堆叠3D封装的关键硅片减薄

1、WIN-WINRELATIONSHIPSCREATETHEWORLDSNo.1PRODUCTS堆叠/3D封装的关键技术之一-硅片减薄东精精密设备（上海）有限公司廖凯AccretechChinaCo.,Ltd.1、背景从上世纪后期开始的电子产品小型化趋势持续而且广泛的改变着人们的生活。这股便携化的浪潮从最初的收音机、随身听等发展到今天的笔记本电脑、手机等，并且越来越趋向于将各种功能集成在某种便携式终端平台上。例如，今天的手机就可以集成通话、计算、数据系统级芯片（SOC）、系处理、照相、摄像、网络、多媒体等各种功能。半导体集成电路技术的发展是这些变化的主要技术驱动力量。统级封装（SIP）等技术的发

2、展使得IC器件的功能得到了空前的提高，特别是应用于SIP的StackPackage/3DPackage等封装内集成技术的大行其道使得某些产品领域表现出了超越摩尔定律的超常发展趋势。其中最典型的例子就是闪存类产品，其主流终端产品容量从4、5年前的几十兆位到今天的几千兆位，几乎在短短几年间就提高了近百倍。其中设计及晶圆加工技术的提高固然作用巨大，但是叠层封装的发展却起到了倍乘的推动作用。业界越来越认识到，堆叠/3D封装在器件的系统级功能实现、存储容量的增加等方面所具有的工艺简易及成本低廉等巨大优势。虽然实现复杂的系统级3D封装还有很长的路要走,如针对3D系统级封装的电路设计、晶圆制造的工艺制程、新

3、增封装工艺步骤带来的工艺流程变化等都需要业界各方面的进一步协调和努力，但是回顾一下存储产品的堆叠封装技术在过去几年里的成功发展经验可以使我们进一步了解未来3D封装的技术要求。图1简要的描述了多层封装的不同形式、发展阶段及各自的优势。现阶段的多层封装技术仍然处于封装堆叠（Stackedpackage）的阶段。国际上已经有少数大厂开始试验及评价POP（PackageonPackage）的量产。而3D互连还处于工艺讨论和技术规划的阶段PiLckaucOnPatkagcSiacktd-DitPackageMenionxNLoicChipStuckMeniciyCapacityPEickiJsicSla

4、ckMemoryCapaciry扌装的发展趋势mH旳图1：多层封IMeinoivxNLJUUU3DlulcrcuwiccliouMemoir+Logic:BarChipStackftjeinonCapacilyHi吕hPinContactWIN-WINRELATIONSHIPSCREATETHEWORLDSNo.1PRODUCTS需要被减薄。一般来说,较为先进的多层封装使用的芯论R亡山iHion无论堆叠形式和连线方式如何改变，在封装整体厚度不变甚至有所降低的趋势下，中所用各层芯片的厚度就不可避窃甬片厚度都在100um以下。长远来说，根据目前的路线图在2010年左右，芯片厚度将达到25um左右的

5、近乎极限厚度，堆叠的层数达到10层以上。即使不考虑多层堆叠的要求，单是芯片间的通孔互连技术就要求上层芯片的厚度在20-30um，这是现有等离子开孔及金属沉积技术所比较适用的厚度，同时也几乎仅仅是整个器件层的厚度。因此，硅片的超薄化工艺（50um）将在封装技术中扮演越来越重要的角色，其应用范围也会越来越广泛。2、减薄技术所面临的主要挑战及解决之道2.1减薄能力减薄技术面临的首要挑战就是超薄化工艺所要求的50um的减薄能力。传统上，减薄工艺仅仅需要将硅片从晶圆加工完成时的原始厚度减薄到300-400um。在这个厚度上，硅片仍然具有相当的厚度来容忍减薄工程中的磨削对硅片的损伤及内在应力，同时其刚性也

