半導體產業正處於一個新時代,當摩爾定律成為IC擴展的指導原則時,設備擴展不會繼續以與過去幾年相似的速度提供成本降低或效能改進這些優勢了。擴展到7奈米以下節點的成本正在大幅上升,並且需要進行大量的投資到下一代光刻解決方案的資本財設備和研發支出這兩個方面。由於在為消費電子、行動性設備、雲端運算、汽車和各種其他應用開發的產品和服務方面取得了重大躍升,對更高效能表現、更小外形、更密集的積體和更低成本設備的需求正在以前所未有的速度增長。雖然半導體產業不斷推進積體電路(IC)的擴展,但它也轉向採用先進的封裝技術來提高效能和積體,同時降低成本。

多元異質模組整合所面臨的多個挑戰之一是彌合晶片級和板級可用I/O的差距。在晶片級,隨著I/O密度的增加,趨勢一直在縮小晶片尺寸,因此需要創造性的封裝技術將晶片以如此高的I/O密度連接到電路板上。眾多不斷發展的封裝技術在設備的多元異質模組整合中發揮著重要作用,其中晶圓級扇出(WLFO)封裝技術已成為主導製程。WLFO製程已經針對商業經營化部署多年,採用簡單的單晶片設計,重構晶圓一側的單個製作導線重新分佈層(RDL),以及厚式重構晶圓組的稀薄矽區域,進而產生較厚的封裝。

最近,為了解決一般使用者對效能、積體和外形尺寸的需求,扇出封裝的設計和製程複雜性不斷增加,包括多晶片封裝、積體被動元件、多重RDL層,以及3D扇出封裝,同時不斷減小x、y和z方向的封裝尺寸。隨著晶片尺寸,製程複雜性和封裝複雜性的增加,產量成為扇出封裝製程的關鍵要素。傳統的扇出製程採用晶片優先/RDL其後方法,其中使用已知的良好晶片建造重構晶圓,然後在重構晶圓頂部建造RDL。

隨著重構晶圓和RDL的複雜性增加,該製程容易在RDL層級產生損耗,其中已知良好的晶片(KGD)標示位在不良的RDL位置。產能減少可能是由於幾個因素造成的,包括晶片位移、熱膨脹錯配、光刻對準不良等,導致在封裝製程中損失昂貴的KGD。

為了避免在封裝過程中損壞KGD,開發了一種稱為RDL優先/晶片其後的扇出封裝的備用扇出製程,其中RDL首先建造在載體晶圓上,KGD放置在已知良好的RDL位置之上,繼而避免了KGD的損失。

RDL優先製程還為RDL提供了更精細的線/空間維度方面的其他優勢,以便為更密集的設備積體提供複雜的路徑。在本文中,借助舉出幾點解決在製程中遇到的一些關鍵挑戰的事例,可說明支援RDL優先扇出封裝開發的耗蝕性雷射釋放材料的優勢。

扇出晶圓級封裝(FOWLP)技術

如上所述,FOWLP技術大致有兩個主要的製程類別;晶片優先/RDL其後扇出和RDL優先/晶片其後的扇出封裝。兩種製程路徑中的進階積體方案都需要使用臨時接合材料的某種形式載體輔助製程。

晶片優先/RDL其後的FOWLP

晶片優先扇出製程採用晶圓重建製程,在這個製程中,會從原始裝置晶圓中揀出KGD並置於基板上,然後以模壓樹脂包覆成形創造一種稱為重構晶圓的異質而高應力的基板材。如果重構晶圓的厚度小於350μm,則這些晶圓由於內部應力較大而表現出嚴重的彎曲,並且具有高溫能力的臨時接合材料對於使用製程流程支撐重構晶圓是必不可少的,以減少彎曲和減輕設備中的處理問題,以及修正在RDL生產期間用於光刻的對準期間所產生的配準錯誤。

晶片優先製作流程有兩個通用製程路線,即重構晶圓處理和建造製程及處理。圖1顯示了這兩種製程路線的一般示意圖製程。這兩種路線的主要差異發生在重構晶圓建造期間,在製程路線A,重構晶圓處理中,晶圓建造在單獨的載體上,然後轉移到塗有高溫臨時接合材料和釋放層的第二載體上,用於隨後的RDL建造和組裝。在製程路線B中,晶片附著、重構、RDL建造和組裝過程發生在塗有高溫相容的臨時接合材料和釋放層的單個載體上。

20190716TA31P1 圖1 使用載體輔助方法顯示針對晶片優先流程的兩種主要方法的通用流程。(A)重構晶圓處理及(B)建造製程和處理,虛線框狀區域顯示了臨時接合材料在該製程中的作用。

用於晶片優先型製程的臨時接合材料的主要挑戰包括翹曲控制、模具移位、溫度穩定性等,這些在先前的出版物中已經加以解決。晶片優先扇出製程現在大量使用,越來越多地用於支持行動電子應用。

