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用于芯片封裝的混合鍵合技術(shù)
發(fā)布時間：2021-07-09
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1. 什么是混合鍵合技術(shù)
對于高級芯片封裝，該行業(yè)還致力于管芯對晶片和管芯對管芯的銅混合鍵合。這涉及將裸片堆疊在晶片上，將裸片堆疊在中介層上或?qū)⒙闫询B在裸片上。這比晶片間接合更困難。Uhrmann說：“對于管芯對晶圓的混合鍵合而言，處理不帶顆粒添加劑的管芯的基礎(chǔ)設(shè)施以及鍵合管芯的能力成為一項重大挑戰(zhàn)?！薄半m然可以從晶圓級復(fù)制和/或改寫芯片級的界面設(shè)計和預(yù)處理，但是在芯片處理方面仍存在許多挑戰(zhàn)。通常，后端處理（例如切塊，管芯處理和膠片框架上的管芯傳輸）必須適應(yīng)前端清潔級別，以允許在管芯級別上獲得較高的鍵合良率?！?/span>Uhrmann說。“當我查看工程工作并查看工具開發(fā)的方向（針對芯片到晶圓）時，這是一項非常復(fù)雜的集成任務(wù)。像臺積電這樣的人正在推動這個行業(yè)。因此，我們將看到它。在生產(chǎn)中，更安全的聲明可能會出現(xiàn)在2022年或2023年，可能會更早一些。
2. 混合鍵合技術(shù)的應(yīng)用
用于封裝的混合鍵合在其他方面有所不同。傳統(tǒng)上，IC封裝是在OSAT或封裝廠進行的。在銅混合鍵合中，該過程在晶圓廠（而不是OSAT）的潔凈室中進行。與處理微米級缺陷的傳統(tǒng)封裝不同，混合鍵合對微小的納米級缺陷很敏感，所以，需要一個晶圓廠級的潔凈室，以防止微小的缺陷破壞工藝。缺陷控制在這里至關(guān)重要?！半S著先進的封裝工藝越來越復(fù)雜，并且所涉及的功能越來越小，有效的工藝控制的需求也在不斷增長。鑒于這些工藝使用昂貴的已知優(yōu)制模具，失敗的成本很高?！盋yberOptics研發(fā)副總裁Tim Skunes說道。在組件之間，有用于形成垂直電氣連接的凸塊?？刂仆裹c高度和共面性對于確保堆疊組件之間的可靠連接至關(guān)重要?！?/span>
實際上，已知的良好模具（KGD）至關(guān)重要。KGD是符合指定規(guī)格的未封裝零件或裸模。沒有KGD，包裝可能會產(chǎn)生低產(chǎn)量或失敗。
KGD對于封裝廠很重要?！拔覀兪盏铰隳?，然后將它們放入包裝中，以交付具有功能的產(chǎn)品。人們要求我們提供很高的產(chǎn)量，”ASE的工程和技術(shù)營銷總監(jiān)曹立宏在蕞近的一次活動中說?！耙虼?，對于已知的優(yōu)制模具，我們希望以良好的功能對其進行權(quán)面測試。我們希望它是100％?！?/span>
盡管如此，管芯到晶圓的混合鍵合流程類似于晶圓到晶圓的工藝。蕞大的不同是使用高速倒裝芯片鍵合機將芯片切成小塊，然后堆疊在中介層或其他管芯上。
3. 混合鍵合過程
那瑾瑾是過程的開始。Xperi的新管芯對晶片的銅混合鍵合工藝就是在這里開始的。其他人則使用相似或略有不同的流程。Xperi芯片到晶圓工藝的第一步是使用化學機械拋光（CMP）拋光晶圓表面。CMP在系統(tǒng)中進行，該系統(tǒng)使用化學和機械力拋光表面。在此過程中，銅墊略微凹陷在晶片表面上。目標是獲得一個淺而均勻的凹槽，以實現(xiàn)良好的良率。CMP是一個困難的過程。如果表面過度拋光，則銅焊盤凹槽會變得太大。在接合過程中某些焊盤可能無法接合。如果拋光不足，銅殘留物可能會造成電氣短路。
