用于扇出型晶圓級(jí)封裝的臨時(shí)鍵合和脫膠技術(shù)

1. 概述

扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）是一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，可實(shí)現(xiàn)高互連密度并在負(fù)擔(dān)得起的封裝中管理更大的I / O數(shù)量。與當(dāng)前技術(shù)相比，它可實(shí)現(xiàn)更小的占位面積，更高的互連密度，更好的布線和更薄的封裝。[1]標(biāo)準(zhǔn)的FOWLP晶圓包括已知的良好管芯（KGD）和重新分布層（RDL）或嵌入模塑料中的層，從而減少了生產(chǎn)有缺陷的器件的可能性，并在2.5D和3D集成設(shè)計(jì)中提供了更大的靈活性。FOWLP工藝流分為兩類：芯片優(yōu)先處理和芯片后處理，指的是將切屑放置在基板上時(shí)的切入點(diǎn)。芯片優(yōu)先處理已經(jīng)存在了幾年，目前已用于大規(guī)模生產(chǎn)。芯片后處理（也稱為RDL優(yōu)先）仍在早期開發(fā)中。

業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了多種工藝流程，以滿足芯片優(yōu)先處理的方法的靈活設(shè)計(jì)的要求（圖1A）。通常，KGD放置在已層壓到可移動(dòng)膠帶上的基板上。然后將模塑復(fù)合材料鋪在KGD上并固化。隨后將基材與層壓膠帶分離，然后進(jìn)行RDL堆積和焊球附著。在蕞后一步中，將晶片切單以備將來處理。

模制后可能會(huì)發(fā)生晶圓處理的難題，因?yàn)樵?/span>RDL工藝中用于交聯(lián)介電材料的高溫工藝會(huì)由于硅與模塑料之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配而引入導(dǎo)致翹曲的應(yīng)力。

圖1  芯片優(yōu)先（A）和芯片后處理（B）的流程

在芯片后處理方案中，RDL層構(gòu)建在載體晶片上。然后，將KGD附著到結(jié)構(gòu)良好的RDL，然后進(jìn)行包覆成型，固化和焊球附著步驟。該過程的每個(gè)步驟都是新穎的，因此具有內(nèi)在的挑戰(zhàn)性。

在芯片優(yōu)先處理和芯片后處理處理中，器件晶片都使用在高溫下施加的特殊配制材料臨時(shí)鍵合到載體晶片上，以實(shí)現(xiàn)所需的熔體粘度。在剝離步驟中，使用以下四種主要的剝離技術(shù)之一將載體晶圓和附著的臨時(shí)鍵合材料從器件晶圓上移除：化學(xué)，滑動(dòng)，機(jī)械或激光剝離。每種技術(shù)都針對(duì)特定的應(yīng)用。

圖2  在250°C的溫度下模擬1小時(shí)后，用薄玻璃晶片粘合的模塑復(fù)合物晶片顯示出嚴(yán)重的翹曲

在化學(xué)脫膠過程中，將鍵合的晶片對(duì)浸入溶劑中以溶解臨時(shí)鍵合材料。因?yàn)閮H鍵合對(duì)的邊緣暴露在溶劑中，所以這是耗時(shí)的過程，增加了處理成本。在滑動(dòng)脫膠過程中，將鍵合的晶片加熱直到材料軟化到足以流動(dòng)為止，然后利用水平力將器件晶片與載體晶片分離。為了使滑動(dòng)脫膠有效，臨時(shí)鍵合材料的T g不能太高或太低。更先進(jìn)的技術(shù)是在鍵合層與載體或器件晶圓之間使用隔離層，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械或激光剝離。

2. 芯片優(yōu)先處理工藝

高溫加工導(dǎo)致的晶圓翹曲是芯片優(yōu)先加工過程中的蕞大挑戰(zhàn)。翹曲的晶片會(huì)導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)并且難以拾取。圖2顯示了使用基于環(huán)氧樹脂的臨時(shí)鍵合材料鍵合到剛性薄玻璃載體晶片上的模塑料裝置晶片，該材料在250°C的溫度下進(jìn)行了一個(gè)小時(shí)的熱模擬后發(fā)生了翹曲。這可能是由于模塑料，鍵合材料和載體晶圓之間的CTE不匹配。幸運(yùn)的是，可以使用特殊選擇的臨時(shí)鍵合材料解決此問題（表1）。

表1  幾種臨時(shí)鍵合材料的機(jī)械性能

下面的圖3和圖4展示了減少翹曲的成功例子。臨時(shí)鍵合材料和與器件晶圓的CTE更緊密匹配的載體可減少翹曲的嚴(yán)重性。在此過程中，首先在玻璃載體晶片上涂覆機(jī)械剝離層，然后再旋涂材料A（表1）。將載體在200°C粘合到重構(gòu)的器件晶圓上后，進(jìn)行230°C的熱模擬，使用很小的機(jī)械力將一對(duì)鍵合體剝離，然后用有機(jī)溶劑清洗器件晶圓。

