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近日,Promex公司首席执行官分享了何为有效封装,以及仍需进一步加强之处。他在采访中谈论了材料特性中的未知要素、对多个零件黏结起来的影响,以及环境因素对复杂的异构芯片封装非常重要的原因。以下是此次访谈的摘录。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:很多公司都在设计异构芯片,以满足特定的应用需求。同时他们也需要为这些异构组件设计先进的封装效果,因为这些异构芯片很多都是定制设计的。请问有没有什么能够顺利完成这项工作的工具?
Otte:现在市面上确实出现了很多强大的工具。比如设计软件SolidWorks,在机械领域做得就很棒,可精确到亚微米级别,还能保证足够的性能。还有能进行深度有限元分析的昂贵软件包,我们研发出的计算能力使它足以胜任此项任务,并迅速得出结果——有时仅需几分钟。但是我们对材料的详细特性仍不够了解,无法在设计中有效地利用它们。这是众多待解决弱项中的一个。比如,你翻一下标准数据表,得足够幸运才能找到弹性模量,更不用说玻璃转化温度以及模量的变化方式了——特别是需要结合热膨胀系数的时候。我们需要明晰所有数据,才能实现真正的“设计”。
接下来要处理的问题,是如何制好这些零件?3D打印技术正在蓬勃发展,对改善零件的可用性提供了很大帮助。但也有一些限制,在表面处理上问题尤为突出。今天,大多数3D打印的工艺只能实现相对粗糙的光洁度,比如300微英寸左右(你可以用“均方根RMS”测量计算这些表面光洁度)。对于光学领域来说,这尤其粗糙。虽然这样对零件黏结很有利——那些凹凸不平之处很容易粘起来——但我们需要的是非常平整的表面。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:基本上,这就意味着线边粗糙度得达到非常高的量级,对吗?
Otte:是的,这是个很好的类比。微机电系统(MEMS)领域已出现了大量的研发成果。虽然传统上MEMS采用的是硅材,但市面上已出现了利用其他材料的工艺。金属蚀刻现已普遍能在板材上完成了。但是因此就能通过此类平版印刷技术获得真正的高分辨率零件了吗?就算制成了这些零件,怎么才能将它们连接在一起呢?比如,现有一个玻璃零件、一个塑料零件、一个金属零件,怎么才能把它们连接起来呢?我们会遇到第一个问题:如何获得足够的表面黏结力。待这个问题解决后,还需要解决:怎么保持它们在热循环时的黏结度?假设陶瓷的膨胀系数是3ppm,但在我在使用此类黏结在一起的零件时常用的光学特性是50ppm,那么当我将它热循环到150℃以满足MIL-STD-883时,会怎样呢?答案是:会散架。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:您还注意到了哪些挑战?
Otte:芯片封装设备组装完毕后,需要能够经受住环境的考验。什么样的环境条件呢?人们倾向于采用旧的贝尔标准——MIL-STD-883。但手机制造商们很久以前就不再遵循这个标准了。他们制定了自己的相关标准。商业设备设计者们必须面对一个关键性问题:这些要求是否切实满足相应的环境?在美国佛罗里达州,湿度相当高。在沙特阿拉伯,风、灰尘和高温无处不在。这些设备甚至还需要能在北极区工作。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:所以环境温度很关键?
Otte:是的,还有湿度和吸水率,但是这些在材料数据表中往往并未很好地体现出来。环境对介电常数的影响是什么?对物理尺寸的影响呢?将这种黏结在一起的零件加热,它会有爆炸的倾向吗?即使考量了以上所有因素,当我们把产品带进现实世界中时,仍有可能遇到意想不到的麻烦,比如孩子把小电池吞下去了。我们怎么可能提前规避这样的情况呢?
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:把不同的零件组合起来时,会出现很多变数。对此,您怎么处理?
Otte:必须从基本点开始。这些零件有什么特点?我想实现什么样的连接方式?总会有一个可行的解决方案的,但你得付出代价。例如,导线连接仍是目前最被广泛使用的一种互连方案,因为它适用性很广——用一根细线从一处拉到另一处,就能发挥连结作用了。但坏处是:这样连接起来的设备很脆弱,而且必须把它全部框进有限的空间里。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:目前有足够的培训和人才来解决这个问题吗?