4. 創(chuàng)新
FormFactor高級副總裁Amy Leong表示：“傳統(tǒng)上認為直接在銅墊或銅凸塊上進行探測是不可能的?！爸饕P(guān)注的問題是如何在探針間端和凸塊之間保持穩(wěn)定的電接觸?！睘榇?，F(xiàn)ormFactor開發(fā)了一種基于MEMS的探針設(shè)計，稱為Skate。結(jié)合較低的接觸力，間端會輕柔地穿過氧化層，從而與凸塊形成電接觸。EVG的晶圓鍵合機是適用于封裝行業(yè)中的這種芯片封裝混合鍵合技術(shù)應(yīng)用的。
對于高級芯片封裝，該行業(yè)還致力于管芯對晶片和管芯對管芯的銅混合鍵合。這涉及將裸片堆疊在晶片上，將裸片堆疊在中介層上或?qū)⒙闫询B在裸片上。這比晶片間接合更困難。Uhrmann說：“對于管芯對晶圓的混合鍵合而言，處理不帶顆粒添加劑的管芯的基礎(chǔ)設(shè)施以及鍵合管芯的能力成為一項重大挑戰(zhàn)?！薄半m然可以從晶圓級復(fù)制和/或改寫芯片級的界面設(shè)計和預(yù)處理，但是在芯片處理方面仍存在許多挑戰(zhàn)。通常，后端處理（例如切塊，管芯處理和膠片框架上的管芯傳輸）必須適應(yīng)前端清潔級別，以允許在管芯級別上獲得較高的鍵合良率?！?/span>Uhrmann說。“當我查看工程工作并查看工具開發(fā)的方向（針對芯片到晶圓）時，這是一項非常復(fù)雜的集成任務(wù)。像臺積電這樣的人正在推動這個行業(yè)。因此，我們將看到它。在生產(chǎn)中，更安全的聲明可能會出現(xiàn)在2022年或2023年，可能會更早一些。
2. 混合鍵合技術(shù)的應(yīng)用
用于封裝的混合鍵合在其他方面有所不同。傳統(tǒng)上，IC封裝是在OSAT或封裝廠進行的。在銅混合鍵合中，該過程在晶圓廠（而不是OSAT）的潔凈室中進行。與處理微米級缺陷的傳統(tǒng)封裝不同，混合鍵合對微小的納米級缺陷很敏感，所以，需要一個晶圓廠級的潔凈室，以防止微小的缺陷破壞工藝。缺陷控制在這里至關(guān)重要?！半S著先進的封裝工藝越來越復(fù)雜，并且所涉及的功能越來越小，有效的工藝控制的需求也在不斷增長。鑒于這些工藝使用昂貴的已知優(yōu)制模具，失敗的成本很高?！盋yberOptics研發(fā)副總裁Tim Skunes說道。在組件之間，有用于形成垂直電氣連接的凸塊?？刂仆裹c高度和共面性對于確保堆疊組件之間的可靠連接至關(guān)重要?！?/span>
實際上，已知的良好模具（KGD）至關(guān)重要。KGD是符合指定規(guī)格的未封裝零件或裸模。沒有KGD，包裝可能會產(chǎn)生低產(chǎn)量或失敗。
KGD對于封裝廠很重要?！拔覀兪盏铰隳?，然后將它們放入包裝中，以交付具有功能的產(chǎn)品。人們要求我們提供很高的產(chǎn)量，”ASE的工程和技術(shù)營銷總監(jiān)曹立宏在蕞近的一次活動中說?！耙虼?，對于已知的優(yōu)制模具，我們希望以良好的功能對其進行權(quán)面測試。我們希望它是100％?！?/span>
盡管如此，管芯到晶圓的混合鍵合流程類似于晶圓到晶圓的工藝。蕞大的不同是使用高速倒裝芯片鍵合機將芯片切成小塊，然后堆疊在中介層或其他管芯上。
