如今，人們對(duì)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(jí)克服這些挑戰(zhàn)可以進(jìn)一步增加價(jià)值和性能，同時(shí)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(dòng)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(jí)封裝 (WLP) 技術(shù)目前主要用于制造消費(fèi)類產(chǎn)品，如智能手機(jī)、平板電腦和其他手持設(shè)備等。許多封裝平臺(tái)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(jí)別的集成。
晶圓級(jí)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(jí)封裝 (FOWLP) 技術(shù)正在研發(fā)和應(yīng)用，因?yàn)樗试S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(jí)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(jí)封裝挑戰(zhàn)
對(duì)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(gè)主要挑戰(zhàn)。硅晶片薄化至 <50 微米 (μm)，或使用一個(gè) 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(shí)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(jī)構(gòu)。使用熱塑性聚合物制造的臨時(shí)鍵合材料通常用于 TB/DB 工藝。
當(dāng)與載體襯底一起使用時(shí)，它們能夠提供熱機(jī)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(jī)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。現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)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(jí)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(shí)保持對(duì)器件襯底的機(jī)械支持。
對(duì)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(shí)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(huì)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(dòng)和偏離會(huì)造成 RDL 與嵌入芯片的錯(cuò)位。晶圓在晶圓廠加工完畢后，芯片就會(huì)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(gè)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(huì)發(fā)生翹曲，嵌入的芯片可能會(huì)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(duì)這種方法的興趣正在增加，因?yàn)樗褂昧伺cchip-first非常不同的工藝。RDL-first對(duì)于希望從chip-first FOWLP 過渡到尚未準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì) 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(jī)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(cè)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(jī)械穩(wěn)定性、良好的化學(xué)耐受性，不管是晶圓級(jí)或面板級(jí)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(jī)械強(qiáng)度的增加，可使超薄背面晶圓進(jìn)行薄化，實(shí)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(jì)。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(hù)。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(qiáng)的耐溶劑性，對(duì)多種材料的附著力高，并且燒蝕后具很好的溶劑清洗效果。
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(jí)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(duì)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。當(dāng)在 350°C 溫度下處理時(shí)，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(dòng)。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(dòng)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(gè)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(jī)械強(qiáng)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(huì)分解、釋氣或回流。這些材料在 350°C 下加熱三個(gè)小時(shí)后，在氮?dú)庵羞M(jìn)行的等溫?zé)嶂胤治?nbsp;(TGA) 顯示，其重量損失不到 6%。在 FOWLP 技術(shù)中，材料對(duì)有機(jī)和無機(jī)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(duì)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(duì)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(jī)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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)系統(tǒng)使用時(shí)，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(jī)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(shí)，提供了附加價(jià)值并提高了性能。對(duì)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(hù)。
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(jí)封裝 (WLP) 技術(shù)的發(fā)展。
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