堆疊3D封裝的關(guān)鍵硅片減薄

1、WIN-WINRELATIONSHIPSCREATETHEWORLDSNo.1PRODUCTS堆疊/3D封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一-硅片減薄東精精密設(shè)備（上海）有限公司廖凱AccretechChinaCo.,Ltd.1、背景從上世紀(jì)后期開始的電子產(chǎn)品小型化趨勢持續(xù)而且廣泛的改變著人們的生活。這股便攜化的浪潮從最初的收音機(jī)、隨身聽等發(fā)展到今天的筆記本電腦、手機(jī)等，并且越來越趨向于將各種功能集成在某種便攜式終端平臺上。例如，今天的手機(jī)就可以集成通話、計算、數(shù)據(jù)系統(tǒng)級芯片（SOC）、系處理、照相、攝像、網(wǎng)絡(luò)、多媒體等各種功能。半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展是這些變化的主要技術(shù)驅(qū)動力量。統(tǒng)級封裝（SIP）等技術(shù)的發(fā)

2、展使得IC器件的功能得到了空前的提高，特別是應(yīng)用于SIP的StackPackage/3DPackage等封裝內(nèi)集成技術(shù)的大行其道使得某些產(chǎn)品領(lǐng)域表現(xiàn)出了超越摩爾定律的超常發(fā)展趨勢。其中最典型的例子就是閃存類產(chǎn)品，其主流終端產(chǎn)品容量從4、5年前的幾十兆位到今天的幾千兆位，幾乎在短短幾年間就提高了近百倍。其中設(shè)計及晶圓加工技術(shù)的提高固然作用巨大，但是疊層封裝的發(fā)展卻起到了倍乘的推動作用。業(yè)界越來越認(rèn)識到，堆疊/3D封裝在器件的系統(tǒng)級功能實現(xiàn)、存儲容量的增加等方面所具有的工藝簡易及成本低廉等巨大優(yōu)勢。雖然實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)級3D封裝還有很長的路要走,如針對3D系統(tǒng)級封裝的電路設(shè)計、晶圓制造的工藝制程、新

3、增封裝工藝步驟帶來的工藝流程變化等都需要業(yè)界各方面的進(jìn)一步協(xié)調(diào)和努力，但是回顧一下存儲產(chǎn)品的堆疊封裝技術(shù)在過去幾年里的成功發(fā)展經(jīng)驗可以使我們進(jìn)一步了解未來3D封裝的技術(shù)要求。圖1簡要的描述了多層封裝的不同形式、發(fā)展階段及各自的優(yōu)勢。現(xiàn)階段的多層封裝技術(shù)仍然處于封裝堆疊（Stackedpackage）的階段。國際上已經(jīng)有少數(shù)大廠開始試驗及評價POP（PackageonPackage）的量產(chǎn)。而3D互連還處于工藝討論和技術(shù)規(guī)劃的階段PiLckaucOnPatkagcSiacktd-DitPackageMenionxNLoicChipStuckMeniciyCapacityPEickiJsicSla

4、ckMemoryCapaciry扌裝的發(fā)展趨勢mH旳圖1：多層封IMeinoivxNLJUUU3DlulcrcuwiccliouMemoir+Logic:BarChipStackftjeinonCapacilyHi呂hPinContactWIN-WINRELATIONSHIPSCREATETHEWORLDSNo.1PRODUCTS需要被減薄。一般來說,較為先進(jìn)的多層封裝使用的芯論R亡山iHion無論堆疊形式和連線方式如何改變，在封裝整體厚度不變甚至有所降低的趨勢下，中所用各層芯片的厚度就不可避竊甬片厚度都在100um以下。長遠(yuǎn)來說，根據(jù)目前的路線圖在2010年左右，芯片厚度將達(dá)到25um左右的

5、近乎極限厚度，堆疊的層數(shù)達(dá)到10層以上。即使不考慮多層堆疊的要求，單是芯片間的通孔互連技術(shù)就要求上層芯片的厚度在20-30um，這是現(xiàn)有等離子開孔及金屬沉積技術(shù)所比較適用的厚度，同時也幾乎僅僅是整個器件層的厚度。因此，硅片的超薄化工藝（50um）將在封裝技術(shù)中扮演越來越重要的角色，其應(yīng)用范圍也會越來越廣泛。2、減薄技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)及解決之道2.1減薄能力減薄技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)就是超薄化工藝所要求的50um的減薄能力。傳統(tǒng)上，減薄工藝僅僅需要將硅片從晶圓加工完成時的原始厚度減薄到300-400um。在這個厚度上，硅片仍然具有相當(dāng)?shù)暮穸葋砣萑虦p薄工程中的磨削對硅片的損傷及內(nèi)在應(yīng)力，同時其剛性也

