筒换热结构具备明显优势。

陶瓷封装SAW滤波器除金工艺研究

针对陶瓷封装声表面波(SAW)滤波器焊盘除金问题,提出了载板搪锡工艺的解决方案。通过制作外扩焊盘的搪锡载板进行滤波器批量贴装,在加热台上进行回流以溶解焊盘镀金层,取下上锡器件后用真空吸锡枪吸去焊盘表面焊锡,即可达到除金目的。详细介绍了搪锡载板的焊盘设计,利用红外测温仪对操作过程进行监控,对除金后的器件进行焊盘表面、焊点界面分析以及环境试验验证。试验表明,焊盘表面镀金层被完全去除,除金后的器件具有较高的可靠性。

大尺寸有机基板的材料设计与封装翘曲控制

倒装芯片球栅阵列(FCBGA)基板具有尺寸大、层数多等特点,可以满足大尺寸芯片超高速运算的需求。随着芯片尺寸的增大,有机基板的翘曲问题变得更加突出,因此,需要对有机基板材料在热膨胀系数(CTE)、模量、树脂收缩率、应力控制等方面进行升级。对FCBGA基板使用的大尺寸有机基板材料进行研究,重点研究其关键性能参数,如CTE、模量和树脂收缩率等,进一步探讨了对树脂基体、无机填料和玻璃纤维布等材料的选择以及生产制造过程中的应力控制,并对大尺寸有机基板材料技术的发展趋势进行了展望。