Otte:的确还没有。我们发现现今的大学毕业生们很擅长处理软件和应用程序,但他们缺乏我们这代人用自己的双手来建造东西的经验。比如我的工程技能大部分都应归功于我在初、高中时做飞机模型的爱好。我很清楚:如果想在周日放飞模型,就必须在前半周专心行动,把它造好。这样我就学会了怎么管理项目——把所有要素整合在一起。现今,年轻的工程师们在手工制作方面的爱好没以前那么多了。他们需要面对一个限制要素,就是无法直观地理解物理世界。他们更依赖计算机、分析与设计。当然你可以走这样的路,只要你拥有想象力以及坚韧不拔的精神去打拼,效果也会很不错,但这是一条不同的成功之路。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:因为他们工作的抽象度更高?
Otte:是的。过去人们所要做的就是对平版刻制图案精益求精。我们也确实把它做到了极限。因为Promex公司是做异质集成和组装的(不制造晶圆),我们在医药、生物技术等领域做了大量创新,制造设备,开发解决方案,利用电子产品来收集、处理信息并报告结果。这些设备必须在现实世界中与人互动,分析血液和唾液,所以需要传感器,将非电子零件纳入其中。他们也做像DNA测序那样的工作,它们需要应用化学知识。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:某些公司搞不定这些任务。
Otte:除了财务和软件问题外,还需要关注任务的物理细节。你需要问的真正问题是:“这样可行吗?”
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:这是否便是芯片的一大挑战?问题不再仅限于软件(Soft IP)模块,还需要用硅材证明。
Otte:没错,那样需要大量的技术、能力,需要扫描电子显微镜和微探针,以及很多分析技术。这些都不是小事。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》: 还有AFM和多光束检查?
Otte:是的,这就是我们在计量学上做了大量投资的原因。我们有全电子化、全自动的光学比较器,可进行微米级精准测量。还有两台基恩士设备。我们用其中一台测量平面度,因为当把256引脚球阵列(BGAs)放到一块基板上时,它们的平整度最好达到万分之一,否则就无法连接起来。这种工具可实现这样的精度水平,并告诉你产品精度是否达标。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:您是怎么处理翘曲问题的?
Otte:关于硅材,人们不愿谈论的一个话题,就是现在通常将晶圆薄度做到100微米的程度。这非常普遍。我们每天都这样做。如果把薄度做到10微米的程度,半导体的所有功能仍在,因为实现功能靠的都是顶层。但一旦将薄度做到50微米以下,我们就没方法处理晶圆和晶粒了。如果芯片很小,你可以做50微米的薄度,可以处理平方厘米级的模具,但是真的做到那么薄的时候,难度系数是很高的。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:这个问题应该会在未来几十年里带来一些非常有趣的工程挑战。
Otte:是的,而且研发之路会走向何方,目前不明。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:要怎么确保这些设备在预期的使用寿命范围内都能正常工作呢?
Otte:必须与用户保持联系。他们会告诉我们现行情况。我们可以做各种预测,但是与客户合作、从中学到东西,才是关键。如果想告诉客户某个设备可以持续使用10年,就需要证明自己20年来一直在用同样的解决方案(用这种表面贴装焊料、这些焊盘以及这些类型的封装),而且它们确实有效。当我们用芯片这样的东西驱动设备时,如果芯片失效,会造成什么样的意外后果呢?会导致各种设备问题,我就这么跟你说吧。所以,诀窍是要找到一种能够长期有效运行的组合。
《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》:对此我们需要面对的一项大挑战是,需要整个供应链的参与,而不仅仅是个别环节,对吗?
Otte:是的。我们一直在讨论对最终产品的影响。在这个问题之下,隐藏着一个与设备和工艺有关的问题。我们所需要的工具和设备,现今并不存在。那是一个全新的新兴领域。那些东西将从哪里来?谁会设计它们呢?人人都想设计出性感的下一代手机来,谁想设计将所有那些手机要素整合在一起的机器呢?我们需要设备来做基本任务,比如在基板上铺一层薄薄的银,以实现统一密度或没有针孔的均匀度。如果要铺的是一层合金,又会发生什么?这真的很复杂,需要工程师精通物理学。