【導讀】在本系列第七篇文章中,介紹了晶圓級封裝的基本流程。本篇文章將側重介紹不同晶圓級封裝方法所涉及的各項工藝。晶圓級封裝可分為扇入型晶圓級芯片封裝(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圓級芯片封裝(Fan-Out WLCSP)、重新分配層(RDL)封裝、倒片(Flip Chip)封裝、及硅通孔(TSV)封裝。此外,本文還將介紹應用于這些晶圓級封裝的各項工藝,包括光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝和濕法(Wet)工藝。
在本系列第七篇文章中,介紹了晶圓級封裝的基本流程。本篇文章將側重介紹不同晶圓級封裝方法所涉及的各項工藝。晶圓級封裝可分為扇入型晶圓級芯片封裝(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圓級芯片封裝(Fan-Out WLCSP)、重新分配層(RDL)封裝、倒片(Flip Chip)封裝、及硅通孔(TSV)封裝。此外,本文還將介紹應用于這些晶圓級封裝的各項工藝,包括光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝和濕法(Wet)工藝。
扇入型晶圓級芯片封裝工藝
在扇入型晶圓級芯片封裝中,合格晶圓首先將進入封裝生產線。通過濺射工藝在晶圓表面制備一層金屬膜,并在金屬膜上涂覆一層較厚的光刻膠,光刻膠厚度需超過用于封裝的金屬引線。通過光刻工藝在光刻膠上繪制電路圖案,再利用銅電鍍工藝在曝光區(qū)域形成金屬引線。隨后去除光刻膠,并利用化學刻蝕(Chemical Etching)工藝去除多余的薄金屬膜,然后在晶圓表面制備絕緣層(Dielectric Layer),并利用光刻工藝去除錫球(Solder Ball)放置區(qū)域的絕緣層。因此,絕緣層也被稱為“阻焊層”(Solder Resist),它是晶圓級芯片封裝中的鈍化層(Passivation Layer),即最后的保護層,用于區(qū)分錫球放置區(qū)域。如沒有鈍化層,采用回流焊(Reflow Soldering)等工藝時,附著在金屬層上的錫球會持續(xù)融化,無法保持球狀。
利用光刻工藝在絕緣層上繪制電路圖案后,再通過植球工藝使錫球附著于絕緣層。植球安裝完成后,封裝流程也隨之結束。對封裝完成的整片晶圓進行切割后,即可獲得多個獨立的扇入型晶圓級芯片封裝體。
錫球植球工藝
圖1:晶圓級回流焊設備平面圖(? HANOL出版社)
在植球過程中,需要將錫球附著到晶圓級芯片封裝體上。傳統(tǒng)封裝工藝與晶圓級封裝工藝的關鍵區(qū)別在于,前者將錫球放置在基板上,而后者將錫球放置在晶圓頂部。因此,除了用于涂敷助焊劑和植球的模板需在尺寸上與晶圓保持一致之外,助焊劑涂敷、植球工藝、回流焊工藝都遵循相同步驟。
此外,回流焊設備采用基于發(fā)熱板的回流焊方式,如圖1所示,而不是涉及運送器的對流熱風回流焊方式(Convection Reflow)。晶圓級回流焊設備在不同的加工階段會對晶圓施加不同溫度,以便保持回流焊操作所需溫度條件,確保封裝工藝流程能夠順利進行。
倒片封裝凸點工藝
倒片封裝體中凸點(Bump)是基于晶圓級工藝而完成的,而后續(xù)工序則與傳統(tǒng)封裝工藝相同。
圖2:倒片封裝工藝概覽
圖3:倒片封裝凸點制作工序
