激光解鍵合在扇出晶圓級(jí)封裝中的應(yīng)用

來源；《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：黃泰源、羅長誠、鐘興進(jìn)，廣東鴻浩半導(dǎo)體設(shè)備有限公司

摘要

扇出晶圓級(jí)封裝廣泛應(yīng)用于手機(jī)、車載等電子產(chǎn)品上。制造過程中需要使用到暫時(shí)性基板，而移除暫時(shí)性基板最適當(dāng)?shù)姆绞綖榧す饨怄I合。鴻浩半導(dǎo)體設(shè)備所生產(chǎn)的UV激光解鍵合設(shè)備具備低溫、不傷晶圓等技術(shù)特點(diǎn)，并且提供合理的制程成本，十分適合應(yīng)用于扇出晶圓級(jí)封裝。

01

扇出晶圓級(jí)封裝簡(jiǎn)介

扇出晶圓級(jí)封裝（Fan Out Wafer Level Packaging, FOWLP，簡(jiǎn)稱扇出封裝）是一種新型的晶圓級(jí)電子封裝技術(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)的晶圓級(jí)封裝（Wafer Level Packaging, WLP）或稱為扇入晶圓級(jí)封裝（Fan In WLP）相比，可以擴(kuò)大封裝面積，因而容納更多的輸入/輸出引腳（I/O），同時(shí)實(shí)現(xiàn)更薄、更扁平的封裝形貌，并且能以較低的成本來生產(chǎn)具有良好電器特性的電子組件。

由英飛凌與意法半導(dǎo)體和星科晶朋共同開發(fā)的eWLP是第一個(gè)商業(yè)化的扇出封裝。當(dāng)時(shí)的發(fā)展背景即是為了應(yīng)對(duì)愈來愈多的輸出入引腳的需求。解決方式是加大扇出空間來容納更多的引腳。eWLB于2009年中量產(chǎn)，并且開始應(yīng)用于手機(jī)芯片上。

自2010年代以來，已有多家包括半導(dǎo)體晶圓廠、封測(cè)廠開發(fā)各式的扇出封裝技術(shù)，如臺(tái)積電的InFO、三星的FOSiP、安靠的SWIFT、日月光的FOEB等等。并且往系統(tǒng)級(jí)封裝、堆棧封裝發(fā)展，成為整合度更高、互連速度更順暢的電子構(gòu)裝組件。扇出封裝目前大規(guī)模應(yīng)用于智能手機(jī)、穿戴裝置、電源管理、射頻組件、車用電子等領(lǐng)域，由于易于進(jìn)行異質(zhì)整合，加上具有高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，使用量與應(yīng)用范圍有愈來愈擴(kuò)大的趨勢(shì)。

02

扇出晶圓級(jí)封裝制造流程

傳統(tǒng)的晶圓級(jí)封裝是在已完成前段制程的晶圓片上針對(duì)晶圓片上的芯片來進(jìn)行，芯片封裝面積大小取決于原本在晶圓上針對(duì)芯片所預(yù)留的間距。扇出封裝則可藉由——重組晶圓（Reconstitutional Wafer）來決定芯片的封裝尺寸。重組晶圓是依托在暫時(shí)性基板（Temporary Carrier）上，這個(gè)暫時(shí)性基板最終經(jīng)過解鍵合（De-bonding）的工藝技將其從重組晶圓上移除。扇出封裝首先藉由重新排列芯片形成一個(gè)重組晶圓。芯片先從原本的晶圓片上切割下來，然后根據(jù)設(shè)計(jì)依一定的間距進(jìn)行芯片的排列。

接下來在晶圓片上進(jìn)行重新布線（RDL）、塑封與形成引腳。以上工藝流程稱為Mold First扇出技術(shù)。也有先進(jìn)行重新布線再進(jìn)行固晶（Die Bonding），稱為RDL First扇出技術(shù)。

暫時(shí)性基板僅是做為承載芯片的載體，在完成芯片塑封后，需要將其除去。這個(gè)去除暫時(shí)性基板的工藝即稱為剝離或解鍵合（De-bonding）。典型的FOWLP的工藝制作流程如圖1。

△圖1：扇出晶圓級(jí)封裝的工藝流程

03

激光解鍵合技術(shù)

解鍵合的方式從早期的化學(xué)解鍵合方式、機(jī)械解鍵合方式、熱滑移等方式，進(jìn)展到激光解鍵合。其中，激光解鍵合技術(shù)是新近發(fā)展出來的技術(shù)，目前已有涵蓋紫外到紅外數(shù)種不同波長的激光解鍵合技術(shù)。

化學(xué)解鍵合方式采用浸泡在化學(xué)溶劑中的方式，將膠材慢慢地溶解，最終將暫性基板和晶圓片分離。為了增加化學(xué)溶劑溶解膠材的效率，會(huì)先在暫性基板上均勻地開上數(shù)十至上百個(gè)孔。即使如此，化學(xué)解鍵合方式的效率仍然很低。