RDL優先/晶片其後的FOWLP

圖2顯示了RDL優先的FOWLP過程的示意流程圖。晶片附著的RDL層製程和組裝製程會在塗有釋放層的暫時載具上完成,通常,玻璃載體塗有釋放層,然後是完成一系列製程步驟,最後創造成為RDL層。這些步驟會重複多次,最終創造出一個多層RDL結構。在RDL製程完成之後,晶圓經歷組裝製程步驟:包括晶片附著、模製和模具研磨,然後釋放載體。在晶圓級上,對於RDL優先類型的製程慣用載具分離方法是,採用雷射分離機制。許多代工廠和委外封裝測試(OSAT)正在開發這種製程,可針對用在晶圓級和面板級的進階積體整合。

20190716TA31P2 圖2 RDL優先/晶片其後製程的製程示意流程圖,虛線框狀區域顯示了臨時接合材料在該製程中的作用。

RDL優先製程中耗蝕性釋放材料的關鍵要求

耗蝕性雷射釋放層塗覆在載體上,作為後續的分佈層、晶片附著、組裝和模製過程皆在其上所進行的分層。該材料用作為基礎材料,所有其他層附在其上建造而成,而不只是用於接合層或釋放層等的單一功能。與晶圓優先製程相比,RDL優先製程在犧牲層上更為嚴峻,因為在早期RDL成形階段中,整面的這個釋放層會開放接觸製程化學品,取決於具體的製造流程,釋放層需要對金屬種子層和/或聚合物介電層具有良好的黏附性。釋放層還必須具有良好的耐化學性,以抵抗光刻化學物質、金屬蝕刻化學物質和開面測。此外,剝離層需要在聚醯亞胺(PI)固化步驟中經受長時間的高溫處理,並且避免在高溫和高壓模具附接製程和模具的環氧樹脂模製期間流動。另外,釋放層需要在PI固化步驟中經受長時間的高溫處理,還要避免流動發生在高溫和高壓黏晶製程和模具的環氧樹脂模製期間。圖3顯示了RDL第一製程的耗蝕性釋放層的關鍵要求,請注意,將這種材料稱為耗蝕性釋放層並不能確實傳達這種材料所具有的所有基本功能。

20190716TA31P3 圖3 RDL第一製程的耗蝕性釋放層的關鍵要求。

塗覆製程

耗蝕性雷射釋放層必需與晶圓及面板級塗覆技術相容。這些材料應提供優異的塗層品質,並均勻分佈TTV在整個基材上。相關的一些風險是針孔缺陷、去濕斑點、厚度不均勻等。這些塗層異常將對下游製程產生不利影響。

例如,針孔缺陷和去濕斑點將導致塗覆在釋放層頂部上的接續層(PI層或PVD金屬)直接接觸到載體基底板,這就是藉由針孔及去濕斑點所致。這將導致較差的脫離效能,因為在載體和金屬或PI層之間將不存在釋放層來提供釋放功能用到缺陷區域上。如果釋放層塗有不均勻的厚度,這將影響釋放功能並可能影響釋放層的雷射吸收能力,導致在脫離過程中高能雷射光傳輸到主動元件表面,從而對設備產生潛在的傷害可能性。

由Brewer Science開發的耗蝕性雷射釋放層可以相容於與用於晶片級應用的旋塗製程和用於面板級應用的槽模塗覆製程。這些材料塗覆在玻璃晶圓和面板上,具有優良的均勻性,且沒有任何缺陷,圖4顯示了使用槽模塗覆製程塗覆的耗蝕性釋放材料A和B的面板級均勻性。

20190716TA31P4 圖4 使用槽模塗佈製程塗覆的耗蝕性釋放材料A和B的面板級塗層均勻性。

附著

耗蝕性雷射釋放材料必須非常牢固地黏附到玻璃,有機物如PI,以及使用PVD製程諸如鈦(Ti)和銅(Cu)沉積的金屬。較差的黏合強度將導致在分佈層的脫層或在組裝製程中,建造設備基板材的的分離。除了釋放層的特性之外,還已知特定的金屬沉積製程對黏合強度有影響,應遵照金屬沉積的最佳典範執行以改善對釋放層的黏著性。

本文測試了雷射釋放材料A和B與PVD Cu的黏著性,此測試是採用ASTM-D3359標準化的交叉影線測試。圖5顯示了Cu在兩種材料上的交叉影線黏著性測試的結果,較差的黏著性將導致由交叉影線圖案產生的Cu方塊的剝離,但是這裡結果顯示在測試之後所有Cu方塊與釋放層的絕佳黏著性。

20190716TA31P5 圖5 (A)黏著試驗的試驗結構的示意圖和(B)Cu在兩種釋放材料A和B的交叉影線黏著試驗的結果。

熱效應及機械穩定性

耗蝕性釋放層的關鍵要求包括透過建造過程的熱穩定性和機械穩定性。建造在釋放層頂部的RDL層要求固化溫度超過250℃,每層約1~3小時,因此,3層RDL結構會使釋放層暴露在長達9小時的高溫製程循環中。在熱循環期間,釋放層不應軟化或分解,並且必須保持硬性和穩定。

