不同材料在晶圓級(jí)封裝中的作用

發(fā)布人：旺材芯片時(shí)間：2024-01-26 來(lái)源：工程師

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光刻膠（Photoresists, PR）：由感光劑、樹(shù)脂和溶劑構(gòu)成，用于形成電路圖案和阻擋層光刻膠是由可溶性聚合物和光敏材料組成的化合物，當(dāng)其暴露在光線下時(shí)，會(huì)在溶劑中發(fā)生降解或融合等化學(xué)反應(yīng)。在運(yùn)用于晶圓級(jí)封裝的光刻（Photolithography）工藝過(guò)程中時(shí)，光刻膠可用于創(chuàng)建電路圖案，還可在后續(xù)電鍍（Electroplating）1過(guò)程中通過(guò)電鍍金屬絲以形成阻擋層。光刻膠的成分如圖1所示。1電鍍（Electroplating）：一項(xiàng)晶圓級(jí)封裝工藝，通過(guò)在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電子，并將電子導(dǎo)入到作為陰極的電解質(zhì)溶液中，使該溶液中的金屬離子在晶圓表面被還原成金屬。

▲ 圖1：光刻膠的成分和作用（? HANOL出版社）根據(jù)光照的反應(yīng)原理，光刻膠可分為正性光刻膠（Positive PR）和負(fù)性光刻膠（Negative PR）。對(duì)于正性光刻膠，曝光區(qū)域會(huì)發(fā)生降解反應(yīng)，導(dǎo)致鍵合減弱；而未曝光區(qū)域則會(huì)發(fā)生交聯(lián)（Cross-linking）2反應(yīng)，使鍵合增強(qiáng)。因此，被曝光部分在顯影過(guò)程中會(huì)被去除。然而對(duì)于負(fù)性光刻膠，曝光部分會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)并硬化，從而被完整保留下來(lái)；未曝光部分則被去除。負(fù)性光刻膠的粘度通常高于正性光刻膠，旋涂過(guò)程中的涂覆厚度更厚，因而通常被用于形成較高的焊接凸點(diǎn)（Solder Bump）。而正性光刻膠則至少需要涂覆兩次。光刻過(guò)程中所使用的光源可根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行分類(lèi)，波長(zhǎng)以納米（nm）為單位。對(duì)于細(xì)微化（Scaling）的半導(dǎo)體而言，在光刻過(guò)程中通常采用波長(zhǎng)較短的光源，以增強(qiáng)光刻效果，從而形成更精細(xì)的電路圖案。因此，光敏化合物（PAC）用于制作曝光波長(zhǎng)較長(zhǎng)的g線（g-line）3光刻膠和i線（i-line）?光刻膠。而化學(xué)放大型抗蝕劑（CAR）?則用于制作曝光波長(zhǎng)較短的光刻膠。晶圓級(jí)封裝通常使用i線步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper）?。2交聯(lián)（Cross-link）：通過(guò)化學(xué)鍵將聚合物鏈連接在一起的化學(xué)反應(yīng)。
3g線（g-line）：在汞光譜中，一條對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為436納米的譜線。
?i線（i-line）：在汞光譜中，一條對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為356納米的譜線。
?化學(xué)放大型抗蝕劑（CAR）：一種用于提高光刻膠材料光敏性的抗蝕劑。
?步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper）：用于曝光晶圓的設(shè)備。不同類(lèi)型的設(shè)備用于不同精度晶圓的曝光，具體取決于對(duì)應(yīng)的光源類(lèi)型。

電鍍液：由金屬離子、酸和添加劑組成，用于可控電鍍工藝電鍍液（Plating Solution）是一種在電鍍過(guò)程中使用的溶液，由金屬離子、酸和添加劑組成。其中，金屬離子是電鍍過(guò)程中的待鍍物質(zhì)；酸作為溶劑，用于溶解溶液中的金屬離子；多種添加劑用于增強(qiáng)電鍍液和鍍層的性能?？捎糜陔婂兊慕饘俨牧习ㄦ?、金、銅、錫和錫銀合金，這些金屬以離子的形式存在于電鍍液中。常見(jiàn)的酸性溶劑包括硫酸（Sulfuric Acid）和甲磺酸（Methanesulfonic Acid）。添加劑包括整平劑（Leveler）和細(xì)化劑（Grain Refiner），其中，整平劑用于防止材料堆積，提高電鍍層平整性；而晶粒細(xì)化劑則可以防止電鍍晶粒的橫向生長(zhǎng)，使晶粒變得更加細(xì)小。

