解決晶圓級封裝難題的新方案

如今，人們對先進(jìn)封裝所面臨的挑戰(zhàn)已充分了解。然而，在薄化的器件芯片被封裝之前，就在晶圓級克服這些挑戰(zhàn)可以進(jìn)一步增加價值和性能，同時降低擁有成本。

這些新材料已展示出超越其他現(xiàn)有解決方案的更出色性能，我們將結(jié)合示例，探討受益于使用經(jīng)新技術(shù)制造的芯片的應(yīng)用。

概述

更好的系統(tǒng)性能和功能、更低的功耗以及更小的外形尺寸是驅(qū)動當(dāng)今封裝技術(shù)需要的主要因素。

廣泛用于大規(guī)模生產(chǎn)的晶圓級封裝 (WLP) 技術(shù)目前主要用于制造消費類產(chǎn)品，如智能手機、平板電腦和其他手持設(shè)備等。

許多封裝平臺正在部署，以便能夠?qū)崿F(xiàn)更高性能的封裝、更低的成本、更小的外形尺寸，以及更高級別的集成。

晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP) 因其成本性能比和無襯底封裝而具吸引力，但卻受到芯片尺寸的限制。

另一種替代方案，扇出型晶圓級封裝 (FOWLP) 技術(shù)正在研發(fā)和應(yīng)用，因為它允許通過“扇出”與外部襯墊互連來增加 I/O 密度。最終使其具有更小的外形尺寸和更低的功耗。

異構(gòu)集成的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，如系統(tǒng)級封裝 (SIP) 和堆疊封裝 (PoP) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由于日益復(fù)雜的集成而面臨著重大挑戰(zhàn)。

晶圓級封裝挑戰(zhàn)

對于許多此類技術(shù)來說，薄化器件的襯底處理是制造流程中的一個主要挑戰(zhàn)。

硅晶片薄化至 <50 微米 (μm)，或使用一個 RDL-first流程創(chuàng)建的重分布層 (RDL) 需非常小心且制造成本很昂貴。

處理過程要求使用通過臨時鍵合和解鍵合 (TBDB) 技術(shù)處理支撐襯底，以方便構(gòu)建復(fù)雜的封裝基礎(chǔ)機構(gòu)【1】。

使用熱塑性聚合物制造的臨時鍵合材料通常用于 TB/DB 工藝。

當(dāng)與載體襯底一起使用時，它們能夠提供熱機械穩(wěn)定性，并使薄型器件襯底更易于處理。

然而，在更高的溫度下，這些材料表現(xiàn)得更像液體，隨著熔體粘度的降低，機械穩(wěn)定性也逐漸消失，材料軟化，從而降低了鍵合層的穩(wěn)定性。

器件晶圓可能發(fā)生變形和分層，導(dǎo)致下游工藝出現(xiàn)問題【2】。

現(xiàn)在我們已經(jīng)對先進(jìn)封裝目前所面臨的一些挑戰(zhàn)進(jìn)行了高層次的研究，接下來，我們將更深入地探索其中的一些技術(shù)。

第 II 部分將研究chip-first和chip-last工藝程流之間的區(qū)別，以及為什么后者更受關(guān)注和歡迎。

Chip-First或Chip-Last流程

兩類主要的扇出型晶圓級封裝 (FOWLP) 技術(shù)是chip-first和chip-last工藝，又稱 RDL-first。

chip-first和chip-last工藝流程都需要高溫和高真空工藝來創(chuàng)建重分布層 (RDL)。

當(dāng)今的 FOWLP 工藝所需的材料需要能夠承受高溫和惡劣的化學(xué)環(huán)境，同時保持對器件襯底的機械支持。

對于chip-first工藝來說，在熱壓過程中，先將單一芯片放置在用臨時鍵合材料或熱釋放膠帶 (TRT) 處理過的襯底上，然后再用環(huán)氧樹脂成型化合物 (EMC) 包覆成型并固化。

