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激光工具改善先進(jìn)封裝集成 (API)

星之球科技 來(lái)源:國(guó)際激光商情2020-02-19 我要評(píng)論(0 )   

在如今的先進(jìn)封裝領(lǐng)域,互連器件(重布線層[RDL]、銅凸等)日益復(fù)雜,加上堆疊式3D(和2.5D)封裝結(jié)構(gòu)所用晶圓越來(lái)越薄,諸多挑

在如今的先進(jìn)封裝領(lǐng)域,互連器件(重布線層[RDL]、銅凸等)日益復(fù)雜,加上堆疊式3D(和2.5D)封裝結(jié)構(gòu)所用晶圓越來(lái)越薄,諸多挑戰(zhàn)也隨之涌現(xiàn)。激光工具可以克服這些眾多挑戰(zhàn)。
先進(jìn)封裝面臨的挑戰(zhàn)
2.5D封裝的一個(gè)典型例子是將不同作用的運(yùn)算芯片和通信芯片整合在一起,即系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)。SiP封裝使用高密度中介層或嵌入式多裸片互連橋接(EMIB,英特爾版本)技術(shù)將多種異構(gòu)芯片相互連接。而3D封裝則是將兩個(gè)(或更多)減薄芯片依次疊加在同一模塑封裝中,例如集成幾個(gè)存儲(chǔ)芯片或者集成一個(gè)邏輯芯片與一個(gè)存儲(chǔ)芯片。
每種先進(jìn)封裝方式有不同的封裝類(lèi)型。例如,扇出型封裝分為三種類(lèi)型:chipfirst/facedown、chipfirst/faceup,chiplast或者RDLfirst。但是,以上三種封裝技術(shù)都必須采用密集的高分辨率互連層(通常采用超薄晶圓)方能最大限度地提高速度和功能。本文主要探討的是如何利用準(zhǔn)分子激光器構(gòu)建這些互連層。準(zhǔn)分子激光器是一種波長(zhǎng)在紫外波段的脈沖氣體激光器,廣泛用于智能顯示面板制造以及前端光刻工藝。
雙大馬士革工藝–RDL和微通孔
在FOWLP和3D等封裝工藝中,互連層通常使用雙大馬士革工藝制造。該電路由導(dǎo)線和通孔構(gòu)成:表面溝槽和通孔通過(guò)種晶種層濺射以及電鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。盡管傳統(tǒng)的曝光技術(shù)在當(dāng)前10×10μm(寬度×間距)的分辨率下仍然可用,但面對(duì)3×3μm或1.5×1.5μm的分辨率時(shí)就有點(diǎn)力不從心了。
使用曝光技術(shù)時(shí),可用的光刻膠種類(lèi)有限。而且,這些材料的物理性能通常不夠理想,從而會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力和基板彎曲等問(wèn)題。此外,溝槽和微孔必須通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的曝光步驟構(gòu)建。聚合物和抗蝕劑固化后,由于材料的回流和收縮(包括通孔的擴(kuò)口和尺寸變形),微米級(jí)的形變隨之產(chǎn)生。因此,在光刻工藝中,通孔的焊盤(pán)通常都比溝槽尺寸大一些,以保證通孔和溝槽圖案相配合。但是,這會(huì)增加平均線尺寸并犧牲可用面積。
光刻技術(shù)需要對(duì)光刻膠材料進(jìn)行曝光處理,而強(qiáng)大的準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的脈沖可以直接去除材料。此外,準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的紫外光(波長(zhǎng)為193nm,248nm或308nm),所帶來(lái)的高能光子可以直接破壞聚合物和其他材料中的原子鍵,不產(chǎn)生周?chē)鸁嵝?yīng)的一一種相對(duì)冷處理的方式將材料氣化。
為了實(shí)現(xiàn)RDL布線,準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的矩形光束需要進(jìn)行整形,整形后的光通過(guò)鋁制掩模版,然后通過(guò)透鏡投射到RDL表面。
采用準(zhǔn)分子激光器的優(yōu)點(diǎn)主要有如下。首先,聚合物層通過(guò)激光器的方式在成圖案前固化,而不是光刻后。因此,該圖案具有很高的保真度,不存在收縮或變形等情況。此外,準(zhǔn)分子激光器可以在不干擾晶圓或光學(xué)校準(zhǔn)的情況下同時(shí)創(chuàng)建通孔和溝槽。這樣可以確保完美圖案,并且無(wú)需使用焊盤(pán)或造成過(guò)大的通孔,最大程度地減少了浪費(fèi)的面積。另外,準(zhǔn)分子工藝為在濺射銅晶層之前濺射阻擋層(例如,TiNTi或TaNTa)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。該阻擋層能夠排除銅遷移到聚合物中的可能性。