3. 混合鍵合過程
圖1 Xperi的晶片間混合鍵合流程
整個過程始于fab，在那里使用各種設(shè)備在晶片上處理芯片。晶圓廠的該部分稱為生產(chǎn)線前端（FEOL）。在混合鍵合中，在流動過程中要處理兩個或多個晶片。然后，將晶圓運送到晶圓廠的另一部分，稱為生產(chǎn)線后端（BEOL）。使用不同的設(shè)備，晶圓在BEOL中經(jīng)歷了單一的鑲嵌工藝。單一大馬士革工藝是一項成熟的技術(shù)?；旧?，氧化物材料沉積在晶片上。在氧化物材料中對微小的通孔進行構(gòu)圖和蝕刻。使用沉積工藝在通孔中填充銅。這繼而在晶片表面上形成銅互連或焊盤。銅焊盤相對較大，以微米為單位。此過程有點類似于當今工廠中先進的芯片生產(chǎn)。但是，對于高級芯片而言，蕞大的區(qū)別在于銅互連是在納米級上測量的。那瑾瑾是過程的開始。Xperi的新管芯對晶片的銅混合鍵合工藝就是在這里開始的。其他人則使用相似或略有不同的流程。Xperi芯片到晶圓工藝的第一步是使用化學機械拋光（CMP）拋光晶圓表面。CMP在系統(tǒng)中進行，該系統(tǒng)使用化學和機械力拋光表面。在此過程中，銅墊略微凹陷在晶片表面上。目標是獲得一個淺而均勻的凹槽，以實現(xiàn)良好的良率。CMP是一個困難的過程。如果表面過度拋光，則銅焊盤凹槽會變得太大。在接合過程中某些焊盤可能無法接合。如果拋光不足，銅殘留物可能會造成電氣短路。
4. 創(chuàng)新
有一個這樣的解決方案。Xperi已開發(fā)出200mm和300mm CMP功能。Xperi工程副總裁Laura Mirkarimi表示：“在過去的十年中，CMP技術(shù)在設(shè)備設(shè)計，漿料選項和過程監(jiān)控器方面進行了創(chuàng)新，取得了顯著進步，從而實現(xiàn)了可重復(fù)且穩(wěn)定的過程，并具有精確的控制?！比缓?，晶圓經(jīng)過一個度量步驟，該步驟可測量并表征表面形貌。原子力顯微鏡（AFM）和其他工具用于表征表面。AFM使用微小的探針進行結(jié)構(gòu)測量。另外，還使用晶片檢查系統(tǒng)。這是該過程的關(guān)鍵部分。
圖2 EVG晶圓鍵合機
KLA的Hiebert說：“對于混合鍵合，鑲嵌焊盤形成后的晶片表面輪廓必須以亞納米精度進行測量，以確保銅焊盤滿足苛刻的凹凸要求?！便~混合鍵合的主要工藝挑戰(zhàn)包括：控制表面缺陷以防止形成空隙；控制納米級表面輪廓以支持牢固的混合鍵合焊盤接觸；以及控制頂部和底部芯片上的銅焊盤的對準。隨著混合鍵距變小，例如，晶圓對晶圓流小于2μm或管芯對晶圓流小于10μm，這些表面缺陷，表面輪廓和鍵合焊盤對準挑戰(zhàn)變得更加重要?！边@可能還不夠。在此流程的某個時刻，有些人可能會考慮進行探測。FormFactor高級副總裁Amy Leong表示：“傳統(tǒng)上認為直接在銅墊或銅凸塊上進行探測是不可能的?！爸饕P(guān)注的問題是如何在探針間端和凸塊之間保持穩(wěn)定的電接觸?！睘榇?，F(xiàn)ormFactor開發(fā)了一種基于MEMS的探針設(shè)計，稱為Skate。結(jié)合較低的接觸力，間端會輕柔地穿過氧化層，從而與凸塊形成電接觸。EVG的晶圓鍵合機是適用于封裝行業(yè)中的這種芯片封裝混合鍵合技術(shù)應(yīng)用的。
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