高溫電介質(zhì)處理會產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致載體晶圓與 EMC 之間產(chǎn)生翹曲。

在 EMC 工藝流程中，由于襯底翹曲和鍵合材料軟化導(dǎo)致的芯片移動和偏離會造成 RDL 與嵌入芯片的錯位【1】。

晶圓在晶圓廠加工完畢后，芯片就會被切成小塊。然后，通過取放系統(tǒng)將芯片放置在基于環(huán)氧樹脂模塑料上的新的 200 毫米或 300 毫米圓晶圓上。

封裝工藝在這個新的晶圓上進(jìn)行，切割芯片，以便獲得在扇出型封裝中的芯片。

盡管chip-first封裝在過去 10 年里一直用于生產(chǎn)，但這一工藝也存在一些挑戰(zhàn)。

在工藝流程中，晶圓可能會發(fā)生翹曲，嵌入的芯片可能會發(fā)生位移，從而導(dǎo)致良率下降。

另一方面，Chip-last/RDL-first還沒有得到廣泛應(yīng)用，但是人們對這種方法的興趣正在增加，因為它使用了與chip-first非常不同的工藝。

RDL-first對于希望從chip-first FOWLP 過渡到尚未準(zhǔn)備好應(yīng)對 2.5D/3D 封裝的芯片制造商來說，是一種理想的工藝。

在 RDL-first工藝流程中，玻璃載體晶圓被涂上可去除的激光脫模材料，而 RDL 將在此基礎(chǔ)上構(gòu)建。

激光脫模材料需要具有良好的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，才能經(jīng)受住薄化、背面介質(zhì)和沉淀這幾道工藝。

首先構(gòu)建 RDL，然后安裝芯片。在該流程中，RDL 結(jié)構(gòu)既可以進(jìn)行電子測試，也可以進(jìn)行目視檢查，以確定良率損失，從而避免將好的芯片放置在不好的位置。該流程特別適合于良率至關(guān)重要的大型 I/O 芯片。

為了確保 FOWLP 成功，無論采用chip-first還是 RDL-first方法，使用合適的鍵合材料來確保重組晶圓的穩(wěn)定性和均勻性則至關(guān)重要。Brewer Science 已經(jīng)為此研制了一系列材料。

BrewerBOND?T1100和BrewerBOND?C1300系列材料代表了新一代鍵合系統(tǒng)，能夠提供更高的產(chǎn)量和熱穩(wěn)定性。

這些材料在較高的工藝溫度下提供了更好的機械穩(wěn)定性、良好的化學(xué)耐受性，不管是晶圓級或面板級工藝，都能在室溫下進(jìn)行鍵合和解鍵合。

較低的總厚度變化 (TTV) 加上該系統(tǒng)機械強度的增加，可使超薄背面晶圓進(jìn)行薄化，實現(xiàn)研磨后晶圓厚度小于50μm。

BrewerBUILD? 材料是單層高吸收材料，可用于 RDL 的構(gòu)建和組裝，并專為激光燒蝕工藝而設(shè)計。

這些材料增加了 308 nm 至 355 nm 波長的吸光度，并在激光燒蝕工藝中為器件晶圓提供保護。

除了在激光燒蝕工藝中提高性能之外，新一代材料還具有較強的耐溶劑性，對多種材料的附著力高，并且燒蝕后具很好的溶劑清洗效果【2】。

用于FOWLP工藝的材料

本部分，我們將進(jìn)一步探討在上文中介紹的用于扇出型晶圓級封裝 (FOWLP)的BrewerScience的BrewerBOND? T1100和BrewerBOND? C1300系列材料。

該系統(tǒng)由一種應(yīng)用于玻璃載體晶圓的低 Tg 熱固性材料組成，然后鍵合至器件晶圓上，而器件晶圓上已經(jīng)涂有相應(yīng)的高 Tg 鍵合材料。

