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探索不同晶圆级封装的工艺流程

时间:2023-10-11 11:36:47 浏览:683

晶圆级封装可分为扇入型晶圆级芯片封装(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圆级芯片封装(Fan-Out WLCSP)、重新分配层(RDL)封装、倒片(Flip Chip)封装、及硅通孔(TSV)封装。此外,本文还将介绍应用于这些晶圆级封装的各项工艺,包括光刻(Photolithography)工艺、溅射(Sputtering)工艺、电镀(Electroplating)工艺和湿法(Wet)工艺。


扇入型晶圆级芯片封装工艺

在扇入型晶圆级芯片封装中,合格晶圆首先将进入封装生产线。通过溅射工艺在晶圆表面制备一层金属膜,并在金属膜上涂覆一层较厚的光刻胶,光刻胶厚度需超过用于封装的金属引线。通过光刻工艺在光刻胶上绘制电路图案,再利用铜电镀工艺在曝光区域形成金属引线。随后去除光刻胶,并利用化学刻蚀(Chemical Etching)工艺去除多余的薄金属膜,然后在晶圆表面制备绝缘层(Dielectric Layer),并利用光刻工艺去除锡球(Solder Ball)放置区域的绝缘层。因此,绝缘层也被称为“阻焊层”(Solder Resist),它是晶圆级芯片封装中的钝化层(Passivation Layer),即最后的保护层,用于区分锡球放置区域。如没有钝化层,采用回流焊(Reflow Soldering)等工艺时,附着在金属层上的锡球会持续融化,无法保持球状。


利用光刻工艺在绝缘层上绘制电路图案后,再通过植球工艺使锡球附着于绝缘层。植球安装完成后,封装流程也随之结束。对封装完成的整片晶圆进行切割后,即可获得多个独立的扇入型晶圆级芯片封装体。


锡球植球工艺

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▲图1:晶圆级回流焊设备平面图(ⓒ HANOL出版社)


在植球过程中,需要将锡球附着到晶圆级芯片封装体上。传统封装工艺与晶圆级封装工艺的关键区别在于,前者将锡球放置在基板上,而后者将锡球放置在晶圆顶部。因此,除了用于涂敷助焊剂和植球的模板需在尺寸上与晶圆保持一致之外,助焊剂涂敷、植球工艺、回流焊工艺都遵循相同步骤。


此外,回流焊设备采用基于发热板的回流焊方式,如图1所示,而不是涉及运送器的对流热风回流焊方式(Convection Reflow)。晶圆级回流焊设备在不同的加工阶段会对晶圆施加不同温度,以便保持回流焊操作所需温度条件,确保封装工艺流程能够顺利进行。


倒片封装凸点工艺

倒片封装体中凸点(Bump)是基于晶圆级工艺而完成的,而后续工序则与传统封装工艺相同。

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▲图2:倒片封装工艺概览


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▲图3:倒片封装凸点制作工序


由于要确保凸点拥有足够的高度,因此需选用能在晶圆上厚涂的光刻胶。铜柱凸块(CPB)1需要先后经历铜电镀和焊料电镀两道工序后形成,所使用的焊料通常为不含铅的锡银合金。电镀完成后,光刻胶随即被去除,并采用金属刻蚀工艺去除溅射而成的凸点下金属层(UBM)2,随后通过晶圆级回流焊设备将这些凸点制成球形。这里采用的焊接凸点回流焊工艺可以最大限度减少各凸点的高度差,降低焊接凸点表面的粗糙度,同时去除焊料中自带的氧化物,进而保障在倒片键合过程中增加键合强度。

1、铜柱凸块(CPB):用于倒片键合的凸点结构,旨在减少凸点间距。铜作为材料,被用于制作铜柱来承上方凸点。

2、凸点下金属层(UBM):在倒片凸点下方形成的金属层。


重新分配层封装工艺

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▲图4:重新分配层封装工艺概览


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▲图5:重新分配层形成工序


 


利用重新分配层封装工艺,在晶圆原本焊盘上形成新焊盘,以承载额外的金属引线,此种工艺主要用于芯片堆叠。因此,如图4所示,重新分配层工序之后的封装工序遵循传统封装工序。在芯片堆叠过程中,每个单独芯片都需重复进行芯片贴装和引线键合这两道工序。


在重新分配层工艺中,首先通过溅射工艺创建一层金属薄膜,之后在金属薄膜上涂覆厚层光刻胶。随后利用光刻工艺绘制电路图案,在电路图案的曝光区域电镀金层,以形成金属引线。由于重新分配工艺本身就是重建焊盘的工艺,因此确保引线键合强度是十分重要的。这也正是被广泛用于引线键合的材料—金,被用于电镀的原因。


扇出型晶圆级芯片封装工艺

在扇出型晶圆级芯片封装工艺中,首先需要在等同于晶圆形状的载片上贴附一层薄膜。切割晶圆后,再按照一定间距将优质芯片贴在薄膜上,接下来对芯片间隔区域进行模塑,以形成新形状。晶圆模塑完成后,载片和薄膜将被移除。随后在新形成的晶圆上,利用晶圆设备创建金属导线,并附着锡球以便封装。最后,将晶圆切割成多个独立封装体。