由于要確保凸點擁有足夠的高度,因此需選用能在晶圓上厚涂的光刻膠。銅柱凸塊(CPB)1需要先后經歷銅電鍍和焊料電鍍兩道工序后形成,所使用的焊料通常為不含鉛的錫銀合金。電鍍完成后,光刻膠隨即被去除,并采用金屬刻蝕工藝去除濺射而成的凸點下金屬層(UBM)2,隨后通過晶圓級回流焊設備將這些凸點制成球形。這里采用的焊接凸點回流焊工藝可以最大限度減少各凸點的高度差,降低焊接凸點表面的粗糙度,同時去除焊料中自帶的氧化物,進而保障在倒片鍵合過程中增加鍵合強度。
1銅柱凸塊(CPB):用于倒片鍵合的凸點結構,旨在減少凸點間距。銅作為材料,被用于制作銅柱來承上方凸點。
2凸點下金屬層(UBM):在倒片凸點下方形成的金屬層。
重新分配層封裝工藝
圖4:重新分配層封裝工藝概覽
圖5:重新分配層形成工序
利用重新分配層封裝工藝,在晶圓原本焊盤上形成新焊盤,以承載額外的金屬引線,此種工藝主要用于芯片堆疊。因此,如圖4所示,重新分配層工序之后的封裝工序遵循傳統(tǒng)封裝工序。在芯片堆疊過程中,每個單獨芯片都需重復進行芯片貼裝和引線鍵合這兩道工序。
在重新分配層工藝中,首先通過濺射工藝創(chuàng)建一層金屬薄膜,之后在金屬薄膜上涂覆厚層光刻膠。隨后利用光刻工藝繪制電路圖案,在電路圖案的曝光區(qū)域電鍍金層,以形成金屬引線。由于重新分配工藝本身就是重建焊盤的工藝,因此確保引線鍵合強度是十分重要的。這也正是被廣泛用于引線鍵合的材料---金,被用于電鍍的原因。
扇出型晶圓級芯片封裝工藝
在扇出型晶圓級芯片封裝工藝中,首先需要在等同于晶圓形狀的載片上貼附一層薄膜。切割晶圓后,再按照一定間距將優(yōu)質芯片貼在薄膜上,接下來對芯片間隔區(qū)域進行模塑,以形成新形狀。晶圓模塑完成后,載片和薄膜將被移除。隨后在新形成的晶圓上,利用晶圓設備創(chuàng)建金屬導線,并附著錫球以便封裝。最后,將晶圓切割成多個獨立封裝體。
晶圓模塑
制作扇出型晶圓級芯片封裝體時,晶圓模塑是一項重要工序。對于扇出型晶圓級芯片封裝件而言,晶圓塑膜需先在芯片上貼附同樣形狀的晶圓載片,而后將其放置到模塑框架中。將液狀、粉狀或顆粒狀的環(huán)氧樹脂模塑料(EMC)3加入到模塑框架內,對其進行加壓和加熱處理來塑膜成型。晶圓模塑不僅是扇出型晶圓級芯片封裝工藝的重要工序,對于利用硅通孔(TSV)工藝制作已知良好堆疊芯片(KGSD)4也是無可或缺的工序。本篇文章的后續(xù)內容,將對此展開更詳細的探討。
3環(huán)氧樹脂模塑料(EMC):一種基于環(huán)氧樹脂或熱固性聚合物的散熱材料。這種材料可用于密封半導體芯片,以避免芯片受到外部環(huán)境因素影響,如高溫、潮濕、震動等。
4已知良好堆疊芯片(KGSD):經過測試確認質量良好的由堆疊芯片組成的產品,最好的例子就是 HBM。
硅通孔封裝工藝
圖6展示了采用中通孔(Via-middle)5方法的硅通孔封裝工藝步驟。首先在晶圓制造過程中形成通孔。隨后在封裝過程中,于晶圓正面形成焊接凸點。之后將晶圓貼附在晶圓載片上并進行背面研磨,在晶圓背面形成凸點后,將晶圓切割成獨立芯片單元,并進行堆疊。
接下來,將簡單概括中通孔的基本工序。首先在前道工序(Front-end of Line)中,在晶圓上制作晶體管,如互補金屬氧化物半導體等。隨后使用硬掩模(Hard Mask)6在硅通孔形成區(qū)域繪制電路圖案。之后利用干刻蝕(Dry Etching)工藝去除未覆蓋硬掩膜的區(qū)域,形成深槽。再利用化學氣相沉積工藝(Chemical Vapor Deposition)制備絕緣膜,如氧化物等。這層絕緣膜將用于隔絕填入槽中的銅等金屬物質,防止硅片被金屬物質污染。此外絕緣層上還將制備一層金屬薄層作為屏障。