▲ 圖2：電鍍液中添加劑的作用（? HANOL出版社）

光刻膠剝離液（PR Stripper）：使用溶劑完全去除光刻膠電鍍工藝完成后，需使用光刻膠剝離液去除光刻膠，同時(shí)注意避免對(duì)晶圓造成化學(xué)性損傷或產(chǎn)生殘留物。圖3展示了光刻膠去膠工藝的過(guò)程。首先，當(dāng)光刻膠剝離液與光刻膠表面接觸時(shí)，兩者會(huì)發(fā)生反應(yīng)，使光刻膠膨脹；接下來(lái)，堿性剝離液開(kāi)始分解并溶解膨脹的光刻膠。

▲ 圖3：光刻膠剝離液的去膠工序（? HANOL出版社）

刻蝕劑：使用酸、過(guò)氧化氫等材料精確溶解金屬

晶圓級(jí)封裝需要通過(guò)濺射（Sputtering）?工藝形成籽晶層（Seed Layer），即通過(guò)濺射或蒸餾的方式形成的一層用于電鍍的薄金屬。電鍍和光刻膠去膠工序完成后，需使用酸性刻蝕劑來(lái)溶解籽晶層。?濺射（Sputtering）：一種用高能離子轟擊金屬靶材，使噴射出來(lái)的金屬離子沉積到晶圓表面的物理氣相沉積工藝。

圖4展示了刻蝕劑的主要成分和作用。根據(jù)不同的待溶解金屬，可選用不同刻蝕劑，如銅刻蝕劑、鈦刻蝕劑、銀刻蝕劑等。此類(lèi)刻蝕劑應(yīng)具有刻蝕選擇性——在有選擇性地溶解特定金屬時(shí)，不會(huì)溶解或僅少量溶解其它金屬；刻蝕劑還應(yīng)具備較高的刻蝕速率，以提高制程效率；同時(shí)還應(yīng)具備制程的均勻性，使其能夠均勻地溶解晶圓上不同位置的金屬。

▲ 圖4：刻蝕劑的主要成分和作用（? HANOL出版社）

濺射靶材：將金屬沉積于基板上

濺射靶材是一種在物理氣相沉積（PVD）?過(guò)程中，采用濺射工藝在晶圓表面沉積金屬薄膜時(shí)使用的材料。圖5展示了靶材的制造工序。首先，使用與待濺射金屬層成分相同的原材料制成柱體；然后經(jīng)過(guò)鍛造、壓制、和熱處理最終形成靶材。

?物理氣相沉積（PVD）：一種采用物理方法將材料分離并沉積在特定表面的薄膜沉積工藝。▲ 圖5：濺射靶材的制作工序（? HANOL出版社）

底部填充：使用環(huán)氧樹(shù)脂模塑料（EMC）、膠和薄膜填充孔洞，實(shí)現(xiàn)接縫保護(hù)與倒片鍵合（Flip Chip Bonding）相同，通過(guò)填充基板與芯片間的空隙、或以凸點(diǎn)鏈接的芯片與芯片之間的空隙，底部填充增強(qiáng)了接合處的可靠性。用于填充凸點(diǎn)之間空間的底部填充工藝分為后填充（Post-Filling）和預(yù)填充（Pre-applied Underfill）兩種。后填充是指完成倒片鍵合之后填充凸點(diǎn)之間的空間，而預(yù)填充則是指在完成倒片鍵合之前進(jìn)行填充。此外，后填充可進(jìn)一步細(xì)分為毛細(xì)管?底部填充（Capillary Underfill, CUF）和模塑底部填充（Molded Underfill, MUF）。完成倒片鍵合之后，采用毛細(xì)管底部填充工藝，利用毛細(xì)管在芯片側(cè)面注入底部填充材料來(lái)填充凸點(diǎn)間隙，此種工藝增加了芯片和基板之間的間隙內(nèi)表面張力。而模塑底部填充則是在模塑過(guò)程中使用環(huán)氧樹(shù)脂模塑料（EMC）作為底部填充材料，從而簡(jiǎn)化工序。?毛細(xì)管（Capillary）：一種用于將液體封裝材料輸送到半導(dǎo)體封裝體的極細(xì)管材。

