随着高性能计算与人工智能技术的快速发展，半导体封装对集成度和封装尺寸提出了更高的要求。晶圆级基板上芯片封装（CoWoS）作为一种先进 2.5D 封装技术，因其高带宽、低延迟和异构集成优势而备受关注。
近日，师航波，王旭，范吉磊等人“基于玻璃基板的2.5DCoWoS 封装翘曲研究”发表在电子与封装期刊，研究聚焦于 CoWoS 封装中基板材料的关键热机械性能，通过有限元模型结合阴影云纹实时翘曲测试，系统比较了传统有机基板与新兴玻璃基板的翘曲与应力分布特性。在 80mm×80mm 封装基板尺寸条件下，玻璃基板封装在室温（28℃）时的翘曲量为 212.1μm，芯板最大应力仅为 22.13MPa，显著优于有机基板（翘曲349.3μm，最大应力144.81MPa）。此外，此研究还探讨了不同基板及芯板厚度对翘曲和应力的影响规律，揭示了玻璃基板因其热膨胀系数低且与硅芯片材料匹配良好，具备更优的尺寸稳定性和力学可靠性。
引言
近年来，随着人工智能、云计算等应用对计算能力的需求激增，半导体产业对芯片的集成规模和封装技术提出了更高要求。台积电推出的晶圆级基板上芯片封装（Chip on Wafer on Substrate, CoWoS）技术，以其高带宽和异构集成的优势，成为高性能计算领域的主流方案。传统有机基板因成本低、可支持高密度互连而被广泛使用，但随封装尺寸和集成度的提升，其热机械失配导致的翘曲、应力集中问题愈发显著，影响封装良率与产品可靠性。玻璃基板以其热膨胀系数低、尺寸稳定性好、导热性强及电性能优异等优势，成为有机基板的重要替代选项。英特尔、台积电等领先企业正积极推动玻璃基板技术研发，期望突破高算力芯片封装的瓶颈。当前玻璃基板相关研究多聚焦制备和微结构工艺，关于完整封装流程中翘曲行为与应力演变的系统分析仍较缺乏。基于此，师航波，王旭，范吉磊等人的研究内容针对 2.5D CoWoS 封装，开展了有机基板与玻璃基板翘曲及应力的对比，结合有限元仿真与阴影云纹翘曲测试，旨在为高密度封装设计提供可靠性改进思路。
1. CoWoS 封装结构与翘曲测试方法
本文选用典型 CoWoS 封装结构，包括硅芯片、硅转接板及有机或玻璃基板，核心层间由填充胶稳固，外围设有加强筋以抑制翘曲。芯片尺寸分为两种，硅转接板集成有直径12μm、高度100μm的硅通孔（TSV）。有机基板厚度约1602μm，玻璃基板厚度1172μm。采用阴影云纹法基于 Akrometrix AXP2.0 设备，非接触、实时测量封装在 28℃至 245℃过程中的翘曲变形，涵盖主要工艺温度范围，为仿真验证提供精确实验数据。
图 CoWoS 封装结构
2. 有限元模型构建与验证
针对多尺度复杂结构，本文采用等效力学参数均匀化方法简化芯片凸点、导电层等多层复合结构，显著提升建模与计算效率。基于 ANSYS Mechanical 平台构建三维模型，采用多区域网格划分方案，控制网格尺寸与质量，以实现计算精度与效率的最优平衡。模型施加基于阴影云纹实验的真实温度历程作为热载荷，模拟封装结构的热机械响应。网格无关性验证及仿真结果与实测翘曲的对比表明，最大误差不超过7%，验证了模型有效性。
图 有限元建模过程
3. 结果分析
3.1 翘曲行为比较
仿真与实测结果显示，在28℃时，有机基板基板翘曲达349.3μm，玻璃基板翘曲212.1μm，玻璃基板翘曲降低约39%。高温245℃时，玻璃基板翘曲高于有机基板，主要归因于其热膨胀系数与加强筋间的失配增强了热应力驱动力。翘曲形态在不同温度下表现出反转趋势，反映出多层结构间复杂热机械耦合效应。
图 玻璃基板翘曲仿真结果对比
图 翘曲仿真与测量结果整体对比曲线
3.2 芯板应力分布
有机基板芯板在28℃时最大应力144.81MPa，玻璃基板仅22.13MPa，玻璃基板因热膨胀匹配良好显著降低了应力集中风险。高温状态下，应力集中位置从硅转接板延伸至加强筋及填充胶边缘，反映封装不同温度阶段应力演变特点。
图 芯板层的应力分布
3.3 基板厚度影响
参数化仿真显示，有机基板翘曲随芯板厚度增加而减小，因厚度增强抗弯刚度且其热膨胀系数与加强筋匹配较好；玻璃基板则表现相反趋势，厚度增加反而加剧翘曲和应力，主要受热膨胀差异放大影响。这一差异对封装设计提出了需针对材料特性优化厚度分配的建议。
图 0.8mm和1.23 mm的玻璃基板与有机基板的对比
通过阴影云纹法对有机基板和玻璃基板进行变温下的翘曲测试，结果表明仿真与实测结果的误差控制在7%以内，验证了所建立有限元模型的有效性，能够准确反映实封装结构的热机械响应;此外，对于有机基板，在合理范围内增加芯板厚度，进一步提升结构的抗变形能力，有效抑制翘曲并降低应力。玻璃基板的热膨胀系数与加强筋不匹配，贸然增加厚度反而会增大翘曲和应力。
此研究设计中的封装结构采用有机基板时28℃翘曲为349.3um，芯板的应力最大为144.81 MPa，玻璃基板的 28 ℃翘曲为 212.1 μm，芯板的应力最大为 22.13 MPa，大幅度提升了封装结构的可靠性。这说明在相同结构条件下，由于玻璃基板具有更低的热膨胀系数，可显著降低封装结构的整体翘曲与内部应力。
本文内容根据“基于玻璃基板的2.5D CoWoS封装翘曲研究”内容整理，若有不当，请联系管理员删除