晶圆模塑

制作扇出型晶圆级芯片封装体时,晶圆模塑是一项重要工序。对于扇出型晶圆级芯片封装件而言,晶圆塑膜需先在芯片上贴附同样形状的晶圆载片,而后将其放置到模塑框架中。将液状、粉状或颗粒状的环氧树脂模塑料(EMC)3加入到模塑框架内,对其进行加压和加热处理来塑膜成型。晶圆模塑不仅是扇出型晶圆级芯片封装工艺的重要工序,对于利用硅通孔(TSV)工艺制作已知合格堆叠芯片(KGSD)4也是无可或缺的工序。本篇文章的后续内容,将对此展开更详细的探讨。


3、环氧树脂模塑料(EMC):一种基于环氧树脂或热固性聚合物的散热材料。这种材料可用于密封半导体芯片,以避免芯片受到外部环境因素影响,如高温、潮湿、震动等。


4、已知合格堆叠芯片(KGSD):经过测试确认质量良好的由堆叠芯片组成的产品,最好的例子就是 HBM。


硅通孔封装工艺

图6展示了采用中通孔(Via-middle)5方法的硅通孔封装工艺步骤。首先在晶圆制造过程中形成通孔。随后在封装过程中,于晶圆正面形成焊接凸点。之后将晶圆贴附在晶圆载片上并进行背面研磨,在晶圆背面形成凸点后,将晶圆切割成独立芯片单元,并进行堆叠。


5、中通孔(Via Middle):一种硅通孔工艺方法,在互补金属氧化物半导体形成后及金属层形成之前开展的工序。


接下来,将简单概括中通孔的基本工序。首先在前道工序(Front-end of Line)中,在晶圆上制作晶体管,如互补金属氧化物半导体等。随后使用硬掩模(Hard Mask)6在硅通孔形成区域绘制电路图案。之后利用干刻蚀(Dry Etching)工艺去除未覆盖硬掩膜的区域,形成深槽。再利用化学气相沉积工艺(Chemical Vapor Deposition)制备绝缘膜,如氧化物等。这层绝缘膜将用于隔绝填入槽中的铜等金属物质,防止硅片被金属物质污染。此外绝缘层上还将制备一层金属薄层作为屏障。


6、硬掩膜(Hard Mask):一种由硬质材料而非软质材料制成的薄膜,用于绘制更为精细的电路图案。硬掩膜本身对光线并不敏感,所以需使用光刻胶才能进一步绘制电路图案,以最终实施刻蚀工艺。


此金属薄层将被用于电镀铜层。电镀完成后,采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)技术使晶圆表面保持平滑,同时清除其表面铜基材,确保铜基材只留在沟槽中。然后通过后道工序(Back-end of Line)完成晶圆制造。


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▲图6:硅通孔封装工序(ⓒ HANOL出版社)


使用硅通孔技术制造芯片堆叠封装体时,一般可采用两种类型的封装方法。第一种方法是利用3D芯片堆叠技术的基板封装。第二种方法则需创建KGSD,然后基于KGSD来制作2.5D或3D封装。下文将详细介绍如何创建KGSD,以及如何基于KGSD来制作2.5D封装的过程。


作为利用硅通孔技术制作而成的芯片堆叠封装体,制作KGSD必需经历额外封装工艺,如2.5D封装、3D封装以及扇出型晶圆级芯片封装等,高带宽存储器(HBM)就是KGSD产品的一个典型例子。由于KGSD需经历额外封装工艺,其作为连接引脚的焊接凸点需要比传统锡球更加精细。因此3D封装体中芯片堆叠在基板上,而KGSD中的芯片则堆叠于晶圆上方,晶圆也可以视为KGSD的最底层芯片。就HBM而言,位于最底层的芯片被称为基础芯片或基础晶圆,而位于其上方的芯片则被称为核心芯片。


此方法工序如下:首先,通过倒片工艺在基础晶圆和核心晶圆的正面制作凸点。在制作2.5D封装体时,基底晶圆需要排列凸点,使之能够附着到中介层(Interposer);相反,核心晶圆上的凸点布局则是有助于晶圆正面的芯片堆叠。在晶圆正面形成凸点后,应减薄晶圆,同时也需在晶圆背面形成凸点。然而,正如前文在介绍背面研磨工艺时所述,需注意在减薄过程中导致晶圆弯曲。在传统封装工艺中,进行减薄之前,可将晶圆贴附到贴片环架上,以防止晶圆弯曲,但在硅通孔封装工艺中,由于凸点形成于晶圆背面,所以这种保护方法并不适用。为解决此问题,晶圆承载系统(Wafer Support System)应运而生。利用晶圆承载系统,可借助临时粘合剂将带有凸点的晶圆正面贴附于晶圆载片上,同时对晶圆背面进行减薄处理。此时晶圆贴附于晶圆载片上,即使经过减薄也不会发生弯曲。