6、足以使硅片保持原有的平整狀態(tài)。通過電子透鏡TEM的觀察，我們可以清楚地看到在傳統(tǒng)減薄=工藝的325#和2000#粗精磨之后殘留在磨削表面的損傷（圖2）。這些損傷是造成破片的主要直接原因。之所以產(chǎn)生這樣的損傷是因為磨削工藝本身就是一種物理損傷性工藝，其去除硅個施破移除的過程。為了消除這些表面損傷及應(yīng)力，人們考慮了各種方法：干拋、濕拋、干法刻蝕、濕法刻蝕等，目前在實際量產(chǎn)中應(yīng)用最多的是濕法拋光工藝。圖3顯示了不同拋光去除Removalamoui子t鏡.OumSurface事實上，人們對減薄厚度極限的挑戰(zhàn)已經(jīng)有了驚人的成就。圖5所示東京精密公司在業(yè)界量下，表面損傷的改善狀況。可以看到拋光量達(dá)到1.5

7、um以上后，表面的損傷就基本上被去除掉了。率先實現(xiàn)的5um硅片就展示了可見光透過硅片后，由于短波長無法通過而使得硅片在視覺上通體發(fā)紅的有趣物理現(xiàn)象。從圖片中可以清楚地看到工程師放在背面捧住硅片的手指。當(dāng)然，5um已經(jīng)小于很多器件本身的厚度，所以不太可能在量產(chǎn)中被應(yīng)用到。但是其實現(xiàn)的技術(shù)對于25um以上減薄是具有指導(dǎo)意義的。2.2超薄硅片的搬送圖5減薄至5um的硅片在硅片被減薄到100um以下后，除了對減薄自身的挑戰(zhàn)外，向后續(xù)工藝的硅片傳遞、搬送也遇到了很大的問題。硅片在這樣的厚度下，即使通過應(yīng)力消減減少了翹曲，但仍然表現(xiàn)出形態(tài)上柔軟、剛性差，實質(zhì)脆弱的物理特性。這樣的特性給硅片的搬送帶來了很大

8、的麻煩。在各道獨立的工序間搬送這樣的硅片需要特制的硅片支撐系統(tǒng)。硅片支撐系統(tǒng)一般是通過把高剛性的圓片(一般是特制硅片或玻璃片)粘結(jié)在硅片上，使其和加工片一起作為整體被加工，達(dá)到可以使用普通搬送機(jī)械手和片盒的目的。但是硅片支撐系統(tǒng)在實際的開發(fā)、認(rèn)證、使用中遇到了諸多至今仍未克服的問題。概括起來有三類：1.增加了實際加工硅片的厚度控制難度，其厚度均一性難以達(dá)到要求；2.增加的支撐片粘貼、去除工藝的控制難度高；3.大量增加了長期的運行成本。在硅片支撐系統(tǒng)中不僅其中使用的粘結(jié)材料是消耗品，而且起支撐作用的圓片在每次被剝離后都要進(jìn)行特殊的處理以使其保持粘結(jié)面的平整和厚度的均勻。基于這些原因，硅片支撐系統(tǒng)

9、很少在大規(guī)模生產(chǎn)中被采用。目前業(yè)界的主流解決方案是采用東京精密公司所率先倡導(dǎo)的一體機(jī)思路，將硅片的磨削、拋光、保護(hù)膜去除、劃片膜粘貼等工序集合在一臺設(shè)備內(nèi)，通過獨創(chuàng)的機(jī)械式搬送系統(tǒng)使硅片從磨片一直到粘貼劃片膜為止始終被吸在真空吸盤上，始終保持平整狀態(tài)。當(dāng)硅片被PG200/300本機(jī)PG200/300RM的部分是磨片和拋光的空吸盤的大圓盤回轉(zhuǎn)E片在不用離開真空吸到粗磨、精磨、拋光等尊的過程。這一獨創(chuàng)的的嚴(yán)重翹曲所造成的I時也避免了磨片后的進(jìn)而破裂的危險。y右邊的rm部是通過二要完成保護(hù)膜的去除瓦將硅片進(jìn)行正反的翻東京精密公司的設(shè)計y用劃片膜張貼到框架-問題。除此之外，東京精密的RM模塊還在業(yè)界第一次實現(xiàn)了對所有帀場王流劃片膜的支持,而且還支持預(yù)切體機(jī)圖6一京精密PG200/HH丄中剝3910R意圖。圖3的P1260移厚還薄的硅片會順從i生翹曲、下垂等問題,割膜、含粘片膜(DieAttachFilm)的2合1膜等，以適應(yīng)各種工藝和產(chǎn)品要求。圖6所示僅僅是一個基本的配置形式。根據(jù)不同的工藝要求，可以柔性地在PG和RM之間加入相應(yīng)的特定工藝模塊，如激光劃片、硅片的背面等離子處理等，從而極大地豐富了設(shè)備的功能及擴(kuò)展了對未來產(chǎn)品趨勢和要求的適應(yīng)性。3、結(jié)語在今天疊層封裝蓬勃發(fā)展、方興未艾的同時，以通孔互連為技術(shù)特征的3D封裝也日益成為系統(tǒng)級封裝的主要發(fā)展方向。