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晶圆键合的新趋势| New Trends In Wafer Bonding
信息来源:2020-05-26


玻璃,铝和其他选项以及3D集成中的问题。

Katherine Derbyshire

 

由于光刻延迟和功率限制的组合,无法水平缩放,制造商正在垂直堆叠设备。

 随着移动设备的激增推动了对更小电路足迹的需求,这一点变得至关重要,但这种转变并不总是直截了当的。 三维集成方案有多种形式,取决于所需的互连密度。 图像传感器和高密度存储器可以将一个芯片直接堆叠在另一个芯片上,通过硅孔连接,而系统封装设计可以将几个传感器及其控制逻辑放置在一个重新分布层上。

对于设计师来说,关键的问题不是如何在物理上包含单个骰子,而是如何整合一个复杂的系统,据EV集团业务发展主管ThomasUhrmann介绍.. 然而,所有形式的3D集成-从相对低密度的扇出晶片级封装到高密度芯片堆栈-都有一些具有挑战性的组装问题。

 首先,为了确保一致的机械和电气连接,并方便任何进一步的光刻步骤,每个晶片和每个再分布层或复杂堆栈中的其他元素都应该平面化。 这可以通过抛光来实现,通过在现有地形上沉积介质或粘合剂,或者两者兼而有之。

第二,硅、金属互连线和粘合剂等辅助材料可以具有非常不同的热膨胀系数。 装配过程必须控制应力和翘曲,以确保最终包装中的可靠连接。 例如,封装设计可以包含可容纳过程诱导应力的柔顺材料。 或者,它可以通过限制高温加工来减少应力。 例如,一种可以在室温下应用和固化的粘合剂对系统的压力比需要高温的粘合剂要小。


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最后,组装包括精确处理和对准单个骰子、由单个骰子重组的晶片和暴露在硅孔中的薄晶圆。 加工步骤可能涉及晶片的前侧和后侧。 例如,在完成的包中,模具可能停留在顶部,并通过TSV连接到再分配层,而活动层则面对面或面对面地连接到另一个模具。

 确切的工艺顺序是不同的,但晶片通常必须与一个或多个临时载体基板结合和脱粘。 在去年的IEEE电子元器件和技术会议上,布鲁尔科学公司WLP材料部门的主要应用工程师Shelly Fowler指出,晶片翻转是常见的。 前附载流子允许细化和其他背面处理,然后将晶片转移到后附载流子进行进一步的前侧处理。

运输晶片,正面向上和背面向上,因此,廉价和可重复使用的晶片载体,以及坚固的,可移动的粘合层是先进装配工艺的基本要素。 第一种三维集成方案使用的是机械和化学坚固的钢载流子,能够容忍退火、焊料回流和其他热过程。

最近,玻璃已成为首选材料。 它便于从载波侧对齐,并允许使用激光脱粘方法(下面讨论)。 然而,Uhrmann指出,依赖于光或阴影的晶片检测和对准系统可能需要重新加工以适应玻璃载体。 一个完整的流程线可能需要大量的更改。

 无论选择哪种载体,粘接剂通常是自旋涂覆的,然后固化.. 晶片的正面可能需要一个相对较厚的层来平面化现有的地形和保护电路元件。 在背面,福勒说,平面化是不太必要的,更薄的层可能不太容易鞠躬。 胶粘剂的具体选择取决于所采用的脱粘方法。 有四种可能性-化学、热、机械和激光脱粘。



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 在化学脱粘中,适当的溶剂溶解粘合剂,使晶片远离载体漂浮。 这种方法对于大晶片来说是缓慢的,因为溶剂只能从晶片的边缘到达粘合剂。  郑川安在台湾国立交通大学攻读硕士学位(他目前是Garmin公司的机械工程师)时发现,虽然脱粘可以在低温下进行,但要找到一种能耐受必要工艺溶剂的粘合剂是很困难的。

或者,热脱粘加热粘合剂,直到它软化足够的晶片滑动。 该方法快速、简单、廉价,但仅适用于温度要求适中的包装方案。 适用于载体/晶片组合的任何工艺都不能超过粘合剂的软化温度.. 通常,这排除了焊料回流和热驱动的永久键合步骤.. 另一方面,与热黏剂兼容的低温工艺不太可能弯曲或翘曲基板。

 电动汽车集团的乌尔曼说,机械剥离也提供了一个相对狭窄的过程窗口。 粘合剂必须足够强,以生存随后的工艺步骤,没有滑动或分层,但足够弱,以允许容易分离与载体时,需要。 这种方法最常用于高度标准化的产品,如堆叠记忆。 它通常不适合广泛混合封装组件的应用。

