Моделирование термомеханических напряжений в структуре слоев перераспределения конструкции микросистемы со встроенным кристаллом

Аннотация

Рассмотрены проблемы термомеханических напряжений, возникающих в слоях перераспределения при внутреннем монтаже кристаллов в микросборках на основе эпоксидного монолитизирующего компаунда и полиимидной микроструктуры. Описаны конструкторские и технологические ограничения слоев перераспределения в микросборках со встроенными кристаллами. Выполнены расчет и анализ термомеханических напряжений в структуре слоев перераспределения с помощью метода конечных элементов. По результатам расчета определена зависимость термомеханических напряжений в слоях перераспределения от длины проводящих дорожек, угла их сгиба и толщины проводящего и диэлектрического материалов. В моделировании также учтено влияние перехода диэлектрика и проводящих дорожек с кремния на эпоксидный монолитизирующий компаунд. Исследованы термомеханические напряжения в зависимости от расстояния между параллельными дорожками и их длины. Приведен расчет методом конечных элементов двух вариантов конструкции топологии микросистемы со встроенным кристаллом на базе ПЛИС, которые отличаются сглаживанием углов сгиба проводящих дорожек, мест стыка дорожек и контактных площадок, а также толщиной диэлектрического и проводящего слоев. Выполнен сравнительный анализ результатов расчетов напряжений двух вариантов конструкции топологии микросистемы со встроенным кристаллом ПЛИС

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 23-29-00964)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Кочергин М.Д., Соловьев И.А., Вертянов Д.В. и др. Моделирование термомеханических напряжений в структуре слоев перераспределения конструкции микросистемы со встроенным кристаллом. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2023, № 4 (145), с. 24--42. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2023-4-24-42

Литература

[1] Cao L., Lee T.C., Chen R., et al. Advanced fanout packaging technology for hybrid substrate integration. IEEE ECTC, 2022, pp. 1362--1370. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC51906.2022.00219

[2] Тимошенков С.П., Тихонов К.С., Титов А.Ю. и др. Разработка технологий внутреннего монтажа бескорпусных кристаллов на гибкие коммутационные платы. Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/982

[3] Вертянов Д.В., Евстафьев С.С., Виклунд П. и др. Технологии внутреннего монтажа бескорпусных элементов и особенности проектирования микросистем со встроенными кристаллами. Часть 1. Электроника НТБ, 2020, № 6, с. 96--102. DOI: https://doi.org/10.22184/1992-4178.2020.197.6.96.102

[4] Carias V., Thompson J., Myers P.D., et al. Development of mold compounds with ultralow coefficient of thermal expansion and high glass transition temperature for fan-out wafer-level packaging. IEEE Trans. Compon. Packaging Manuf. Technol., 2015, vol. 5, no. 9, pp. 921--929. DOI: https://doi.org/10.1109/TCPMT.2015.2443072

[5] Nimbalkar P., Kathaperumal M., Liu F., et al. Reliability modeling of micro-vias in high-density redistribution layers. IEEE ECTC, 2021, pp. 983--988. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC32696.2021.00161

[6] Liu J.N., Sil M.C., Cheng R., et al. Surface silanization of polyimide for autocatalytic metallization. JOM, 2020, vol. 72, no. 10, pp. 3529--3537. DOI: https://doi.org/10.1007/s11837-020-04286-2

[7] Ghosh S. Electroless copper deposition: a critical review. Thin Solid Films, 2019, vol. 669, pp. 641--658. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.11.016

[8] Nimbalkar P., Kathaperumal M., Liu F., et al. Reliability modeling of micro-vias in high-density redistribution layers. IEEE ECTC, 2021, pp. 983--988. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC32696.2021.00161

[9] Appelt B.K. Advanced substrates: a materials and processing perspective. In: Materials for advanced packaging. Boston, Springer Science + Business Media, 2017, pp. 287--329. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-45098-8_7

[10] Liu C.H., Chiu C.H., Huang H.C., et al. Wafer warpage characterization of multi-layer structure composed of diverse passivation layers and redistribution layers for cost-effective 2.5D IC packaging alternatives. IEEE ECTC, 2016, pp. 524--530. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC.2016.61

[11] Katoh K. New positive tone polyimides. The Eleventh Meeting of the Symposium on Polymers for Microelectronics. Winterthur, 2004.

[12] Benzocyclobutene. sciencedirect.com: веб-сайт. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/benzocyclobutene (дата обращения: 05.06.2023).

[13] Pei X., Han W., Ding G., et al. Temperature effects on structural integrity of fiber-reinforced polymer matrix composites: a review. J. Appl. Polym. Sc., 2019, vol. 136, no. 45, art. 48206. DOI: https://doi.org/10.1002/app.48206

[14] Jeong H., Jung K.H., Lee C.J., et al. Effect of epoxy mold compound and package dimensions on the thermomechanical properties of a fan-out package. J. Mater. Sс.: Mater. Electron., 2020, vol. 31, no. 3, pp. 6835--6842. DOI: https://doi.org/10.1007/s10854-020-03243-8

[15] Ubando A., Gonzaga J. Global-to-local finite element model of shear stress analysis on fan-out wafer-level package. IEEE HNICEM, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/HNICEM57413.2022.10109588

[16] Yang C.M., Chiu T.C., Yin W.J., et al. Development and application of the moisture-dependent viscoelastic model of polyimide in hygro-thermo-mechanical analysis of fan-out interconnect. IEEE ECTC, 2022, pp. 746--753. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC51906.2022.00124

[17] Lau J.H., Li M., Tian D., et al. Warpage and thermal characterization of fan-out wafer-level packaging. IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol., 2017, vol. 7, no. 10, pp. 1729--1738. DOI: https://doi.org/10.1109/TCPMT.2017.2715185

[18] Overview of materials for Polyimide. matweb.com: веб-сайт. URL: https://matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=ab35b368ab9c40848f545 c35bdf1a672&ckck=1 (дата обращения: 05.06.2023).

[19] Polyimide. In: Organic lasers. ScienceDirect, 2017. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/polyimide (дата обращения: 05.06.2023).

[20] Costanzo S., Venneri I., Di Massa G., et al. Benzocyclobutene as substrate material for planar millimeter-wave structures: dielectric characterization and application. J. Infrared Milli. Terahz. Waves, 2010, vol. 31, no. 1, pp. 66--77. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-009-9552-0

[21] Low & zero CTE polyimides. nexolve.com: веб-сайт. URL: https://nexolve.com/advanced-materials/low-zero-cte-polyimides (дата обращения: 05.06.2023).

[22] Pok Y.W., Sujan D., Rahman M.E., et al. Effect of bond layer properties to thermo-mechanical stresses in flip chip packaging. MATEC Web Conf., 2017, vol. 95, art. 01003. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/20179501003