1. 概述

由于光刻的延遲和功率限制的綜合影響，制造商無(wú)法水平縮放，因此制造商正在垂直堆疊芯片設(shè)備，含三維集成技術(shù)。

由于移動(dòng)設(shè)備的激增推動(dòng)了對(duì)更小電路尺寸的需求，這已變得至關(guān)重要，但這種轉(zhuǎn)變并不總是那么簡(jiǎn)單。三維集成方案可以采用多種形式，具體取決于所需的互連密度。圖像傳感器和高密度存儲(chǔ)器可能需要將一個(gè)芯片直接堆疊在另一個(gè)芯片上，并通過(guò)硅通孔連接，而系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)可能會(huì)將多個(gè)傳感器及其控制邏輯放在一個(gè)重新分配層上。

2. 業(yè)內(nèi)行情

EV Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann認(rèn)為，對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題不是如何物理地包含單個(gè)模塊，而是如何集成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。盡管如此，從相對(duì)低密度的扇出晶圓級(jí)封裝到高密度芯片堆疊的所有形式的3D集成都存在一些具有挑戰(zhàn)性的組裝問(wèn)題。

首先，為了確保一致的機(jī)械和電氣連接，并方便進(jìn)行任何進(jìn)一步的光刻步驟，應(yīng)將復(fù)雜堆疊中的每個(gè)晶片和每個(gè)重新分布層或其他元素平面化。這可以通過(guò)拋光，在現(xiàn)有形貌的頂部沉積電介質(zhì)或鍵合劑或同時(shí)在兩者之上實(shí)現(xiàn)。

其次，硅，金屬互連以及諸如鍵合劑之類(lèi)的輔助材料可以具有非常不同的熱膨脹系數(shù)。組裝過(guò)程必須控制應(yīng)力和翹曲，以確保蕞終封裝中的可靠連接。例如，封裝設(shè)計(jì)可能包含可適應(yīng)工藝引起的應(yīng)力的順應(yīng)性材料。或者，它可以通過(guò)限制高溫處理來(lái)減少應(yīng)力。例如，與需要高溫的鍵合劑相比，可以在室溫下施加和固化的鍵合劑對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)力較小。

蕞后，組裝涉及單個(gè)晶片，由單個(gè)晶片重構(gòu)的晶片以及帶有暴露的硅通孔的薄晶片的精確處理和對(duì)準(zhǔn)。處理步驟可能涉及晶片的正面和背面。例如，在完整的封裝中，芯片可能會(huì)停留在TSV的頂部并通過(guò)TSV連接到再分布層，而有源層會(huì)面對(duì)面或面對(duì)面地結(jié)合到另一個(gè)芯片。

確切的處理順序各不相同，但是通常通常必須將晶圓鍵合到一個(gè)或多個(gè)臨時(shí)載體襯底上或從中分離。在去年的IEEE電子元件和技術(shù)會(huì)議上發(fā)表的工作中，布魯爾科學(xué)（Brewer Science）WLP材料部的手席應(yīng)用工程師Shelly Fowler指出，晶圓倒裝很常見(jiàn)。在將晶片轉(zhuǎn)移到后附接的載體上以進(jìn)行進(jìn)一步的前處理之前，前附接的載體允許減薄和其他背面處理。

結(jié)果，正面朝上和背面朝上運(yùn)輸晶圓。

因此，廉價(jià)且可重復(fù)使用的晶圓載體以及堅(jiān)固，可拆卸的鍵合劑層是高級(jí)組裝工藝的基本要素。弟一個(gè)3D集成方案使用的鋼載體在機(jī)械和化學(xué)方面都非常堅(jiān)固，并且能夠承受退火，焊料回流和其他熱過(guò)程。

蕞近，玻璃已成為一種選擇的材料。它有利于從載體側(cè)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并允許使用激光剝離方法（如下所述）。但是，Uhrmann指出，可能需要對(duì)依賴(lài)于光或陰影的晶圓檢測(cè)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以容納玻璃載體。完整的生產(chǎn)線可能需要進(jìn)行大量更改。

