解決高級半導(dǎo)體封裝應(yīng)用難題的臨時接合技術(shù)發(fā)展

Ramachandran K.Trichur，Tony D.Flaim

(Brewer Science，Inc.USA，Rolla，Missouri)

10年前，沒有人能預(yù)言如今無處不在的智能手機(jī)和個人設(shè)備（例如可穿戴設(shè)備）對日常生活產(chǎn)生的影響。硬件、軟件與用戶體驗在過去10年中的多項變革性發(fā)展共同引導(dǎo)我們走到今天。例如，重新定義的手機(jī)硬件和徹底改造的接口將手機(jī)從純粹的語音通訊工具變?yōu)閺?qiáng)大的多功能設(shè)備，手機(jī)具有通用的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用接口，同時能作為門戶來使用社交媒體、視頻流以及種類不斷增加的生產(chǎn)應(yīng)用。這些應(yīng)用連同移動電子產(chǎn)品與電子消費品中仍在不斷涌現(xiàn)的應(yīng)用，正推動半導(dǎo)體行業(yè)專注于提高集成能力與規(guī)模，以滿足日益增加的性能和功能需求，以及對降低成本、尺寸和功耗的要求。

薄晶圓處理(TWH)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展和多樣性也與此大致相同，該技術(shù)將設(shè)備基材臨時接合到支撐載體上。TWH技術(shù)在大約16年前引入，目的是為了解決對脆弱的III-V和化合物半導(dǎo)體基材進(jìn)行薄化和處理時出現(xiàn)的問題。此后，該技術(shù)廣泛用于高級半導(dǎo)體封裝的應(yīng)用中，例如用于制造具有TSV、3D-IC和扇出型晶圓級封裝(FOWLP)的2.5-D中介層。臨時接合技術(shù)已得到成功運用，可以在這些高級封裝形式的制造過程中，對常見的所有背面加工中的薄基材進(jìn)行處理。在解決每項應(yīng)用中獨特難題的過程中，引入了多代的粘合劑接合材料和新的接合與分離（剝離）技術(shù)。本文將回顧TWH技術(shù)的發(fā)展，并對加工的要求和復(fù)雜性（可對選擇的接合材料與剝離方法進(jìn)行界定）進(jìn)行說明。

1 臨時接合技術(shù)

臨時接合技術(shù)使用聚合物接合材料或粘合劑，將設(shè)備基材臨時固定在堅硬載體上，從而以機(jī)械方式固定設(shè)備基材。在許多情況下，聚合物粘合劑會與載體上涂敷的另一種聚合物層搭配使用（粘合劑粘附在該層上）。該聚合物層有助于在背面加工完成后分離接合的結(jié)構(gòu)。在薄化和隨后的背面加工期間，接合材料與載體基材會以機(jī)械方式支撐設(shè)備晶圓。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離（或剝離）的主要方法包括在粘合劑和聚合物層之間采用熱滑動、輕力剝離（機(jī)械剝離），以及對聚合物層進(jìn)行激光燒蝕（激光剝離）以釋放載體。這些工藝如圖1所示。

圖1 臨時接合載體與設(shè)備晶圓示意圖

最初，將晶圓厚度研磨到＜100 μm后，蠟是臨時接合所用的主要粘合材料。但是蠟的流變性質(zhì)很差，熱穩(wěn)定性有限，很難應(yīng)用，這迫使高級的半導(dǎo)體封裝需尋求更好的接合材料解決方案。因此，人們開發(fā)了多代的聚合物粘合劑，它們具有更高的加工熱機(jī)械穩(wěn)定性，并在加工結(jié)束后更易于剝離。通過這些材料，可以處理超薄的基材(＜50 μm)，以及非常容易彎曲和變形的基材（例如高級FOWLP流程工藝中所用的重組晶圓和面板）。表1展示了薄晶圓處理技術(shù)的重要趨勢，以及對該技術(shù)用于大批量制造的預(yù)期。