此金屬薄層將被用于電鍍銅層。電鍍完成后,采用化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing)技術使晶圓表面保持平滑,同時清除其表面銅基材,確保銅基材只留在溝槽中。然后通過后道工序(Back-end of Line)完成晶圓制造。
5中通孔(Via Middle):一種硅通孔工藝方法,在互補金屬氧化物半導體形成后及金屬層形成之前開展的工序。
6硬掩膜(Hard Mask):一種由硬質材料而非軟質材料制成的薄膜,用于繪制更為精細的電路圖案。硬掩膜本身對光線并不敏感,所以需使用光刻膠才能進一步繪制電路圖案,以最終實施刻蝕工藝。
圖6:硅通孔封裝工序(? HANOL出版社)
使用硅通孔技術制造芯片堆疊封裝體時,一般可采用兩種類型的封裝方法。第一種方法是利用3D芯片堆疊技術的基板封裝。第二種方法則需創(chuàng)建KGSD,然后基于KGSD來制作2.5D或3D封裝。下文將詳細介紹如何創(chuàng)建KGSD,以及如何基于KGSD來制作2.5D封裝的過程。
作為利用硅通孔技術制作而成的芯片堆疊封裝體,制作KGSD必需經歷額外封裝工藝,如2.5D封裝、3D封裝以及扇出型晶圓級芯片封裝等,高帶寬存儲器(HBM)就是KGSD產品的一個典型例子。由于KGSD需經歷額外封裝工藝,其作為連接引腳的焊接凸點需要比傳統(tǒng)錫球更加精細。因此3D封裝體中芯片堆疊在基板上,而KGSD中的芯片則堆疊于晶圓上方,晶圓也可以視為KGSD的最底層芯片。就HBM而言,位于最底層的芯片被稱為基礎芯片或基礎晶圓,而位于其上方的芯片則被稱為核心芯片。
此方法工序如下:首先,通過倒片工藝在基礎晶圓和核心晶圓的正面制作凸點。在制作2.5D封裝體時,基底晶圓需要排列凸點,使之能夠附著到中介層(Interposer);相反,核心晶圓上的凸點布局則是有助于晶圓正面的芯片堆疊。在晶圓正面形成凸點后,應減薄晶圓,同時也需在晶圓背面形成凸點。然而,正如前文在介紹背面研磨工藝時所述,需注意在減薄過程中導致晶圓彎曲。在傳統(tǒng)封裝工藝中,進行減薄之前,可將晶圓貼附到貼片環(huán)架上,以防止晶圓彎曲,但在硅通孔封裝工藝中,由于凸點形成于晶圓背面,所以這種保護方法并不適用。為解決此問題,晶圓承載系統(tǒng)(Wafer Support System)應運而生。利用晶圓承載系統(tǒng),可借助臨時粘合劑將帶有凸點的晶圓正面貼附于晶圓載片上,同時對晶圓背面進行減薄處理。此時晶圓貼附于晶圓載片上,即使經過減薄也不會發(fā)生彎曲。
此外,因晶圓載片與晶圓形式相同,因此也可使用晶圓設備對其進行加工?;诖嗽?,可在核心晶圓的背面制作凸點,當核心晶圓正面及背面上的凸點均制作完成時,便可對載片進行脫粘。隨后將晶圓貼附于貼片環(huán)架中,并參照傳統(tǒng)封裝工藝,對晶圓進行切割?;A晶圓始終貼附于晶圓載片上,從核心晶圓上切割下來的芯片則堆疊于基礎晶圓之上。芯片堆疊完成后,再對基礎晶圓進行模塑,而后進行晶圓載片脫粘。至此,基礎晶圓就變成了堆疊有核心晶圓的模制晶圓。隨后對晶圓進行研磨,使其厚度達到制作2.5D封裝體所需標準,然后再將其切割成獨立的芯片單元,以制作KGSD。HBM成品包裝后將運送至制作2.5D封裝體的客戶手中。
晶圓承載系統(tǒng)工藝
晶圓承載系統(tǒng)是指針對晶圓背面減薄進行進一步加工的系統(tǒng),該工藝一般在背面研磨前使用。晶圓承載系統(tǒng)工序涉及兩個步驟:首先是載片鍵合,需將被用于硅通孔封裝的晶圓貼附于載片上;其次是載片脫粘,即在如晶圓背面凸點制作等流程完工后,將載片分離。