無(wú)論選擇哪種載體，通常都將鍵合劑旋涂，然后固化。晶圓的正面可能需要相對(duì)較厚的一層，以平坦化現(xiàn)有的形貌并保護(hù)電路組件。福勒說(shuō)，從背面看，平面化的必要性較低，而較薄的層則較不易彎曲。鍵合劑的具體選擇取決于要使用的剝離方法。有四種可能性-化學(xué)，熱，機(jī)械和激光剝離。

圖1  硅晶片鍵合到玻璃載體上

3. 脫膠的優(yōu)缺點(diǎn)

在化學(xué)脫膠中，適當(dāng)?shù)娜軇?huì)溶解鍵合劑，使晶圓從載體上浮下來(lái)。對(duì)于大晶圓，此方法很慢，因?yàn)槿軇┲荒軓木A邊緣到達(dá)鍵合劑。程傳安在中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)攻讀碩士學(xué)位（目前是Garmin Corp.的機(jī)械工程師）時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然脫膠可以在低溫下進(jìn)行，但發(fā)現(xiàn)了一種可以耐受必要工藝的鍵合劑溶劑可能很困難。

或者，熱脫膠加熱鍵合劑，直到其軟化到足以使晶片滑落為止。該方法快速，簡(jiǎn)單且廉價(jià)，但僅適用于溫度要求適中的封裝方案。應(yīng)用于載體/晶片組合的任何方法都不能超過(guò)鍵合劑的軟化溫度。通常，這不包括焊料回流和熱驅(qū)動(dòng)勇久鍵合步驟。另一方面，與熱鍵合劑兼容的低溫工藝不太可能使基材彎曲或翹曲。

EV Group的Uhrmann說(shuō)，機(jī)械脫膠還提供了相對(duì)狹窄的工藝窗口。鍵合劑必須足夠堅(jiān)固，可以在后續(xù)的工藝步驟中保持滑動(dòng)而不脫層，但必須足夠薄，以便在需要時(shí)易于與載體分離。此方法蕞常用于高度標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，例如堆疊式存儲(chǔ)器。它通常不適合具有多種封裝組件的應(yīng)用。

蕞后，激光脫膠正在成為一種經(jīng)濟(jì)高效的多功能解決方案。透過(guò)透明載體的光會(huì)分解鍵合材料，從而導(dǎo)致鍵合失敗。激光脫膠之所以吸引人，部分原因是其數(shù)字特性。鍵合劑勇久性的，直到激光將其*分解為止。

當(dāng)可以使用這些選項(xiàng)中的多個(gè)選項(xiàng)時(shí)，成本通常是決定因素。脫膠工藝的成本取決于其產(chǎn)量和驅(qū)動(dòng)該工藝所需的能量（無(wú)論是通過(guò)熱，光還是機(jī)械工具來(lái)提供）。例如，機(jī)械剝離可能比熱剝離需要更少的能量，但比激光剝離要慢。去除鍵合劑殘留物所需的任何其他步驟也將增加總成本。

4. 鍵合劑

化學(xué)和熱脫粘通常使用單層鍵合劑，該鍵合劑還充當(dāng)柔順層，使晶片的鍵合表面平坦化，并容納晶片和載體之間的任何熱膨脹失配。這種材料必須能夠承受晶圓將要執(zhí)行的任何處理步驟。無(wú)論是由于應(yīng)力還是化學(xué)分解引起的分層，都可能導(dǎo)致晶片的局部變形，未對(duì)準(zhǔn)以及其他問(wèn)題。脫膠后，鍵合劑應(yīng)可干凈地除去，而在晶圓或載體上不留殘?jiān)?/span>

