不同材料在晶圓級封裝中的作用

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本篇文章將探討用于晶圓級封裝（WLP）的各項材料，從光刻膠中的樹脂，到晶圓承載系統(tǒng)（WSS）中的粘合劑，這些材料均在晶圓級封裝中發(fā)揮著重要作用。

光刻膠（Photoresists, PR）：由感光劑、樹脂和溶劑構(gòu)成，用于形成電路圖案和阻擋層

光刻膠是由可溶性聚合物和光敏材料組成的化合物，當(dāng)其暴露在光線下時，會在溶劑中發(fā)生降解或融合等化學(xué)反應(yīng)。在運(yùn)用于晶圓級封裝的光刻（Photolithography）工藝過程中時，光刻膠可用于創(chuàng)建電路圖案，還可在后續(xù)電鍍（Electroplating）1過程中通過電鍍金屬絲以形成阻擋層。光刻膠的成分如圖1所示。

1電鍍（Electroplating）：一項晶圓級封裝工藝，通過在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)來產(chǎn)生電子，并將電子導(dǎo)入到作為陰極的電解質(zhì)溶液中，使該溶液中的金屬離子在晶圓表面被還原成金屬。

▲ 圖1：光刻膠的成分和作用（? HANOL出版社） 根據(jù)光照的反應(yīng)原理，光刻膠可分為正性光刻膠（Positive PR）和負(fù)性光刻膠（Negative PR）。對于正性光刻膠，曝光區(qū)域會發(fā)生降解反應(yīng)，導(dǎo)致鍵合減弱；而未曝光區(qū)域則會發(fā)生交聯(lián)（Cross-linking）2反應(yīng)，使鍵合增強(qiáng)。因此，被曝光部分在顯影過程中會被去除。然而對于負(fù)性光刻膠，曝光部分會產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)并硬化，從而被完整保留下來；未曝光部分則被去除。負(fù)性光刻膠的粘度通常高于正性光刻膠，旋涂過程中的涂覆厚度更厚，因而通常被用于形成較高的焊接凸點（Solder Bump）。而正性光刻膠則至少需要涂覆兩次。 光刻過程中所使用的光源可根據(jù)波長進(jìn)行分類，波長以納米（nm）為單位。對于細(xì)微化（Scaling）的半導(dǎo)體而言，在光刻過程中通常采用波長較短的光源，以增強(qiáng)光刻效果，從而形成更精細(xì)的電路圖案。因此，光敏化合物（PAC）用于制作曝光波長較長的g線（g-line）3光刻膠和i線（i-line）?光刻膠。而化學(xué)放大型抗蝕劑（CAR）?則用于制作曝光波長較短的光刻膠。晶圓級封裝通常使用i線步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper）?。 2交聯(lián)（Cross-link）：通過化學(xué)鍵將聚合物鏈連接在一起的化學(xué)反應(yīng)。
3g線（g-line）：在汞光譜中，一條對應(yīng)波長約為436納米的譜線。
?i線（i-line）：在汞光譜中，一條對應(yīng)波長約為356納米的譜線。
?化學(xué)放大型抗蝕劑（CAR）：一種用于提高光刻膠材料光敏性的抗蝕劑。
?步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper）：用于曝光晶圓的設(shè)備。不同類型的設(shè)備用于不同精度晶圓的曝光，具體取決于對應(yīng)的光源類型。

電鍍液：由金屬離子、酸和添加劑組成，用于可控電鍍工藝

電鍍液（Plating Solution）是一種在電鍍過程中使用的溶液，由金屬離子、酸和添加劑組成。其中，金屬離子是電鍍過程中的待鍍物質(zhì)；酸作為溶劑，用于溶解溶液中的金屬離子；多種添加劑用于增強(qiáng)電鍍液和鍍層的性能?？捎糜陔婂兊慕饘俨牧习ㄦ?、金、銅、錫和錫銀合金，這些金屬以離子的形式存在于電鍍液中。常見的酸性溶劑包括硫酸（Sulfuric Acid）和甲磺酸（Methanesulfonic Acid）。添加劑包括整平劑（Leveler）和細(xì)化劑（Grain Refiner），其中，整平劑用于防止材料堆積，提高電鍍層平整性；而晶粒細(xì)化劑則可以防止電鍍晶粒的橫向生長，使晶粒變得更加細(xì)小。

▲ 圖2：電鍍液中添加劑的作用（? HANOL出版社）

光刻膠剝離液（PR Stripper）：使用溶劑完全去除光刻膠

電鍍工藝完成后，需使用光刻膠剝離液去除光刻膠，同時注意避免對晶圓造成化學(xué)性損傷或產(chǎn)生殘留物。圖3展示了光刻膠去膠工藝的過程。首先，當(dāng)光刻膠剝離液與光刻膠表面接觸時，兩者會發(fā)生反應(yīng)，使光刻膠膨脹；接下來，堿性剝離液開始分解并溶解膨脹的光刻膠。

▲ 圖3：光刻膠剝離液的去膠工序（? HANOL出版社）

刻蝕劑：使用酸、過氧化氫等材料精確溶解金屬

晶圓級封裝需要通過濺射（Sputtering）?工藝形成籽晶層（Seed Layer），即通過濺射或蒸餾的方式形成的一層用于電鍍的薄金屬。電鍍和光刻膠去膠工序完成后，需使用酸性刻蝕劑來溶解籽晶層。 ?濺射（Sputtering）：一種用高能離子轟擊金屬靶材，使噴射出來的金屬離子沉積到晶圓表面的物理氣相沉積工藝。

