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用于芯片封裝的混合鍵合技術

發布時間:2021-07-09

瀏覽次數:224

1. 什么是混合鍵合技術
       對于高級芯片封裝,該行業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將裸片堆疊在裸片上。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設施以及鍵合管芯的能力成為一項重大挑戰?!薄半m然可以從晶圓級復制和/或改寫芯片級的界面設計和預處理,但是在芯片處理方面仍存在許多挑戰。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?!爱斘也榭垂こ坦ぷ鞑⒉榭垂ぞ唛_發的方向(針對芯片到晶圓)時,這是一項非常復雜的集成任務。像臺積電這樣的人正在推動這個行業。因此,我們將看到它。在生產中,更安全的聲明可能會出現在2022年或2023年,可能會更早一些。
2. 混合鍵合技術的應用
       用于封裝的混合鍵合在其他方面有所不同。傳統上,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重要?!半S著先進的封裝工藝越來越復雜,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制模具,失敗的成本很高?!盋yberOptics研發副總裁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重要?!?/span>
       實際上,已知的良好模具(KGD)至關重要。KGD是符合指定規格的未封裝零件或裸模。沒有KGD,包裝可能會產生低產量或失敗。
       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品。人們要求我們提供很高的產量,”ASE的工程和技術營銷總監曹立宏在蕞近的一次活動中說?!耙虼?,對于已知的優制模具,我們希望以良好的功能對其進行權面測試。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
混合鍵合技術流程.png
圖1  Xperi的晶片間混合鍵合流程
       整個過程始于fab,在那里使用各種設備在晶片上處理芯片。晶圓廠的該部分稱為生產線前端(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,稱為生產線后端(BEOL)。使用不同的設備,晶圓在BEOL中經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?;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。但是,對于高級芯片而言,蕞大的區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在系統中進行,該系統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. 創新

       有一個這樣的解決方案。Xperi已開發出200mm和300mm CMP功能。Xperi工程副總裁Laura Mirkarimi表示:“在過去的十年中,CMP技術在設備設計,漿料選項和過程監控器方面進行了創新,取得了顯著進步,從而實現了可重復且穩定的過程,并具有精確的控制?!比缓?,晶圓經過一個度量步驟,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構測量。另外,還使用晶片檢查系統。這是該過程的關鍵部分。

EVG320 D2W混合鍵合離子活化和清潔系統.png

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注的問題是如何在探針間端和凸塊之間保持穩定的電接觸?!睘榇?,FormFactor開發了一種基于MEMS的探針設計,稱為Skate。結合較低的接觸力,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中的這種芯片封裝混合鍵合技術應用的。
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