2025.09.22

3D IC 封裝中凸塊的應力模擬

3D IC 封裝中凸塊的應力模擬

什麼是 3D IC 封裝中的凸塊?

在 3D IC 封裝中，凸塊（bump）是位於裸晶、中介層與基板之間的小型金屬接點，通常由金、錫、鉛等導電材料組成。這些凸塊負責傳遞信號、電力與熱能，是矽穿孔 (TSV)、覆晶 (Flip-Chip)、扇出型(Fan-out) 等 3D IC封裝技術的重要一環。

由於 3D IC 是將多層晶片堆疊在一起，凸塊不僅承載著垂直方向的電連接功能，也面臨來自熱膨脹係數不匹配、製程壓力與操作環境變化所引發的應力變化，對電子產品的可靠性影響甚鉅。

 

3D IC 封裝的工程挑戰和目標

  1. 凸塊變形與斷裂風險

3D IC 封裝中有數千個焊料凸塊連接中介層和封裝基板，凸塊在封裝製程經歷多道熱與機械加工步驟後，可能會發生劇烈變形進而產生裂紋，最終導致電性失效。

  1. 可靠性驗證關鍵

新型 3D IC 封裝設計可行性的關鍵步驟之一，是要降低封裝與可靠性測試下的凸塊斷裂風險，否則可能在量產後才暴露問題，導致巨大損失。

3D IC 封裝的四分之一對稱模型

 

3D IC 凸塊的應力分析解決方案

為了降低甚至避免焊錫凸塊的斷裂風險，可以透過 CAE 模擬技術來進行封裝流程與材料行為的預測分析：

  1. 封裝製程模擬

透過 Ansys Mechanical 能夠模擬 3D IC 封裝流程，像是裸晶與中介層的接合以及中介層與基板的組裝等，準確捕捉微凸塊和 C4 凸塊的應力累積情形。

  1. 黏塑性材料本構模型

Ansys Mechanical 支援黏塑性材料本構模型，可計算焊錫材料塑性變形的變化過程。

  1. 了解封裝過程的應力變化

模擬 3D IC 在組裝過程以及隨後的溫度循環中，凸塊隨著時間的應力和應變變化，以幫助判斷故障風險。

 

                  3D IC 在低溫度條件下的翹曲

 

3D IC凸塊應力模擬的好處

進行 3D IC 封裝中凸塊的應力模擬，可為 3D IC 設計與封裝製程帶來顯著效益：

  1. 減少設計迭代循環次數

提早在設計階段即確認高風險區域，有效降低反覆修改與驗證 3D IC 的時間，縮短產品開發週期。

  1. 節省原型製作成本

透過模擬可預測不同封裝設計的凸塊應力表現，以減少昂貴的原型製作與失敗測試成本。

  1. 理解複雜交互作用

3D IC 封裝中的裸晶、中介層和基板都具有不同的熱膨脹係數，因此在冷熱循環的環境下容易發生翹曲，透過模擬我們可以理解封裝元件之間的交互作用，這在實驗設計（DOE）中是難以進行解析的。

 

 

建議使用的工具軟體：Ansys Mechanical

 

參考資料：Ansys 原廠

 

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