圖4展示了刻蝕劑的主要成分和作用。根據(jù)不同的待溶解金屬，可選用不同刻蝕劑，如銅刻蝕劑、鈦刻蝕劑、銀刻蝕劑等。此類刻蝕劑應(yīng)具有刻蝕選擇性——在有選擇性地溶解特定金屬時，不會溶解或僅少量溶解其它金屬；刻蝕劑還應(yīng)具備較高的刻蝕速率，以提高制程效率；同時還應(yīng)具備制程的均勻性，使其能夠均勻地溶解晶圓上不同位置的金屬。

▲ 圖4：刻蝕劑的主要成分和作用（? HANOL出版社）

濺射靶材：將金屬沉積于基板上

濺射靶材是一種在物理氣相沉積（PVD）?過程中，采用濺射工藝在晶圓表面沉積金屬薄膜時使用的材料。圖5展示了靶材的制造工序。首先，使用與待濺射金屬層成分相同的原材料制成柱體；然后經(jīng)過鍛造、壓制、和熱處理最終形成靶材。

?物理氣相沉積（PVD）：一種采用物理方法將材料分離并沉積在特定表面的薄膜沉積工藝。▲ 圖5：濺射靶材的制作工序（? HANOL出版社）

底部填充：使用環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）、膠和薄膜填充孔洞，實現(xiàn)接縫保護(hù) 與倒片鍵合（Flip Chip Bonding）相同，通過填充基板與芯片間的空隙、或以凸點鏈接的芯片與芯片之間的空隙，底部填充增強(qiáng)了接合處的可靠性。用于填充凸點之間空間的底部填充工藝分為后填充（Post-Filling）和預(yù)填充（Pre-applied Underfill）兩種。后填充是指完成倒片鍵合之后填充凸點之間的空間，而預(yù)填充則是指在完成倒片鍵合之前進(jìn)行填充。此外，后填充可進(jìn)一步細(xì)分為毛細(xì)管?底部填充（Capillary Underfill, CUF）和模塑底部填充（Molded Underfill, MUF）。完成倒片鍵合之后，采用毛細(xì)管底部填充工藝，利用毛細(xì)管在芯片側(cè)面注入底部填充材料來填充凸點間隙，此種工藝增加了芯片和基板之間的間隙內(nèi)表面張力。而模塑底部填充則是在模塑過程中使用環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）作為底部填充材料，從而簡化工序。 ?毛細(xì)管（Capillary）：一種用于將液體封裝材料輸送到半導(dǎo)體封裝體的極細(xì)管材。

在預(yù)填充過程中，芯片級封裝和晶圓級封裝采用的填充方法也有所不同。對于芯片級封裝，會根據(jù)接合處的填充物，如非導(dǎo)電膠（NCP）或非導(dǎo)電膜（NCF），根據(jù)不同的填充物，其采用的工藝和材料也不盡不同；而對于晶圓級封裝，非導(dǎo)電膜則被作為底部填充的主材。圖6說明了不同類型的底部填充材料和相關(guān)工序。

▲ 圖6：不同類型的底部填充工藝（? HANOL出版社）

在倒片封裝和硅通孔（TSV）型芯片堆疊工藝中，底部填充材料是保證接合處可靠性的關(guān)鍵組成部分。因此，相關(guān)材料需滿足腔體填充、界面粘附、熱膨脹系數(shù)（CTE）1?、熱導(dǎo)性和熱阻性等等方面的特定要求。 1?熱膨脹系數(shù)（CTE）：一種材料屬性，用于表示材料在受熱情況下的膨脹程度。

晶圓承載系統(tǒng)：使用載片、臨時鍵合膠（TBA）、承載薄膜（Mounting tape）實現(xiàn)封裝組裝

晶圓承載系統(tǒng)工藝需充分支持薄晶圓載片和臨時鍵合膠等相關(guān)工序。載片脫粘后，需使用承載薄膜將正面和背面已形成凸點的薄晶圓固定在環(huán)形框架上。 在晶圓承載系統(tǒng)所使用的材料中，臨時鍵合膠尤為重要。在鍵合晶圓與載片形成硅通孔封裝時，臨時鍵合膠必須在晶圓背面加工過程中保持較強(qiáng)的黏附力， 以防止晶圓上的凸點等受損。此外，需確保不會出現(xiàn)排氣（Outgassing）11、空隙（Voids）12、分層（Delamination）13和溢出——鍵合過程中粘合劑從晶圓側(cè)面滲出等現(xiàn)象。最后，載體還必須具備熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性，在保證載片易于去除的同時，確保不會留下任何殘留物。

11排氣（Outgassing）：氣體從液體或固體物質(zhì)中釋放出來。如果這種氣體凝結(jié)在半導(dǎo)體器件表面，并對器件性能產(chǎn)生影響，則會導(dǎo)致半導(dǎo)體器件存在缺陷。

12空隙（Voids）：因氣泡的存在，在材料內(nèi)部形成的空隙，有可能在高溫工藝或脫粘過程中會膨脹，增加使器件發(fā)生損壞或故障的風(fēng)險。

13分層（Delamination）：半導(dǎo)體封裝中兩個相連的表面互相分離的現(xiàn)象。 盡管首選材料為硅載片，但玻璃載片的使用頻率也很高。尤其是在脫粘過程中使用激光等光源的工藝時，必需使用玻璃載片。

通過這些關(guān)于傳統(tǒng)封裝和晶圓級封裝所需材料的文章介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，材料的類型和質(zhì)量需不斷與時俱進(jìn)，以滿足半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展需求。

來源：未來半導(dǎo)體

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審核編輯 黃宇