此外,因晶圆载片与晶圆形式相同,因此也可使用晶圆设备对其进行加工。基于此原理,可在核心晶圆的背面制作凸点,当核心晶圆正面及背面上的凸点均制作完成时,便可对载片进行脱粘。随后将晶圆贴附于贴片环架中,并参照传统封装工艺,对晶圆进行切割。基础晶圆始终贴附于晶圆载片上,从核心晶圆上切割下来的芯片则堆叠于基础晶圆之上。芯片堆叠完成后,再对基础晶圆进行模塑,而后进行晶圆载片脱粘。至此,基础晶圆就变成了堆叠有核心晶圆的模制晶圆。随后对晶圆进行研磨,使其厚度达到制作2.5D封装体所需标准,然后再将其切割成独立的芯片单元,以制作KGSD。HBM成品包装后将运送至制作2.5D封装体的客户手中。


晶圆承载系统工艺

晶圆承载系统是指针对晶圆背面减薄进行进一步加工的系统,该工艺一般在背面研磨前使用。晶圆承载系统工序涉及两个步骤:首先是载片键合,需将被用于硅通孔封装的晶圆贴附于载片上;其次是载片脱粘,即在如晶圆背面凸点制作等流程完工后,将载片分离。


图7展示了晶圆承载系统的工艺步骤。首先在晶圆表面涂覆临时粘合剂,使其贴附于载片上;待晶圆背面的加工工序完成后,即可对载片进行脱粘,并去除残留粘合剂,以确保晶圆表面清洁。


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▲图7:晶圆承载系统工序


进行载片键合时,需要注意几个因素:首先,载片键合后的晶圆整体厚度应均匀一致;其次,键合面不应存在空隙,两片晶圆对齐应准确无误;此外还应确保晶圆边缘不受到粘合剂污染,且在处理过程中应尽量避免晶圆发生弯曲。在载片脱粘过程中,还应注意:避免晶圆脱离载片后发生损坏,如边缘剥落(Chipping)7或出现裂纹等;避免粘合剂残留;避免凸点变形。


7、边缘剥落(Chipping):芯片或晶圆边角损坏。


在基于晶圆承载系统的封装工艺中,载片脱粘是一个相对复杂且重要的工序。因此,业界已经提出并研发多种脱粘方法,并针对每一种脱粘方法开发出相应的临时粘合剂。典型的脱粘方法包括热技术、激光烧蚀(Laser Ablation)后剥离、化学溶解、机器剥离后化学清洗等。


晶圆边缘切筋工艺

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▲图8:未切筋(上图)与切筋后(下图)的晶圆边缘对比图


如图8上半部分红圈内区域所示,将采用硅通孔工艺封装的晶圆键合到晶圆载片上,经过背面研磨后,其边缘会变得较为尖锐。此种状态下,晶圆后续还将经历光刻、金属薄膜制备、电镀以在背面制作凸点等工序,这些工序会增加晶圆边缘剥落的风险。边缘裂纹可能会延伸至晶圆内部,进而导致后续工序无法进行,最终造成严重的良品损失。为避免此问题,对于采用硅通孔工艺封装的晶圆,在其进行载片键合前,应先对晶圆正面边缘进行切筋并去除修剪部分。如图8下半部分区域所示,将切筋后的晶圆贴附于晶圆载片并对其进行背面研磨时,锋利而凸起的边缘已消失。因此,在后续工序中,晶圆边缘剥落的风险也被消除。在切筋过程中,旋转的晶圆切割刀片穿过晶圆边缘,将指定的边缘区域切除。


堆叠工艺

硅通孔封装工艺中,在晶圆正面和背面形成的凸点均用于键合,以便堆叠。同样地,在倒片键合时,批量回流焊(Mass Reflow)工艺8和热压缩(Thermocompression)工艺9也用于键合。根据堆叠方式的不同,堆叠工艺可分为芯片与芯片(Chip-to-Chip)堆叠、芯片与晶圆(Chip-to-Wafer)堆叠、晶圆与晶圆(Wafer-to-Wafer)堆叠。

8、批量回流焊工艺(Mass Reflow):将多个器件按陈列连接到基板上,然后在烤箱等中一起加热,以熔化焊料使之形成互联的工艺。因一次性处理多个器件,所以在这个术语中使用了“批量”这一词。

9、热压缩工艺(Thermocompression):对物体进行加热和加压处理,使其进行键合的一种工艺。

使用硅通孔工艺堆叠芯片时,需使用微型凸点。因此,凸点之间的间距很小,堆叠芯片之间的间距也很小,这就是以可靠性著称的热压缩工艺因被广泛使用的原因。然而,热压缩工艺也存在缺点,那就是耗时长,生产率底,因为在键合过程中必然会耗时去加热加压。因此热压缩工艺逐渐被批量回流焊工艺取代的趋势日益明显。

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