 最后,激光脱粘是一种成本效益高、用途广泛的解决方案。 光通过透明载体照射,分解粘结材料,导致粘结失效。 激光脱粘在一定程度上是有吸引力的,因为它的数字特性。 粘合剂是永久的,直到激光完全分解它。

 当可以使用这些选项中的多个选项时,成本通常是决定因素。 脱粘过程的成本取决于其吞吐量和驱动该过程所需的能量-无论是由热、光或机械工具提供的能量-。 例如,机械脱粘可能需要比热脱粘更少的能量,但比激光脱粘慢。 去除粘着残留物所需的任何额外步骤也将导致总成本。

粘合剂呢? 化学和热脱粘通常使用单层粘合剂,这也是一个合规层,平面化的键合表面的晶片和容纳任何热膨胀之间的晶片和载体。 这种材料必须能够容忍晶片将看到的任何工艺步骤。 分层,无论是由于应力或化学分解,都会引起晶片的局部变形、失调等问题。 脱粘后,粘合剂应清洁可拆卸,而不会在晶片或载体上留下残留物。

 机械和激光脱粘,相反,经常使用双层临时粘合剂。 第一层,应用于晶片,是一种平面化粘合剂。 它是热稳定的,并保护设备的特点,在处理。 第二层,与载体接触,为释放层.. 在激光脱粘过程中,激光在不影响胶粘剂的情况下分解释放层,通过常规的脱粘方法可以去除。 布鲁尔的区域客户经理ChiaHsinLee和他的同事发现,玻璃载体上的一层薄钛/铜层通过光反射回释放层来促进脱粘。 程观察到“雪花”粘接缺陷时,胶粘剂固化温度过高。 如果粘合层内的一个口袋分解,产生能将释放层推开的气体,这些缺陷就会出现。 如果粘合剂直接接触载体,脱粘激光将无法释放该区域。

 在机械脱粘中,脱粘工具在粘合剂和释放层之间启动分裂-“就像两块尼龙搭扣之间”,正如Uhrmann所描述的那样。 脱粘前沿沿两种材料之间明确定义的界面传播。 不过,有可能将机械脱粘方法应用于单层粘合剂,正如富士胶片的运营经理SeiyaMasuda和他的同事在去年的IEEE电子包装技术会议上所演示的那样。

 不断裂的键。当将晶片连接到载体上以进行处理时,取决于可移动的粘合剂,封装组件之间的键必须是永久的,提供可靠的电气、热和机械连接。 根据封装方案的不同,永久键合可能涉及完整的晶片或单个骰子,连接到其他晶片或再分布层或内插层。  晶圆到晶圆键合最好是芯片到芯片或芯片到晶圆键合,因为它提供了高吞吐量,并简化了结构层之间的对齐。

一般来说,键合表面需要平面和清洁。 地形会导致空洞或错位,而粘着残留物和金属氧化物会降低电导率。 在今年的IEEE电子元件和技术会议上,IHP微电子公司的研究人员演示了铝铝热压缩键合。 铝金属化因其与CMOS工艺的兼容性而具有吸引力,但表面粗糙度和快速氧化是重要的障碍。 该IHP组采用真空键合工艺,刻蚀粘结垫,产生干净的表面。 他们在300°C下获得了60kN的压力的强键,远远低于CMOS兼容性的500°C限制。

 基于铜金属化的晶圆键合工艺可以采用BEOL镶嵌铜法形成键合垫。 介质必须抵抗扩散,例如BCB树脂,或者需要一个单独的扩散屏障,通常是SiC。 虽然CMP是一个成熟和成熟的BEOL金属化工艺,晶片到晶圆键合可以表现出戏剧性的地形变化与抄写通道和大铜键垫。 此外,被键合的晶片可能来自完全不同的FABS,具有不同的工艺和规格。 包组装过程必须能够解释这些变化。 Uhrmann描述了与Imec合作开发的混合键合过程。 这取决于范德华力将两个晶片拉在一起,这是由界面上的一层薄薄的水分促进的。 加热组合堆栈膨胀铜,完成键。 由于铜在介质不膨胀的情况下膨胀,因此不需要完全平坦化。

键合和金属化虽然本文研究的是永久晶片键合的隔离,但它与封装内金属化密切相关。 焊料凸起、铜柱和再分布层,以及其他选项,都带来了独特的键合问题。


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