浅谈硅片在ic封装中的应用

浅谈硅片在ic封装中的应用

1减薄器件的选择随着集成电路逐渐减少而减少的方向，使用更薄的硅片是不可避免的。目前行业内可以将硅片减薄至50μm,相当于普通人头发丝的直径。通过减薄,可以将硅片背面多余材料去除掉,不仅有效的减小了硅片封装体积,同时,也提高了器件在散热、机械、电气等方面的性能。目前减薄有以下几种方法:研磨、化学机械抛光(CMP)、干式抛光(DryPolishing)、电化学腐蚀(ElectrochemicalEtching)、湿法腐蚀(WetEtching)、等离子辅助化学腐蚀(PACE)、常压等离子腐蚀(AtmosphericDownstreamPlasmaEtching,ADPE)等,其中最常用的减薄技术有研磨、CMP、湿法腐蚀等。其中因为研磨的加工效率高,加工后的硅片平整度好,成本低,多被封装厂所采用。2硅片背面研磨减薄技术目前,硅片背面研磨减薄技术主要有旋转工作台减薄与硅片自旋转减薄两种。2.1磨轮高速旋转法采用大于硅片的工件转台,硅片通过真空吸盘夹持,工作台沿水平方向进行移动,磨轮高速旋转,从而对硅片进行减薄。但因其研磨轮与工作台间接触的面积并不一致,各点的受力并不均匀,减薄后的硅片易产生翘曲,特别是针对较薄的硅片。其减薄原理、磨痕及减薄效果如图1所示,其中图1(c)所示的硅片厚度为120μm。2.2自旋转研磨法硅片自旋转研磨法的原理为:采用略大于硅片的工件转台,硅片通过真空吸盘夹持在工件转台的中心,磨轮边缘调整到硅片的中心位置,硅片和砂轮绕各自的轴线回转,进行切入减薄(in-feedgrinding)。此种方法的优点在于砂轮与硅片的接触长度、接触面积、切入角不变,研磨力恒定,加工状态稳定,可以避免硅片出现中凸和塌边现象。尤其对较薄的硅片表现较为明显。其工作原理、研磨痕迹与研磨后的效果如图2所示,其中,图2(c)所示的硅片厚度为120μm。经过上述对比,可以发现:采用硅片自旋转研磨,当硅片薄至一定程度时,可以有效地避免研磨后的硅片翘曲现象的产生。目前,由于所封装的薄硅片越来越多,更多的封装厂选择硅片自旋转工作模式对硅片进行减薄。2.3硅片的减薄加工目前本单位现有一台德国G&N公司所生产的MULTINANO3-300减薄机,其加工原理为硅片自旋转研磨,最薄可以磨至50μm,可以实现对100mm、125mm、150mm、200mm、300mm硅片的全自动减薄。对于100mm硅片从630μm减薄至370μm,每5min可以完成减薄一片,一小时可以加工12片左右。设备的最优指标为:TTV≤2μm,R(1)TTV(TotalThicknessVariation)=厚度最高值(max)-厚度最低值(min)。指片内的厚度偏差,即TTV越小,其片内厚度均匀性越好;(2)R(3)TV(ThicknessVariation)指片与片间厚度偏差,即TV越小,片间厚度一致性越好。3影响减薄质量的因素减薄操作的生产过程从图3中可以看出主要为:贴膜、切膜、减薄、揭膜及测厚等几个阶段。从生产的整个过程中,均可以引入导致研磨质量下降的因素。因此,对生产控制来讲,生产中所涉及到的人、机、料、法、环均需要作为控制点加以监控。图4为影响减薄质量的鱼骨图。主要说明了对减薄质量的影响因素,其中减薄速度、主轴转速及膜的质量为主要因素。本文主要探讨了膜的质量对TTV的影响及减薄速度、主轴转速对粗糙度的影响。4减薄过程及结果分析采用现有设备,对100mm硅片按以下过程进行减薄,并对反应减薄质量的TTV及粗糙度进行测试,并对数据进行统计分析。对减薄后的硅片进行五点或九点测试,测试位置如图5所示。过程1:通过调整不同的减薄速度,主轴转速等因素,摸索出对减薄质量的影响规律;过程2:讨论保护膜对TTV的影响,讨论不同厚度的膜对产品TTV的影响;过程3:对减薄后的数据进行统计,验证生产过程的可控性。5记录和分析实验数据5.1参数调整的影响分别调整减薄速度、主轴转速等对减薄质量影响较大的两个参数,摸索出不同参数对硅片表面粗糙度的影响情况。(1)研磨速度降为60/40/20图6可以看出,研磨速度为80/60/40μm/min时,其最大粗糙度、平均粗糙度均较大,为9.7nm、7.2nm,当研磨速度降为60/40/20μm/min时,其最大粗糙度(R(2)粗糙度测试结果设定研磨的速度为60/40/20μm/min,调整主轴转速分别为2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm,各加工一片,并对粗糙度进行5点测试,并计算其平均值,形成柱状图如图7所示。