2 使用熱塑性粘合劑進(jìn)行熱壓接合

熱塑性粘合劑材料具有進(jìn)行臨時晶圓接合的多種優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：(1)能通過選擇組合參數(shù)來微調(diào)軟化溫度、黏性、附著性與模數(shù)，進(jìn)而控制接合溫度和接合材料向結(jié)構(gòu)施加的應(yīng)力等級；(2)能在加工結(jié)束并分離結(jié)構(gòu)后，通過溶劑溶解來消除設(shè)備晶圓中的熱塑性材料。這些功能與所有主要剝離方法（包括化學(xué)溶解、機(jī)械剝離、熱滑動以及激光輔助剝離）兼容。同時，熱塑性接合材料的性質(zhì)與液態(tài)可固化型粘合劑形成鮮明對比，后者在接合加工時會變?yōu)榻宦?lián)狀態(tài)，因此在分離后無法溶解。必須改為將其整層從基材上剝離，這樣很容易破壞金屬設(shè)備特性，并將復(fù)雜的殘留物留在設(shè)備晶圓表面。

表1 薄晶圓處理技術(shù)的重要趨勢以及對用于大批量制造的預(yù)期

3 熔體流變能力

熱塑性聚合物適合作為臨時粘合劑材料的重要性質(zhì)之一，是在加熱時會發(fā)生可逆的軟化。這項性質(zhì)可以用其熔體流變能力來描述，該能力是指聚合物材料的動態(tài)黏度和溫度之間的關(guān)系。絕對黏度表述的是流體內(nèi)部的流動阻力，而動態(tài)黏度表述的是在流體相對其他水平面保持單位距離的條件下，以單位速度移動水平面時，每單位面積所需的切向力。動態(tài)黏度可以表明在對臨時接合的晶圓堆疊進(jìn)行背面加工的過程中，熱塑性接合材料在剪切力和應(yīng)力的作用下將表現(xiàn)出哪些性質(zhì)。確定粘合劑的熔體流變能力對于優(yōu)化接合條件、估計最高的使用中工作溫度，以及預(yù)測接合層在研磨和沉淀加工中出現(xiàn)的壓縮性和拉伸性應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性都很有用。圖2展示出3種不同熱塑性粘合平臺的熔體流變能力曲線，并展示出每個平臺的黏度隨溫度的變化。

圖2 三種熱塑性粘合平臺的熔體黏度曲線，展示出復(fù)合黏度隨溫度的變化

圖2中，每個平臺熔體流變能力曲線的形狀體現(xiàn)了該平臺的熱塑性質(zhì)。（請注意，圖中繪制的復(fù)合黏度采用對數(shù)刻度。）在某個特定溫度（稱為軟化點），熔體黏度會快速下降，隨后隨溫度的升高而或多或少地線性降低。材料B和C是高分子量的單組分熱塑性體系，具有明顯的軟化點，對應(yīng)于從玻璃態(tài)到堅硬橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化。與之相對，材料A是低分子量樹脂和極高分子量聚合物的組合物，與高分子量單組分聚合物的組合物相比，其軟化速度快得多，而且黏度會下降很多。

熱塑性粘合劑配方中的多種元素會影響最終產(chǎn)品的熔體流變能力，從而影響最大可用下游加工溫度。雖然分子量（可以將其視為大約是聚合物鏈的平均長度）會主導(dǎo)高于軟化溫度時的流體性質(zhì)，但是其他因素也會影響熔體流變能力，包括向純聚合物中添加填充劑、支化、聚合物鏈的偶極相互作用和晶態(tài)相互作用、分子量分布，以及在粘合劑中混合同種或異種聚合物。可以調(diào)整這些因素，以產(chǎn)生最適合特定設(shè)備制造工藝的接合材料配方。

4 Brewer Science臨時接合材料的發(fā)展

我們已經(jīng)開發(fā)出多代臨時接合材料，以解決不同高級封裝應(yīng)用中的薄晶圓處理難題。在不斷升高的工作溫度下接合層具有穩(wěn)定性，以及在高應(yīng)力點處能保持所接合晶圓堆疊的附著性，這兩點需求已成為提高產(chǎn)品性能的主要推動力。表2列出了我們的產(chǎn)品組合中每代接合材料的重要性質(zhì)。