在室溫下鍵合之后，鍵合對既可以暴露在紫外線 (UV) 下，也可以在熱板上烘烤以固化熱固性材料

圖 1：典型工藝流程

當(dāng)在 350°C 溫度下處理時，BrewerBOND?T1100 系列材料仍然可溶于溶劑，且在 300°C 以下幾乎沒有熔體流動。

涂層后，這種材料可以高度適形，甚至可以薄涂一層來覆蓋嚴(yán)重不平的表面。

圖 2 是使用掃描電子顯微鏡 (SEM)，在 80-μm 焊料隆起焊盤上加工的 BrewerBOND?T1100 系列材料的 2.15-μm 薄膜的橫截面。

圖 2：BrewerBOND? T1100 材料的保形涂敷

BrewerBOND? C1300 系列材料擁有較高的熔態(tài)流動性（低 Tg），在固化前為液體的形態(tài)。

這樣能夠無需施壓就能在室溫下與 BrewerBOND?T1100 系列材料鍵合。鍵合后，這種材料需要一個固化過程來形成鍵合層。這一特性使得該系統(tǒng)即使在高溫下也具有較高的機械強度（表 1）。

表 1：材料屬性

電介質(zhì)處理、金屬沉淀和金屬退火是需要使用高溫的工藝。

這些新一代 BrewerBOND? 材料能夠維持鍵合層的完整性，不會分解、釋氣或回流。

這些材料在 350°C 下加熱三個小時后，在氮氣中進(jìn)行的等溫?zé)嶂胤治?(TGA) 顯示，其重量損失不到 6%。

在 FOWLP 技術(shù)中，材料對有機和無機襯底以及金屬層的附著也是必要的。

如圖 3 所示，新型鍵合材料對銅板和環(huán)氧樹脂成型化合物 (EMC) 均展示出良好的附著性。

圖 3：鍵合材料上的銅沉淀：(A) 材料附著性差，顯示有缺陷；(B)材料附著性好，無缺陷。

在鍵合過程中，BrewerBOND?T1100 系列材料連同 BrewerBOND?C1300 系列材料都顯示出對常見的下游濕化學(xué)工藝的耐受性。

工藝完成后，載體襯底可以通過機械釋放或激光燒蝕技術(shù)從薄化的器件上移除。

這兩種工藝均可在室溫下完成，且都是輕力技術(shù)，可與薄化襯底一起使用。

當(dāng)使用激光燒蝕工藝時，BrewerBOND?T1100 系列材料吸收激光燒蝕過程中用于在 308 nm 和 355 nm 解鍵合時的能量，從而防止激光直接損傷器件晶圓。

解鍵合完成后，可以使用溶劑或氧等離子體蝕刻工藝從器件襯底上去除 BrewerBOND?T1100 系列材料。

可以使用 Dynaloy 出售的 Dynasolve? 220 清潔劑材料，從載體襯底上去除 BrewerBOND? C1300 系列材料。

總結(jié)

Brewer Science公司正在研發(fā)新型臨時鍵合材料和工藝，為 FOWLP 技術(shù)的發(fā)展鋪平道路。

當(dāng)作為一個系統(tǒng)使用時，這些材料能夠改善在高真空和高溫下加工的薄化、鍵合晶圓的機械穩(wěn)定性。

耐化學(xué)性與室溫鍵合和解鍵合技術(shù)相結(jié)合，在降低擁有成本的同時，提供了附加價值并提高了性能。

對于 RDL-first工藝，Brewer Science 最近推出了用于構(gòu)建和裝配的 BrewerBUILD? 材料，它可以成為熱釋放膠帶的優(yōu)選替代品。

這些新材料促進(jìn)了低能量激光解鍵合工藝，為擁有低碳?xì)埩舻钠骷A提供了更好的保護。

Brewer Science公司 將通過提供新一代材料來支持 FOWLP 技術(shù)，從而繼續(xù)推進(jìn)晶圓級封裝 (WLP) 技術(shù)的發(fā)展。