6、足以使硅片保持原有的平整状态。通过电子透镜TEM的观察，我们可以清楚地看到在传统减薄=工艺的325#和2000#粗精磨之后残留在磨削表面的损伤（图2）。这些损伤是造成破片的主要直接原因。之所以产生这样的损伤是因为磨削工艺本身就是一种物理损伤性工艺，其去除硅个施破移除的过程。为了消除这些表面损伤及应力，人们考虑了各种方法：干抛、湿抛、干法刻蚀、湿法刻蚀等，目前在实际量产中应用最多的是湿法抛光工艺。图3显示了不同抛光去除Removalamoui子t镜.OumSurface事实上，人们对减薄厚度极限的挑战已经有了惊人的成就。图5所示东京精密公司在业界量下，表面损伤的改善状况。可以看到抛光量达到1.5

7、um以上后，表面的损伤就基本上被去除掉了。率先实现的5um硅片就展示了可见光透过硅片后，由于短波长无法通过而使得硅片在视觉上通体发红的有趣物理现象。从图片中可以清楚地看到工程师放在背面捧住硅片的手指。当然，5um已经小于很多器件本身的厚度，所以不太可能在量产中被应用到。但是其实现的技术对于25um以上减薄是具有指导意义的。2.2超薄硅片的搬送图5减薄至5um的硅片在硅片被减薄到100um以下后，除了对减薄自身的挑战外，向后续工艺的硅片传递、搬送也遇到了很大的问题。硅片在这样的厚度下，即使通过应力消减减少了翘曲，但仍然表现出形态上柔软、刚性差，实质脆弱的物理特性。这样的特性给硅片的搬送带来了很大

8、的麻烦。在各道独立的工序间搬送这样的硅片需要特制的硅片支撑系统。硅片支撑系统一般是通过把高刚性的圆片(一般是特制硅片或玻璃片)粘结在硅片上，使其和加工片一起作为整体被加工，达到可以使用普通搬送机械手和片盒的目的。但是硅片支撑系统在实际的开发、认证、使用中遇到了诸多至今仍未克服的问题。概括起来有三类：1.增加了实际加工硅片的厚度控制难度，其厚度均一性难以达到要求；2.增加的支撑片粘贴、去除工艺的控制难度高；3.大量增加了长期的运行成本。在硅片支撑系统中不仅其中使用的粘结材料是消耗品，而且起支撑作用的圆片在每次被剥离后都要进行特殊的处理以使其保持粘结面的平整和厚度的均匀。基于这些原因，硅片支撑系统

9、很少在大规模生产中被采用。目前业界的主流解决方案是采用东京精密公司所率先倡导的一体机思路，将硅片的磨削、抛光、保护膜去除、划片膜粘贴等工序集合在一台设备内，通过独创的机械式搬送系统使硅片从磨片一直到粘贴划片膜为止始终被吸在真空吸盘上，始终保持平整状态。当硅片被PG200/300本机PG200/300RM的部分是磨片和抛光的空吸盘的大圆盘回转E片在不用离开真空吸到粗磨、精磨、抛光等尊的过程。这一独创的的严重翘曲所造成的I时也避免了磨片后的进而破裂的危险。y右边的rm部是通过二要完成保护膜的去除瓦将硅片进行正反的翻东京精密公司的设计y用划片膜张贴到框架-问题。除此之外，东京精密的RM模块还在业界第一次实现了对所有帀场王流划片膜的支持,而且还支持预切体机图6一京精密PG200/HH丄中剥3910R意图。图3的P1260移厚还薄的硅片会顺从i生翘曲、下垂等问题,割膜、含粘片膜(DieAttachFilm)的2合1膜等，以适应各种工艺和产品要求。图6所示仅仅是一个基本的配置形式。根据不同的工艺要求，可以柔性地在PG和RM之间加入相应的特定工艺模块，如激光划片、硅片的背面等离子处理等，从而极大地丰富了设备的功能及扩展了对未来产品趋势和要求的适应性。3、结语在今天叠层封装蓬勃发展、方兴未艾的同时，以通孔互连为技术特征的3D封装也日益成为系统级封装的主要发展方向。