从图中可以看出随着主轴速度的增大(由2000rpm增至4500rpm),平均粗糙度与最大粗糙度均下降,因此,增大转速有利于改善所减薄硅片表面的粗糙度。将5.1的数据对比设备的性能指标(R5.2减薄前后的ttv对比(1)使用三种不同厚度的膜进行减薄,膜的厚度分别为70μm(A)、120μm(B)及140μm(C),分别加工5片,减薄后揭去膜,裸片厚度为450µm。然对减薄后的硅片进行五点测试,计算其TTV并对数据进行折线图处理,如图8所示。从图8中可以看出菱形(厚度为70μm)曲线高于另外两条曲线,说明使用厚度为70μm的膜对减薄后硅片TTV的影响较大。相比于另外两种膜(三角形曲线,厚度为140μm;圆形曲线,厚度为120μm),可以看出,对于产品质量控制来说,由于其过薄,产品的质量较差。(2)探讨膜的影响取25片100mm片进行贴膜、切膜、减薄及揭膜,片厚由540μm减薄至300μm。在整个过程中,记录了各个状态下的9点厚度,计算其平均值与TTV,并对各个状态下的数据进行对比,如下所示:(a)贴膜前与贴膜后、揭膜前与揭膜后的TTV对比图9为贴膜前与贴膜后的TTV对比,图10揭膜前与揭膜后的TTV对比。从图9可以看出,硅片在贴膜前其TTV的变化基本在2μm~4μm间浮动,贴膜后,其TTV的浮动范围变为3μm~7μm之间;从图10中可以看出,揭膜前其TTV多在2μm~4μm间浮动,揭膜后其TTV的浮动范围变为5μm~8μm之间。因此,由于膜本身TTV的存在,会对硅片的TTV产生3μm~4μm之间的负面影响。(b)减薄前(含膜)与减薄后(含膜)的TTV对比图11为减薄前(含膜)与减薄后(含膜)的TTV对比,从图中可以看出减薄前(含膜)硅片的TTV均较高,多为4μm~8μm间;减薄后(含膜)硅片的TTV较低,多为2μm~4μm之间。因此,对于TTV较大的硅片,经过减薄,可以在一定的程度上降低TTV,有效地改善硅片厚度的均匀性。但对比设备的性能指标发现,减薄后的TTV大于最优指标(TTV=2μm),因此,尚未达到设备的最佳能力。(c)减薄前(裸片)与减薄后(裸片)TTV图12为减薄前(裸片)与减薄后(裸片)TTV的对比,从图中可以看出,减薄前(裸片)的TTV多在2μm~4μm间浮动。减薄后(裸片)的TTV多在3μm~5μm间浮动,因此,对比加工前与加工后的数据可以发现,经过减薄这一机械加工,硅片厚度的均匀性略有下降,为1μm~2μm。但是,作为减薄本身工艺特性考虑,其加工过程是一个挤压、破损、移除的物理过程,因此,对于1μm~2μm的厚度偏差,可以说基本保持了加工前的均匀性水平。5.3减薄情况下的数据点利用统计技术对减薄后的质量进行监控,对5.2(2)中所述的25片减薄揭膜后的数据进行数据统计。目标厚度为300μm,控制上限为310μm,控制下限为290μm,分别绘制运行图及工序能力指数图,如图13与图14所示。从图13中可以看出,数据的最大值为302.3333,数据的最小值为295.8889,数据的平均值为299.0267,减薄后的所有数据点均在上下控制限的范围内,说明所有数据点均可接受。根据“点出界判异准则”、“6点判异准则”及“9点判异准则”,说明此加工过程稳定、授控。但对比设备最优指标,其TV=302.3333-295.8889=6.4444μm>2μm,说明并未达到设备的最优指标。从图14中同样可以看出数据的最大值、最小值与平均值,此外,由于此数据属于双限值,观察CPK,其值为1.521,大于1.33,小于1.67,故工序能力为合格。6减薄硅片tv的影响通过对样品的减薄,并对数据进行统计处理,发现:(1)对粗糙度的影响:减小减薄的速度、增大减薄的主轴转速可以有效的改善研磨的效果。考虑到生产效率,磨轮消耗等因素,在生产过程中,将参数设置为研磨速度:60/40/20μm/min,主轴转速:4000rpm。(2)膜的厚度不同,对减薄后的TTV的影响不同,减薄膜不应过薄。(3)通过文中5.2(2)所述,对于型号为A的保护膜会对减薄硅片的TTV产生3μm~4μm之间的负面影响。对比设备的最优指标,目前的加工水平尚未达到最佳。考虑到膜本身TTV的存在,因此,对于下一步控制来说,