在預(yù)填充過(guò)程中，芯片級(jí)封裝和晶圓級(jí)封裝采用的填充方法也有所不同。對(duì)于芯片級(jí)封裝，會(huì)根據(jù)接合處的填充物，如非導(dǎo)電膠（NCP）或非導(dǎo)電膜（NCF），根據(jù)不同的填充物，其采用的工藝和材料也不盡不同；而對(duì)于晶圓級(jí)封裝，非導(dǎo)電膜則被作為底部填充的主材。圖6說(shuō)明了不同類(lèi)型的底部填充材料和相關(guān)工序。

▲ 圖6：不同類(lèi)型的底部填充工藝（? HANOL出版社）

在倒片封裝和硅通孔（TSV）型芯片堆疊工藝中，底部填充材料是保證接合處可靠性的關(guān)鍵組成部分。因此，相關(guān)材料需滿足腔體填充、界面粘附、熱膨脹系數(shù)（CTE）1?、熱導(dǎo)性和熱阻性等等方面的特定要求。1?熱膨脹系數(shù)（CTE）：一種材料屬性，用于表示材料在受熱情況下的膨脹程度。

晶圓承載系統(tǒng)：使用載片、臨時(shí)鍵合膠（TBA）、承載薄膜（Mounting tape）實(shí)現(xiàn)封裝組裝

晶圓承載系統(tǒng)工藝需充分支持薄晶圓載片和臨時(shí)鍵合膠等相關(guān)工序。載片脫粘后，需使用承載薄膜將正面和背面已形成凸點(diǎn)的薄晶圓固定在環(huán)形框架上。在晶圓承載系統(tǒng)所使用的材料中，臨時(shí)鍵合膠尤為重要。在鍵合晶圓與載片形成硅通孔封裝時(shí)，臨時(shí)鍵合膠必須在晶圓背面加工過(guò)程中保持較強(qiáng)的黏附力，以防止晶圓上的凸點(diǎn)等受損。此外，需確保不會(huì)出現(xiàn)排氣（Outgassing）11 、空隙（Voids）12、分層（Delamination）13和溢出——鍵合過(guò)程中粘合劑從晶圓側(cè)面滲出等現(xiàn)象。最后，載體還必須具備熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性，在保證載片易于去除的同時(shí)，確保不會(huì)留下任何殘留物。

11排氣（Outgassing）：氣體從液體或固體物質(zhì)中釋放出來(lái)。如果這種氣體凝結(jié)在半導(dǎo)體器件表面，并對(duì)器件性能產(chǎn)生影響，則會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件存在缺陷。

12空隙（Voids）：因氣泡的存在，在材料內(nèi)部形成的空隙，有可能在高溫工藝或脫粘過(guò)程中會(huì)膨脹，增加使器件發(fā)生損壞或故障的風(fēng)險(xiǎn)。

13分層（Delamination）：半導(dǎo)體封裝中兩個(gè)相連的表面互相分離的現(xiàn)象。盡管首選材料為硅載片，但玻璃載片的使用頻率也很高。尤其是在脫粘過(guò)程中使用激光等光源的工藝時(shí)，必需使用玻璃載片。

通過(guò)這些關(guān)于傳統(tǒng)封裝和晶圓級(jí)封裝所需材料的文章介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，材料的類(lèi)型和質(zhì)量需不斷與時(shí)俱進(jìn)，以滿足半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求。

來(lái)源：未來(lái)半導(dǎo)體

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