晶圆级芯片临时键合技术的发展

晶圆级芯片临时键合技术的发展

随着智能手机等生活必需品的发展，以及5g消费电子产品的发展，智能设备的发展趋势更加轻巧、多功能、功耗和长期可持续。晶圆芯片封装的发展方向为大尺寸、多芯片重叠和不足之处。大尺寸芯片运用在CMOS影像芯片，能够支持更高像素，通过堆栈电子器件的三维集成电路(3D-ICs)能够缩小封装面积,并增加系统的容量和功能。超薄技术带来的是能够堆叠更多芯片，并且能够很好的控制封装模组的厚度，进而控制整个产品的厚度，另外能够压缩更多的空间给电池，以提升产品的续航能力。为了适应晶圆级封装芯片超薄（THK<100um）的需求，临时键合技术应运而生。本文主要对临时键合技术在晶圆级封装过程中出现的实际问题和一般解决方案做简单的介绍。1晶圆临时键合技术近年来，为迎合电子产品朝着小型化、高性能化等方向发展，产品芯片的厚度再不断降低。尤其是堆叠结构的2.5D-IC、3D-IC技术的发展，要求晶圆厚度降低到100um以下，薄晶圆的处理成为主要的挑战。由于超薄晶圆具有易碎性、易翘曲的特点，通常先将客户晶圆用临时键合的方式键合到较厚的衬底上，完成一系列封装后再去除衬底。通过对临时键合技术在封装实际应用的研究，一方面能推动临时键合材料的优化。另一方面，能够从封装生产方法上进行改进，减少破片率、损失率，提升产品封装良率。2一般固定组合法、和解组合法和优缺点2.1uv-c照射常见的临时键合方式有：干膜（UVtape）和胶水（Glue）两大类。干膜类似双面胶，分别黏附晶圆和衬底，DIC前通过特定频谱的UV光照射去除衬底，并从晶圆表面撕去干膜，原理和过程如图1所示：胶水类为热塑型聚合物，涂布在衬底或者晶圆上，通过一定压力、温度和真空，热压键合。DIC前通过加热融化或机械剥离除去衬底，原理和过程如图2所示：另外，胶水类衍生出热熔胶和激光胶配合的工艺，衬底使用的是透明glass，原理和过程如图3所示：2.2压缩压压封法解键合方式根据键合方式不同，分为UV照射（针对UV干膜）、机械剥离（针对热熔胶）、热滑移剥离（针对热熔胶）和激光剥离（针对激光胶）这四种类型。UV照射原理是特定光谱UV照射干膜，干膜内颗粒物破裂释放气体，顶开衬底与晶圆。但解键合设备成本较高，存在释放气体，撑破薄硅的风险。另外，这种方式仅适用于高透衬底，如glass。机械剥离法比较粗暴，将薄片插入衬底与晶圆中间，向上和旋转剥离衬底，但该方法破片率很高。热滑移是将晶圆吸附在真空工作台，衬底使用可加热吸盘吸附，通过加热使胶水融化，侧向滑移出衬底。这种方式的弊端是，要求胶水热稳定性差，在封装过程中高温制程同样容易软化，造成很多问题。激光辅助法是通过激光照射可光解的激光胶，使其气化，达到解键合目的。但是激光解键合设备成本非常高，同样存在光解释放气体，撑破薄硅的风险。另外，与UV干膜一样，仅适用于高透衬底。3研磨后分散、碱损严重的问题目前在晶圆级封装行业内，临时键合技术的使用已经比较成熟，但都是厚度都在100um以上的单层TSV结构，受限于临时键合材料，暂不能做到更薄。晶圆级封装制造大致工艺路线如图4所示：Coating以旋转涂布方式进行，如图5所示，除了胶粘度、转速和前后烘烤参数的调试，另一个要求就是环境，通常机台内和操作环境要求至少百级。大颗粒杂质（原胶颗粒，机台内残胶，环境颗粒等）落在衬底上，旋涂极易产生涂布不均的异常，如图6所示。这种涂布不均在bonding后表现为凸点气泡（如图7所示），grinding研磨后会出现渗水分层问题（如图8所示）。封装厂主要使用EVGbonder机台型号包括：EVG510/520,Bonding根据胶材的情况，要求一定温度(150-200℃)，压力（3000-7000N/cm2），真空度（通常<5mbar），上下加热板和直接承载晶圆的chuck必须保证水平。另外衬底与客户晶圆之间的shift要严格管控，一般要求<300um，否则wafer在减薄后运输、SRD甩干等操作，极易出现边缘磕碰的碎边硅裂，如图9所示：Bonding不良的产品是可以返工的，即提前解键合并清洗胶水残留，然后重新涂胶。溅射金属的sputtering和CVD制程对胶材的考验是最大的，目前的临时键合胶水耐受温度都不高，低温CVD(150℃以下）可耐受，recipe需要特殊调试，要求缓升缓降。对于更高温度要求的工艺，极易出现“雪花纹”以及分层，如图10所示：此外，如果临时键合胶的黏附力弱，甚至不耐酸碱，经过显影液等制程内酸碱液的侵蚀或者经过PI涂布后的高温烘烤（通常150℃-200℃，时间持续0.5—5H),PI收缩产生拉力，极易导致晶圆边缘“卷边”，如果划片道打开，甚至单颗芯片的翘鼓不平，如图11所示：这些实际问题，迫使临时键合胶材料提升，目前行业内有耐更强酸碱，耐更高温度，黏附力更佳的产品，比如BrewerBOND系列，国产深圳化讯材料WLP-TB4130等。但稳定的另一面是解键合和清除残胶更加麻烦，需要更长时间去除残胶，键合的