機(jī)械解鍵合的方式是透過邊緣的受力點(diǎn)，藉由施力讓膠材接口產(chǎn)生劈裂，然后沿著劈裂面持續(xù)施力，最終使晶圓片與暫時(shí)性基板分離。在施力時(shí)，晶圓片無可避免會(huì)承受應(yīng)力，因而增加了破片的風(fēng)險(xiǎn)。

熱滑移方式是先將膠材加熱致使其軟化，然后施加一剪切力讓暫時(shí)性基板與晶圓片產(chǎn)生相對(duì)的滑移，使得暫時(shí)性基板分離。該方式所使用的膠材通常不能承受高溫的制程，因而限制其應(yīng)用范圍。

△圖2：激光解鍵合工藝意的流程圖

激光解鍵合則是藉由快速將激光能量照射在膠材上，使膠材產(chǎn)生部分解離，藉此將暫時(shí)性基板與晶圓片分離。采用激光解鍵合工藝，首先會(huì)在暫時(shí)性基板上涂布或貼合一層激光解鍵合專用的膠材（Laser Release Layer），接下來的制程工藝都是在這個(gè)基板上進(jìn)行。完成封裝制程后，通過激光作用在膠材上，將晶圓片與暫時(shí)性基板分離。在這個(gè)過程中，激光會(huì)穿過透明的玻璃片，到達(dá)膠材表面，以掃描的方式均勻地將激光能量施加在膠材上，快速地將膠材和玻璃分開。圖2為激光解鍵合的流程圖，激光解鍵合機(jī)的工作示意圖見圖3。

由于激光是無應(yīng)力的解鍵合方式，相當(dāng)大幅度地降低破片的風(fēng)險(xiǎn)，因此可以大幅提升解鍵合過程的成功率，提高良率。當(dāng)晶圓片厚度愈來愈薄、線寬線距持續(xù)縮小，激光解鍵合的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

解鍵合技術(shù)主要的要求為：

1.低應(yīng)力，不能造成破片

2.對(duì)芯片的熱沖擊愈小愈好

3.激光能量不能損傷芯片

4.產(chǎn)出的速度要快

5.合理的制程成本

6.足夠的技術(shù)成熟度以及客戶采用

7.對(duì)于未來技術(shù)應(yīng)用延伸的潛力

根據(jù)以上的需求，表1給出了各種解鍵合方式的比較。其中可以發(fā)現(xiàn)，使用紫外固態(tài)激光解鍵合技術(shù)在各項(xiàng)指標(biāo)大體都十分優(yōu)良，并具有最佳的技術(shù)延伸的潛力。

△表1.各種解鍵合技術(shù)的比較

04

鴻浩激光解鍵合設(shè)備

廣東鴻浩半導(dǎo)體設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鴻浩”）所選用的解鍵合技術(shù)即為紫外固態(tài)激光技術(shù)，率先成功量產(chǎn)紫外激光解鍵合設(shè)備，并首先應(yīng)用于扇出晶圓級(jí)封裝制造工藝，該設(shè)備（如圖4所示）具有以下特點(diǎn)：

1.激光是針對(duì)膠材進(jìn)行解鍵合，對(duì)晶圓片的分離產(chǎn)生的應(yīng)力極低。

2.采用短脈沖激光，作用時(shí)間短，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)低。

3.選用的波長絕大部分作用于膠材，不會(huì)有擊傷芯片的風(fēng)險(xiǎn)。

4.采用高速激光，具有高產(chǎn)出速度的優(yōu)點(diǎn)。

5.設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低廉，可以提供合理的制程成本。

6.鴻浩自有應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)驗(yàn)證多種膠材，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)域。

△圖4：鴻浩激光解鍵合設(shè)備外觀圖

鴻浩的紫外激光解鍵合設(shè)備已經(jīng)打入包括先進(jìn)封裝、第三代半導(dǎo)體、Micro-LED等各領(lǐng)域主要客戶。鴻浩也期待能與更廣大的客戶進(jìn)行交流、服務(wù)更多的客戶。

蘇州會(huì)議

雅時(shí)國際(ACT International)將于2023年5月,在蘇州組織舉辦主題為“2023-半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和機(jī)遇大會(huì)”。會(huì)議包括兩個(gè)專題：半導(dǎo)體制造與封裝、化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用。分別以“CHIP China晶芯研討會(huì)”和“化合物半導(dǎo)體先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用大會(huì)”兩場(chǎng)論壇的形式同時(shí)進(jìn)行。詳情點(diǎn)擊鏈接查看：https://w.lwc.cn/s/7jmaMn

審核編輯黃宇