結(jié)合的晶片對(duì)在熱模擬后沒有顯示出翹曲，這可以歸因于器件和載體晶片之間的CTE匹配以及材料A的楊氏模量。楊氏模量代 表了材料的硬度，這會(huì)影響晶片在加工過程中的應(yīng)力加熱和冷卻過程。楊氏模量低的軟質(zhì)材料的翹曲低，而楊氏模量高的硬質(zhì)材料的翹曲高。

在這種情況下，無論模制復(fù)合材料晶圓（6-20×10 -6 /°C）和材料A（90 x 10 6 /°C）之間的CTE不匹配，材料A 的相對(duì)較低的楊氏模量（400 MPa） ）通過熱仿真確保鍵合對(duì)成功。因此，上述圖2中所示的不合格處理可歸因于環(huán)氧基粘合材料的高楊氏模量（2000 MPa）。

當(dāng)沒有CTE匹配的載體晶圓時(shí)，使用可以在室溫下粘合并在低溫下固化的材料組可以成功避免晶圓翹曲。在該示例中，將釋放層（材料B）旋涂在重構(gòu)的器件晶片上，同時(shí)將厚的低溫可固化材料C層施加到載體晶片上，然后進(jìn)行粘合。在250°C進(jìn)行熱模擬一小時(shí)后，鍵合的晶片對(duì)沒有顯示任何空隙，分層或可觀察到的翹曲。保護(hù)材料B和可固化材料C的高熔體粘度可確保在高溫下具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。此外，可固化材料C的低楊氏模量（3MPa）不會(huì)對(duì)鍵合的晶片對(duì)施加進(jìn)一步的應(yīng)力。

圖3  （A）使用材料A的鍵合晶片對(duì)的結(jié)構(gòu)

（B）在250°C的熱模擬下1小時(shí)后的鍵合晶片對(duì)的照片顯示了減少的翹曲

（C）熱模擬晶片的超聲C模式掃描聲顯微圖像

圖4  （A）使用材料B和C的鍵合晶片對(duì)的結(jié)構(gòu)

（B）在250℃下熱模擬1小時(shí)后的鍵合晶片對(duì)的照片顯示了減小的翹曲

（C）熱模擬晶圓對(duì)的正面照片，未顯示任何空隙或分層

3. 芯片后處理工藝（Chip-Last Processing）

在芯片后處理方法中，RDL層應(yīng)構(gòu)建在具有可移除支撐層的基板上，該支撐層可用于下游釋放目的，并且可作為整個(gè)晶圓堆積的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的RDL處理中，銅籽晶層通過化學(xué)氣相沉積（CVD）沉積在基板上。

在芯片后處理工藝中，銅層可能構(gòu)成挑戰(zhàn)，因?yàn)榭扇コ龑颖仨毘惺?/span>CVD工藝期間施加的溫度和真空。此外，可移動(dòng)層和RDL種子層之間必須具有出色的附著力。

圖5顯示了激光釋放材料上的銅沉積的比較，這些材料要么表現(xiàn)出較差的粘附性，要么對(duì)種子層的粘附性良好。在粘附性差的情況下，激光釋放材料的表面在銅沉積之后顯示氣泡，并且銅涂層可以容易地剝離。激光釋放材料具有良好的附著力，可以形成光滑而牢固的銅涂層，從而有助于后續(xù)加工過程中的支撐。

圖5  激光釋放材料上的銅沉積，（A）附著力差，顯示氣泡；（B）附著力好，無氣泡

圖6  層壓在聚合物涂覆的硅片頂部的銅箔照片

圖6顯示了比CVD更為方便的RDL種子層施加方法。首先將可去除材料涂覆在硅基板上，然后在高溫下層壓薄銅箔，從而形成無缺陷的銅籽晶層。層壓工藝具有成本效益，適用于大型基板（如面板）。

與弟一個(gè)芯片一樣，在電介質(zhì)固化，管芯對(duì)晶圓的連接以及模塑料固化期間，需要高溫。這些高溫工藝對(duì)要求高熔體粘度的可去除材料提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗诟邷叵卤仨毦哂凶銐虻臋C(jī)械性能以提供必要的排列。

圖7（A）顯示了沉積在高T g材料頂部的銅層，該銅層在熱模擬后無任何表面變化。如圖7（B）所示，當(dāng)將銅層沉積到低T g的材料上時(shí)，在熱模擬后觀察到褶皺。這些皺紋將阻止進(jìn)一步的設(shè)備處理。因此，高T g材料可能比低T g材料具有更多優(yōu)勢(shì)。

圖7   在熱模擬之前（A1）和熱模擬之后（A2）在高Tg材料上沉積的圖案化銅層的照片

熱模擬之前（B1）和熱模擬之后（B2）沉積在低Tg材料頂部的圖案化銅層的照片

4. 結(jié)論

顯然，先芯片和后芯片FOWLP工藝都存在固有的挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)了一些解決方案來克服這些挑戰(zhàn)，例如粘結(jié)材料具有低楊氏模量，還提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)的脫模材料，這些材料具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，可以成功粘合到臨時(shí)鍵合材料上，同時(shí)還可以在整個(gè)過程中保持完整性。有了這些，制造商就可以成功進(jìn)入這個(gè)令人興奮的新技術(shù)領(lǐng)域。

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