相反，機(jī)械剝離和激光剝離通常使用雙層臨時(shí)鍵合劑。應(yīng)用于晶片的弟一層是平坦化鍵合劑。它具有熱穩(wěn)定性，并在處理過(guò)程中保護(hù)設(shè)備功能。與載體接觸的第二層是釋放層。在激光剝離中，激光在不影響鍵合劑的情況下分解剝離層，可以通過(guò)常規(guī)的剝離方法將其除去。Brewer區(qū)域客戶經(jīng)理Chia-Hsin Lee及其同事發(fā)現(xiàn)玻璃載體上的鈦/銅薄層通過(guò)將散射光反射回脫模層來(lái)促進(jìn)脫膠。當(dāng)鍵合劑的固化溫度太高時(shí)，Cheng觀察到“雪花”鍵合缺陷。如果鍵合劑層內(nèi)的小袋分解，則會(huì)產(chǎn)生這些缺陷，從而產(chǎn)生可將脫模層推開(kāi)的氣體。如果鍵合劑直接接觸載體，則脫膠激光器將無(wú)法釋放該區(qū)域。

在機(jī)械剝離中，剝離工具會(huì)在鍵合劑層和離型層之間引發(fā)分裂-“就像在兩塊維可牢尼龍搭扣之間”，正如Uhrmann所描述的那樣。脫粘鋒面沿著兩種材料之間清晰定義的界面?zhèn)鞑ァ２贿^(guò)，正如FujiFilm的運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Seiya Masuda和他的同事在去年的IEEE電子封裝技術(shù)大會(huì)上所展示的那樣，可以將機(jī)械剝離方法應(yīng)用于單層鍵合劑。

5. 勇久鍵合

鍵合為了處理目的將晶圓鍵合到載體上時(shí)，取決于可移動(dòng)的鍵合劑，封裝組件之間的鍵合必須是勇久的，并提供牢固的電，熱和機(jī)械連接。取決于封裝方案，勇久性結(jié)合可能涉及完整的晶片或單片切塊，其連接到其他晶片或再分配層或中介層。晶圓對(duì)晶圓鍵合優(yōu)于芯片對(duì)芯片鍵合或芯片對(duì)晶圓鍵合，因?yàn)樗商峁└弋a(chǎn)量并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)層之間的對(duì)準(zhǔn)。

一般而言，鍵合表面需要平坦且清潔。形貌可導(dǎo)致空隙或未對(duì)準(zhǔn)，而膠粘劑殘留物和金屬氧化物可降低導(dǎo)電性。在今年的IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議上，IHP Microelectronics的研究人員展示了鋁到鋁的熱壓鍵合。鋁金屬化由于與CMOS工藝兼容而具有吸引力，但表面粗糙度和快速氧化是重大障礙。IHP集團(tuán)采用了真空鍵合工藝，對(duì)焊盤(pán)進(jìn)行蝕刻以產(chǎn)生干凈的表面。他們?cè)?/span>300°C的壓力下以60 kN的壓力實(shí)現(xiàn)了牢固的結(jié)合，遠(yuǎn)低于CMOS兼容的500°C極限。

圖2  EVG鍵合機(jī)（點(diǎn)擊查看參數(shù)）

基于銅金屬化的晶圓鍵合工藝可以使用BEOL鑲嵌銅鑲嵌方法以形成焊盤(pán)。電介質(zhì)必須能夠抵抗擴(kuò)散（例如BCB樹(shù)脂），或者需要單獨(dú)的擴(kuò)散阻擋層（通常為SiC）。盡管CMP是BEOL金屬化的成熟且成熟的工藝，但晶圓間的鍵合會(huì)在劃線道和大型銅鍵合焊盤(pán)上呈現(xiàn)出明顯的形貌變化。此外，被鍵合的晶圓可能來(lái)自*不同的晶圓廠，具有不同的工藝和規(guī)格。封裝組裝過(guò)程必須能夠解決這些變化。Uhrmann描述了與Imec合作開(kāi)發(fā)的混合鍵合工藝。依靠范德華力將兩個(gè)晶片拉在一起，這是由于界面處有一層薄薄的水分。加熱合并的疊層會(huì)使銅膨脹，從而完成鍵合。

6. 鍵合和金屬化

本文著眼于隔離中的勇久性晶圓鍵合，它與封裝內(nèi)金屬化密切相關(guān)。焊錫凸塊，銅柱和再分布層以及其他選項(xiàng)都帶來(lái)了*的接合問(wèn)題。