圖7展示了晶圓承載系統(tǒng)的工藝步驟。首先在晶圓表面涂覆臨時粘合劑,使其貼附于載片上;待晶圓背面的加工工序完成后,即可對載片進行脫粘,并去除殘留粘合劑,以確保晶圓表面清潔。
圖7:晶圓承載系統(tǒng)工序
進行載片鍵合時,需要注意幾個因素:首先,載片鍵合后的晶圓整體厚度應均勻一致;其次,鍵合面不應存在空隙,兩片晶圓對齊應準確無誤;此外還應確保晶圓邊緣不受到粘合劑污染,且在處理過程中應盡量避免晶圓發(fā)生彎曲。在載片脫粘過程中,還應注意:避免晶圓脫離載片后發(fā)生損壞,如邊緣剝落(Chipping)7或出現(xiàn)裂紋等;避免粘合劑殘留;避免凸點變形。
在基于晶圓承載系統(tǒng)的封裝工藝中,載片脫粘是一個相對復雜且重要的工序。因此,業(yè)界已經提出并研發(fā)多種脫粘方法,并針對每一種脫粘方法開發(fā)出相應的臨時粘合劑。典型的脫粘方法包括熱技術、激光燒蝕(Laser Ablation)后剝離、化學溶解、機器剝離后化學清洗等。
7邊緣剝落(Chipping):芯片或晶圓邊角損壞。
晶圓邊緣切筋工藝
圖8:未切筋(上圖)與切筋后(下圖)的晶圓邊緣對比圖
如圖8上半部分紅圈內區(qū)域所示,將采用硅通孔工藝封裝的晶圓鍵合到晶圓載片上,經過背面研磨后,其邊緣會變得較為尖銳。此種狀態(tài)下,晶圓后續(xù)還將經歷光刻、金屬薄膜制備、電鍍以在背面制作凸點等工序,這些工序會增加晶圓邊緣剝落的風險。邊緣裂紋可能會延伸至晶圓內部,進而導致后續(xù)工序無法進行,最終造成嚴重的良品損失。為避免此問題,對于采用硅通孔工藝封裝的晶圓,在其進行載片鍵合前,應先對晶圓正面邊緣進行切筋并去除修剪部分。如圖8下半部分區(qū)域所示,將切筋后的晶圓貼附于晶圓載片并對其進行背面研磨時,鋒利而凸起的邊緣已消失。因此,在后續(xù)工序中,晶圓邊緣剝落的風險也被消除。在切筋過程中,旋轉的晶圓切割刀片穿過晶圓邊緣,將指定的邊緣區(qū)域切除。
堆疊工藝
硅通孔封裝工藝中,在晶圓正面和背面形成的凸點均用于鍵合,以便堆疊。同樣地,在倒片鍵合時,批量回流焊(Mass Reflow)工藝8和熱壓縮(Thermocompression)工藝9也用于鍵合。根據(jù)堆疊方式的不同,堆疊工藝可分為芯片與芯片(Chip-to-Chip)堆疊、芯片與晶圓(Chip-to-Wafer)堆疊、晶圓與晶圓(Wafer-to-Wafer)堆疊。
使用硅通孔工藝堆疊芯片時,需使用微型凸點。因此,凸點之間的間距很小,堆疊芯片之間的間距也很小,這就是以可靠性著稱的熱壓縮工藝因被廣泛使用的原因。然而,熱壓縮工藝也存在缺點,那就是耗時長,生產率底,因為在鍵合過程中必然會耗時去加熱加壓。因此熱壓縮工藝逐漸被批量回流焊工藝取代的趨勢日益明顯。
8批量回流焊工藝(Mass Reflow):將多個器件按陳列連接到基板上,然后在烤箱等中一起加熱,以熔化焊料使之形成互聯(lián)的工藝。因一次性處理多個器件,所以在這個術語中使用了“批量”這一詞。
9熱壓縮工藝(Thermocompression):對物體進行加熱和加壓處理,使其進行鍵合的一種工藝。
探索晶圓封裝工藝的其它范疇
在此系列最近兩篇文章對傳統(tǒng)封裝工藝和晶圓級封裝工藝進行探索后,本系列下一篇文章將深入探究構成這些封裝體的各種組件原材料。值得關注的是,下篇文章還將介紹這些小型材料的獨有特性,并分析它們對半導體產品性能的影響。
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