準(zhǔn)分子工藝還可以對(duì)通孔的所有尺寸(包括長(zhǎng)寬比和錐度)進(jìn)行有效的控制。通孔的入口直徑由掩模和投射光路決定。但是任何激光鉆孔都有錐度。通過(guò)控制通量(每單位面積的脈沖能量),我們可以直接控制錐角–請(qǐng)見(jiàn)圖1。
圖 1.改變激光通量可以控制側(cè)壁角度,這在隨后的沉積步驟中很重要。
速度和產(chǎn)量如何?對(duì)于不同的聚合物,每次脈沖去除的材料深度相似,并且主要取決于通量。反過(guò)來(lái),這會(huì)隨著激光脈沖能量和聚合物表面上掩模投影尺寸而變化。對(duì)于相對(duì)較低通量,100mJ/cm2,蝕刻速率約為50nm/脈沖。高功率準(zhǔn)分子可以達(dá)到1200mJ/cm2時(shí),速率可以高達(dá)1000nm/脈沖。而且,由于蝕刻速率與給定區(qū)域中的通孔數(shù)量無(wú)關(guān),因此,隨著通孔密度的增加,每分鐘可鉆出的通孔數(shù)量實(shí)際上會(huì)增加。
此工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,通孔和RDL圖案可一步完成,或可以是先通孔/后溝槽(RDL),或者先RDL/后通孔。后一種模式通常是先進(jìn)封裝的首選,因?yàn)樗梢愿玫乜刂仆纵喞捌涞撞砍叽纭?/span>
此方法還可以使用不同的電鍍選項(xiàng)。通孔和溝槽可以用銅覆蓋,后續(xù)進(jìn)行化學(xué)/機(jī)械拋光(CMP)以將其減薄到所需的高度。另外,也可以使用自下而上的填充方式。該方法無(wú)需使用CMP,從而降低了總體工藝成本。
去除晶種層
在使用CMP的情況下,CMP可以去除晶種層上的負(fù)載,然后通過(guò)另一個(gè)準(zhǔn)分子激光進(jìn)程去除晶種層。實(shí)際上,準(zhǔn)分子燒蝕通常也是去除晶種層的理想之選,例如,UBM(球下金屬層)或銅凸(3D封裝中的重要互連器件)。這是因?yàn)闇?zhǔn)分子激光燒蝕通過(guò)散裂過(guò)程有效地去除了較薄的晶種層,留下了較厚的未受影響的(電鍍的)金屬。相比之下,傳統(tǒng)的用濕法蝕刻工藝在去除晶種層時(shí),凸點(diǎn)和銅柱會(huì)出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象,導(dǎo)致最新封裝所需的高空間分辨率(小于10μm)線條過(guò)窄而不能接受。例如,據(jù)記錄顯示,小于5μm范圍內(nèi)的銅柱出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象后,機(jī)械特性變得異常脆弱,以至降低鍵合良率。
在散裂中(圖2),大多數(shù)準(zhǔn)分子光束穿過(guò)超薄晶種層。聚合物對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收率,導(dǎo)致所有光束能量都會(huì)被吸收到聚合物的前幾個(gè)原子層中,從而使其完全蒸發(fā)掉但是,膨脹的蒸汽會(huì)逐漸聚集在機(jī)械強(qiáng)度較弱的晶種層下,然后一次釋放。重要的是,不需要掩膜或光學(xué)對(duì)準(zhǔn),因?yàn)楹窠饘賹?dǎo)體、銅柱等即使吸收了脈沖能量該脈沖能量便可通過(guò)金屬無(wú)害地散發(fā),且不會(huì)以任何方式觸及或影響基板。
圖 2. 準(zhǔn)分子激光穿透超薄金屬晶種層并在聚合物界面處吸收的散裂示意圖。聚合物的汽化過(guò)程產(chǎn)生的的微爆去掉了晶層,但導(dǎo)電部分因?yàn)楹穸茸銐?,不?huì)被這個(gè)微小的加工進(jìn)程影響。
因?yàn)榧す馍⒘咽菃蚊}沖工藝,所以它的效率很高。根據(jù)激光功率的不同,一個(gè)300mm圖形基板可以在10s內(nèi)完成加工。此外,由于大多數(shù)激光以接近法線入射的方式到達(dá)目標(biāo),因此沒(méi)有陰影效應(yīng),而且也不會(huì)出現(xiàn)濕法蝕刻工藝中產(chǎn)生的鉆蝕現(xiàn)象。
總結(jié)
與微電子制造及相關(guān)行業(yè)中的其他領(lǐng)域一樣,先進(jìn)封裝也在克服小型化帶給現(xiàn)有工藝的挑戰(zhàn)。超精密準(zhǔn)分子激光器曾在前端光刻、高亮度顯示屏激光退火以及柔性屏激光剝離制程中發(fā)揮作用。因此,它也再一次有望為先進(jìn)封裝工藝提供高效解決方案。

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激光先進(jìn)封裝激光技術(shù)
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