耗蝕性雷射材料A和B都是熱力和機械穩定的材料。材料A是一種熱塑性材料,其玻璃化轉變溫度(Tg)高達320℃,熱分解溫度(Td)為410℃。材料B是熱固性材料,Td為270℃,並且在低於Td的溫度範圍內不顯示Tg,這些特性導致材料在PI固化期間的高溫製程中不軟化或分解。

化學穩定性

耗蝕性釋放層需要承受苛刻的化學條件,其大部分是在開放面中,因為在RDL的建造期間,釋放層將與包括濕蝕刻化學物質在內的若干製程化學物質直接接觸。典型的化學物質涉及溶劑、金屬蝕刻化學品、抗蝕劑脫離劑、電鍍化學物質和其他組裝製程化學物質。在製程過程的化學池中,釋放層不得溶解、損失厚度或污染,研究耐化學性的常用方法是目視檢查,化學品暴露前後釋放層的厚度測量,以及在塗有釋放層的基板材浸入之前和之後,測量鍍液速率或製程池的蝕刻速率的變化,以檢測任何污染或將釋放層浸入池中。

藉助在矽(Si)晶圓上塗覆釋放層然後將晶圓浸入相應的化學物質中,進行目視檢測和/或厚度測量,得以研究出釋放層的化學穩定性。對於涉及目視檢查的測試,只有一半的晶圓浸入化學物質中,並觀察浸沒區域對塗層的任何不利影響(顏色變化、黏著力損失、厚度損失等),並與未浸入在化學物質中的區域做比較。圖6顯示了雷射釋放材料A和B的化學暴露研究結果,表1顯示了對材料A進行的其他耐化學性研究。

20190716TA31P6 圖6 耐化學性研究(A)晶圓部分浸入化學池中的示意繪圖和(B)暴露於化學物質後塗有雷射釋放材料A和B的晶圓的照片。

20190716TA31P6-1 表1 使用雷射釋放材料A擴展耐化學性研究。

雷射脫離

雷射脫離是RDL優先製程的首選脫離方法,是導向完全建造設備晶圓釋放的關鍵製程。該過程中的任何偏移或缺陷都將導致昂貴的設備晶圓產量損失,雷射脫離製程的重點是不損壞設備晶圓,具有高生產量的脫離製程,並且殘留物最少。文獻指出,在以UV雷射為基礎的脫離中,消融主要是由於有機雷射釋放材料的光化學破壞而發生,而不是使用較長波長雷射源在消融中發生的光熱破壞。耗蝕性雷射釋放層吸收UV雷射光並化學解離以從設備晶圓中釋放載體。光化學消融製程對設備晶圓的熱影響較小,並且消融發生在載體和雷射釋放材料的介面處。Brewer Science開發的耗蝕性雷射釋放材料與市場上可用於晶圓和面板脫離的所有常見UV雷射脫離工具(308nm、343nm和355nm)相容,圖7顯示了使用355nm雷射波長的材料A和B的脫離結果。

20190716TA31P7 圖7 使用355nm雷射源脫離雷射釋放材料A和B。

後期脫離清潔

雷射脫離製程完成後,必須清除設備晶圓上的所有釋放層殘留物。材料A是熱塑性釋放層,它與溶劑清潔製程和等離子體清潔製程相容。材料B是熱固性釋放層,它與等離子體清潔製程相容,後期脫離清潔過程的重點方面是使用經濟有效且短的清潔程序完全去除殘留物。

使用平行板等離子蝕刻機來清潔材料A和B的雷射脫離殘留物。表2顯示了用於等離子體清潔的配方。兩種材料都易於使用氧等離子體作清潔。材料A也可以使用NMP或二氧戊環作為溶劑在旋轉或噴霧清潔工具中使用溶劑清潔進行清潔。

20190716TA31P7-1 表2 用於雷射釋放材料A和B的等離子體清潔的配方。

從上述對RDL優先扇出封裝的製程要求列表中,可以很容易地認為雷射釋放層是實現RDL優先製程的關鍵材料之一。文章中的範例展示了雷射釋放材料A和B的效能,但Brewer Science還開發了其他幾種配方和厚度變化,以滿足各別客戶和製作流程的需求。一個這樣的材料變化被用於在合作夥伴端展示完整流程RDL優先製程,並且這個完整流程製程的結果最近也已發表。使用玻璃載體在晶圓級上進行實驗,其中除了建造多層RDL,還跟著進行晶片附著、模製、脫離、清潔和晶粒的單個化。對最終設備的電效能進行測試,以確認在雷射脫離過程中模具或電路沒有發生損壞。

隨著我們超越摩爾定律的時代並進入「不只是摩爾」的時代,每個電子設備都整合了多種功能,用於感測、處理、資料傳輸、顯示等,多元異質模組整合和系統級封裝(SiP)技術在滿足一般使用者的需求方面發揮重要作用。行動電子產品、物聯網應用和其他連結的服務將繼續推動半導體產品的效能要求,先進的IC封裝製程將越來越成為滿足這些需求的必要條件。作為先進材料供應商和半導體供應鏈不可分割的一部分,Brewer Science深知材料的轉型創新是維持和支持下一代電子設備發展的關鍵。