表2 Brewer Science各代臨時接合材料及其重要性質(zhì)

5 適用于中度應(yīng)力應(yīng)用的GEN 1與GEN 2高溫(HT)接合材料

我們的前兩代熱塑性接合材料經(jīng)過精心設(shè)計，與之前的工藝體系（例如熱熔蠟和對壓力很敏感的粘合劑）相比具有更高的熱穩(wěn)定性和耐溶劑性。這兩代材料主要用于在2.5-D和3-D集成方案中進(jìn)行晶圓薄化和TSV顯露。這些接合材料是聚合物混合體系，其兩種成分共同控制最終接合材料配方的流動與熔化溫度。它們具有很低的軟化點（60～80℃），因此可以在140～190℃的范圍內(nèi)進(jìn)行接合，此外背面加工可以在200℃時保持穩(wěn)定性。圖3展示了GEN 1和GEN 2接合材料的熱重分析(TGA)結(jié)果，兩者在200℃時的質(zhì)量損失都＜2%。圖4是接合的晶圓堆疊在研磨和施加熱應(yīng)力后的貫通接合CSAM影像。接合層沒有任何缺陷，這表示BrewerBOND?220材料在這些條件下具有出色的穩(wěn)定性。

圖3 GEN1和GEN 2接合材料的TGA

GEN 1和GEN 2接合材料中所用的成分為非極性的類碳?xì)浠衔锍煞?，它們可以耐受所有常用的光刻膠溶劑，甚至是強(qiáng)力溶劑（例如光刻膠清潔工藝中所用的NMP）。同樣，這些接合材料不受酸溶液、基料和電鍍化學(xué)物的影響。如果將這些接合材料涂敷在設(shè)備晶圓上，即使厚度達(dá)到100 μm，產(chǎn)生的應(yīng)力也很小。這一結(jié)論的證據(jù)是，該配方產(chǎn)生后接合彎曲（對于全厚度的晶圓）時的厚度＜5 μm，而其他接合材料平臺在厚度相當(dāng)?shù)木A上產(chǎn)生彎曲時的厚度是80～150 μm。表3顯示了在使用分別涂敷BrewerBOND?220材料（GEN 2材料）和BrewerBOND?305材料（專為高溫應(yīng)用而設(shè)計的GEN 3材料）的基材時產(chǎn)生的典型晶圓彎曲。這些彎曲值是在將材料涂敷至超平晶圓并烘烤后確定的。

表3 對涂有接合材料的晶圓進(jìn)行的晶圓彎曲測量

GEN 1和GEN 2接合材料主要與化學(xué)溶解或熱滑動剝離模式搭配使用。在化學(xué)溶解方法中，接合的晶圓對采用多孔的玻璃晶圓作為載體。將接合的晶圓對浸泡在溶劑中，溶劑將通過多孔的載體滲入接合層，并溶解粘合劑。在熱滑動方法中，接合的晶圓對位于兩個真空夾頭之間，加熱到某溫度后，熱塑粘合劑材料軟化，此后向晶圓施加切向力，會使兩者發(fā)生方向相反的滑動，直到分離為止。GEN 1和GEN 2材料在溫度＞150℃時具有很高的熔體流動能力，這便于在接合工藝中采用良好的接合配方，并在剝離工藝中實現(xiàn)快速的滑動分離。

6 GEN 3超高溫(VHT)接合材料

GEN 1和GEN 2 HT粘合劑主要針對熱滑動剝離方法而設(shè)計，能在高達(dá)200℃的背面加工溫度下保持穩(wěn)定。由于只能通過應(yīng)用更高的溫度和切向力來提高滑動剝離的速度（這可能會傷害已薄化的設(shè)備晶圓），因此該方法不太適用于需要高生產(chǎn)量的制造環(huán)境。此外，若設(shè)備基材在晶圓面向外部的一側(cè)具有很高的表面特征，則此方法與該設(shè)備基材不兼容，因為在分離過程中，必須使用加熱的夾頭夾住該面。因此，我們開發(fā)了GEN 3系列的熱塑性接合材料，以便在高達(dá)250℃的溫度下提供加工穩(wěn)定性，并使用輕力剝離方法。

