在1960年代IBM首次於大型電腦開發使用的翻轉晶片技術（flip-chips），現在已被廣泛應用於各種電子裝置中，包括手錶、智慧卡、RFID標籤和手機。這些晶片被面向下方或「翻轉」直接安裝到基板、電路板或承載器上。晶片上的電路會透過精確定位的凸塊或導電材料的微小球體（稱為焊點或球柵陣列），與基板上的對應接點連接，有助於晶片散熱，並作為晶片與板材或基板電路之間的間隔墊，提供機械固定。 翻轉晶片技術使得晶片更接近於散熱裝置，如散熱片或冷卻組件；這對於高性能運算設備非常重要，可以更有效地導出熱能。由於這種設計縮短了訊號傳輸路徑，可以有效提高裝置的運行速度和訊號完整性。此外，這種封裝方式由於節省了空間，使得最終產品可以更加輕薄緊湊。 圖1.通用翻轉晶片示意圖 面臨的挑戰：熱膨脹係數不匹配 AMD的資深封裝工程師Zhen Zhang介紹，AMD是一家總部位於加州Sunnyvale的全球集成電路供應商，他表示，在翻轉晶片封裝中，各層的熱膨脹係數（CTE）的不匹配會引起應力累積，這可能導致分層（剝離）， 這是封裝過程中需要克服的主要技術挑戰之一。填充物是位於晶片與基板之間的一層粘合劑，它通過增加組件的機械強度來確保電接觸的穩定性，並保護接觸點免受濕氣侵蝕。 圖2.模型中央有一個已存在的裂縫。模型的上半部（藍色）是矽晶片，下半部（黃褐色）是填充材料。此裂縫模擬了從晶片角落開始形成的微裂縫，或由於表面清潔不足造成的既有瑕疵。 圖3.Abaqus有限元素分析顯示出裂縫前端的應力場。 Abaqus在半導體封裝技術領域的應用 為了有效預測和防止熱循環載荷下的剝離，AMD採用了達梭系統（Dassault Systèmes）的SIMULIA Abaqus有限元素分析（FEA）軟體來分析填充物變量的影響，包括材料模量、CTE和填充物層（圓角高度）的尺寸。Zhen Zhang說：「我們選擇Abaqus是因為其強大的破壞力學功能；此外，它還具有其他功能——如接觸力學、全局局部子建模程序、表面到表面的綁定約束、多種劃分和網格工具，以及支持高生產力的參數化GUI和Python腳本。」 優化封裝材料和設計，促進產品性能提升 Abaqus的模擬結果幫助AMD工程師確定了幾個關鍵的優化方向：選擇低CTE的填充材料、增加圓角高度、材料的玻璃轉變溫度應盡可能低。這些措施旨在增強封裝的機械強度，保護接觸點免受濕氣影響，從而保持良好的電氣接觸。 AMD優化了焊點、封裝底部與插座的接觸可靠性，以及單晶片和多晶片模組的各種封裝尺寸，所有這些都是使用Abaqus來進行的。Abaqus模擬分析為所有包含填充材料的翻轉晶片，提供了從封裝到板級、從組裝到服務條件的可靠性數據。透過Abaqus精密的模擬與分析，不僅推動了半導體產業的創新，也為相關行業提供了強大的競爭優勢。 圖4.圖表顯示在熱循環負載下（ΔT= 1°C）能量釋放率與裂縫前端位置的關係。 圖5.將能量釋放率作為填充材料熱膨脹係數（CTE）的函數繪製，同時考慮不同的彈性模量，裂縫大小固定為100微米，溫度變化ΔT= 1°C。結果驗證了使用低CTE填充材料的普遍建議。 關鍵字：AMD、翻轉晶片（flip-chips）、有限元素分析（FEA）、封裝 資料來源： 下載PDF