GEN 3熱塑性接合材料BrewerBOND?305是聚合物接合材料體系。該材料在80～150℃范圍內(nèi)軟化，并在高達(dá)180℃時保持很高的熔體黏度，這使接合層能在很高的加工溫度下保持穩(wěn)定，防止在機(jī)械應(yīng)力下出現(xiàn)回流和層離。該材料可承受250℃的加工溫度，并具有出眾的熱解耐受力(Td＞400℃)，此外對所有光刻膠溶劑和其他加工化學(xué)物也有出眾的耐受力。此外，我們還開發(fā)了GEN 3接合材料，它采用新穎的機(jī)械剝離方法，可以在室溫下以很低的機(jī)械力對晶圓進(jìn)行分離。在此方法中，與設(shè)備晶圓接觸的GEN 3接合材料接合到涂有聚合物層的載體晶圓上，該聚合物層與接合材料構(gòu)成強(qiáng)力的物理接合，但不與接合材料表面發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)。首先在兩個聚合物層之間開出一條裂縫，輕輕偏轉(zhuǎn)載體晶圓使裂縫波及整個界面，然后施加很小的剝離力即可剝離。完成剝離只需幾秒鐘時間。我們開發(fā)了多種施加旋轉(zhuǎn)的表面處理方法，以便在載體上制作低能耗的表面，從而控制接合材料與其接合的強(qiáng)度。圖5展示了GEN 3接合材料的TGA，圖6是接合晶圓（在270℃環(huán)境下暴露30 min后，采用BrewerBOND?305材料）的CSAM影像。

圖5 GEN 3接合材料的TGA

圖6 接合晶圓的CSAM影像

此外，也可以使用激光輔助方法剝離GEN 3接合材料。在激光剝離方法中，會將高溫穩(wěn)定的超薄聚合物涂層體系（例如BrewerBOND?701材料）涂敷到透明的玻璃載體上，并以物理方式接合到GEN 3接合材料。若使用UV準(zhǔn)分子激光透過載體掃描該薄層，該薄層將燒蝕（或分解），從而釋放載體。激光釋放層對常用的248、308和355 nm的掃描波長非常敏感。此外，該方法經(jīng)過精心設(shè)計，還可以在激光能量密度很低(180 mJ/cm2)時進(jìn)行干凈的燒蝕，以實現(xiàn)高生產(chǎn)量的剝離。釋放層提供適用于多數(shù)粘合劑的出眾接合表面，可耐受分解或流動時很高的背面加工溫度。在對激光釋放材料進(jìn)行燒蝕所用的UV波長下，我們的粘合劑不會吸收，因此不必?fù)?dān)心在與激光釋放層接觸的接合材料表面上形成燒蝕殘留物。圖7展示了激光釋放層相對于波長的折射率(n)與k值，顯示出在波長＜400 nm出現(xiàn)高吸收。此圖展示了成功的晶圓剝離（使用3.5 W功率的355 nm激光光源）。請注意，在光譜的深UV部分(200～350 nm)，吸收幅度很大，如曲線在該區(qū)域的高k值所示。此圖展示了成功執(zhí)行激光剝離后的設(shè)備晶圓與透明的載體設(shè)備。

圖7 激光釋放材料的n與k值

7 適用于FOWLP的GEN 3+接合材料

在FOWLP中，會選取已知合格的芯片，將其放置在基材上，然后使用環(huán)氧樹脂成型化合物執(zhí)行超模壓，從而生成重組晶圓。由于重組晶圓具有硅與環(huán)氧樹脂材料的混合組成物，因此具有很大的內(nèi)部應(yīng)力。如果將這些基材薄化到＜400 μm，然后加熱到＞150℃，通常會產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲和變形，導(dǎo)致在標(biāo)準(zhǔn)的晶圓處理設(shè)備中幾乎不可能對其進(jìn)行處理。因此，將薄的重組晶圓臨時接合到載體，以便在分離之前進(jìn)行加工，這已成為通用的作法。

GEN 3+接合材料的開發(fā)目的是對重組晶圓（成分包括硅、氮化硅、多種金屬，以及諸如聚酰亞胺、聚苯并惡唑(PBO)和苯并環(huán)丁烯(BCB)等聚合物介電層）的表面產(chǎn)生很強(qiáng)的附著性。因此，材料成分從非極性的熱塑性材料轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性熱塑性材料，以便具有更高的粘附強(qiáng)度。極性熱塑性材料一般會牢固粘附在設(shè)備材料和釋放層上，因此使接合層對高溫加工期間（此時接合材料處于軟化狀態(tài)）的層離和形成空隙具有更好的耐受力。

GEN 3+接合材料是熱塑性粘合劑體系，其軟化溫度范圍是100～50℃。該材料具有很好的潤濕作用，并能牢固粘附在半導(dǎo)體和重組晶圓上。此外，它們還可以將加工熱穩(wěn)定性提高到225℃以上，在某些情況下可以在高達(dá)300℃時保持接合層穩(wěn)定性。圖8展示了GEN 3+材料的TGA光譜，表明在高達(dá)350℃時質(zhì)量損失＜2%。該材料在施加260℃的熱應(yīng)力達(dá)2 h的情況下顯示出良好的接合層穩(wěn)定性，如圖9中的接合晶圓對CSAM影像所示。GEN 3+接合材料可搭配使用多種伴隨機(jī)械層和激光釋放層。在諸如環(huán)戊酮等溶劑中，極性GEN 3+材料能快速完整溶解，因此清潔速度快于先前各代熱塑性接合材料體系。

圖8 GEN3+接合材料的TGA

在加工期間，重組晶圓會對粘合劑層與各種釋放層之間的界面施加過大壓力。最近，我們開發(fā)了新的聚合物機(jī)械釋放層，它能提供與結(jié)合材料的更牢固的界面接合，同時仍能執(zhí)行輕力機(jī)械剝離。在載體上對超薄(0.15～0.25 μm)聚合物機(jī)械釋放層施加旋轉(zhuǎn)，只需在大約200℃時短暫烘烤即可剝離（使用BrewerBOND?530材料）。在執(zhí)行背面加工和剝離之后，使用溶劑可以取下釋放層，以輕松實現(xiàn)載體的回收利用。我們正在開發(fā)具有更高軟化點且在高達(dá)275℃和350℃時流動性更有限的其他GEN 3+接合材料平臺。

圖9 接合晶圓的CSAM影像

8 結(jié)論

臨時接合材料開發(fā)的推動力來自高級封裝工藝中薄晶圓處理要求的不斷變化。在處理殘留應(yīng)力和滿足對粘附力、加工熱穩(wěn)定性、釋氣、化學(xué)物耐受和分離的要求方面，F(xiàn)OWLP、2.5-D和3-D IC集成中的應(yīng)用都對接合材料提出了獨特要求。深入了解接合材料的聚合物結(jié)構(gòu)和其性質(zhì)（例如熔體流動能力、熱穩(wěn)定性、可溶性和表面能）之間的關(guān)系對于開發(fā)滿足這些困難（并且經(jīng)常彼此沖突）要求的臨時粘合體系不可或缺。單一材料無法滿足現(xiàn)在實施的許多不同制造工藝流程的要求，因此需要一系列臨時粘合體系。我們預(yù)期臨時接合材料需要繼續(xù)提高可承受的加工溫度（高達(dá)400℃），以滿足新興應(yīng)用（例如涉及高溫高壓的芯片到晶圓永久接合）的要求。為了回應(yīng)這種預(yù)料之中的趨勢，我們已經(jīng)在對運用創(chuàng)新接合層架構(gòu)的第四代高性能材料進(jìn)行現(xiàn)場測試。

[1]Trichur R.K.與Flaim T.D.半導(dǎo)體設(shè)備加工的臨時接合與薄晶圓處理策略[J].芯片規(guī)模概覽，2015(11-12)：12-18.