扇出型封裝發(fā)展面臨的難題

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，先進(jìn)封裝技術(shù)已進(jìn)入大量移動應(yīng)用市場，但亟需更高端的設(shè)備和更低成本的工藝制程。

更高密度的扇出型封裝正朝著具有更精細(xì)布線層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展，所有這些都需要更強(qiáng)大的光刻設(shè)備和其它制造設(shè)備。

最新的高密度扇出型封裝技術(shù)正在突破1μm線寬/間距（line/space）限制，這被認(rèn)為是行業(yè)中的里程碑。擁有這些關(guān)鍵尺寸（critical dimension，CD），扇出型技術(shù)將提供更好的性能，但是要達(dá)到并突破1μm的壁壘，還面臨著制造和成本的挑戰(zhàn)。此外，目前還只有少數(shù)客戶需要這樣先進(jìn)的封裝技術(shù)。

盡管如此，扇出型封裝在眾多市場上正變得越來越受歡迎?！耙苿釉O(shè)備仍然是低密度和高密度扇出型封裝的主要增長驅(qū)動力。”日月光（ASE）高級工程總監(jiān)John Hunt表示，“隨著我們一級和二級的扇出技術(shù)獲得認(rèn)證，汽車行業(yè)將開始加速發(fā)展。高端市場的服務(wù)器應(yīng)用也在增長?！?/p>

重布線層（Redistribution Layer，RDL）是扇出型封裝的關(guān)鍵部分。RDL是在晶圓表面沉積金屬層和介質(zhì)層并形成相應(yīng)的金屬布線圖形，來對芯片的I/O端口進(jìn)行重新布局，將其布置到新的、節(jié)距占位可更為寬松的區(qū)域。RDL采用線寬（line）和間距（space）來度量，線寬和間距分別是指金屬布線的寬度和它們之間的距離。

圖1：重布線層

扇出型技術(shù)可分成兩類：低密度和高密度。低密度扇出型封裝由大于8μm的line/space（8-8μm）的RDL組成。高密度扇出型封裝有多層RDL，CD在8-8μm及以下，主要應(yīng)用于服務(wù)器和智能手機(jī)。一般來說，5-5μm是主流的高密度技術(shù)，1-1μm及以下目前還在研發(fā)中。

“就設(shè)計(jì)規(guī)則的激進(jìn)程度而言，目前仍然有各種各樣的扇出型技術(shù)。很多產(chǎn)品都受到外形尺寸、性能以及成本等因素的影響。”Veeco全球光刻應(yīng)用副總裁Warren Flack說道，“具有較小CD的重布線層能夠減少扇出型封裝中的重布線層數(shù)。這能降低整體封裝成本并提高良率。”

成本是許多封裝廠需要考慮的因素。因?yàn)椴⒎撬锌蛻舳夹枰呙芏壬瘸鲂头庋b。挑戰(zhàn)性（非常?。〤D的扇出技術(shù)相對昂貴，僅限于高端客戶。好消息是，除了高密度扇出型封裝之外，還有其它大量低成本的封裝技術(shù)可供選擇。

然后，另一方面，客戶也正在推動封裝廠商降低其制造成本，特別是對于扇出型封裝和其它先進(jìn)封裝。在扇出型封裝中，有幾個工藝步驟，包括光刻——一種在結(jié)構(gòu)上形成細(xì)微特征圖案的方法。

在封裝領(lǐng)域，有幾種不同的光刻設(shè)備類型，例如對準(zhǔn)式曝光機(jī)、直接成像、激光燒蝕和步進(jìn)式曝光機(jī)（stepper），每項(xiàng)技術(shù)能力不同。換言之，封裝廠商可能會使用不同的設(shè)備類型進(jìn)行扇出型封裝。

什么是扇出型封裝？

扇出型封裝技術(shù)在封裝市場是較為熱門的話題。在扇出型技術(shù)中，裸片直接在晶圓上封裝。由于扇出型技術(shù)并不需要中介層（interposer)，因此比2.5D/3D封裝器件更廉價。

扇出型技術(shù)主要可以分作三種類型：芯片先裝/面朝下（chip-first/face-down）、芯片先裝/面朝上（chip-first/face-up）和芯片后裝（chip-last，有時候也被稱為RDL first）。

在chip-first/face-down工藝流程中，晶圓廠首先在晶圓上加工芯片，然后將晶圓移至封裝廠進(jìn)行芯片切割。最后，通過芯片貼裝系統(tǒng)，再將芯片放置在臨時載板上。

EMC（epoxy mold compound，環(huán)氧模塑料）被塑封在芯片和載板上，形成所謂的重構(gòu)晶圓（reconstituted wafer）。然后，在圓形重構(gòu)晶圓內(nèi)形成RDL。

在RDL制造流程中，先在襯底上沉積一層銅種子層，再在該結(jié)構(gòu)上涂布一層光刻膠，然后利用光刻設(shè)備將其圖案化。最后，電鍍系統(tǒng)將銅金屬化層沉積其中，形成最終的RDL。

RDL的CD取決于應(yīng)用。許多扇出型封裝不需要先進(jìn)RDL。在可預(yù)見的未來，5-5μm及以上的封裝仍將是主流技術(shù)。在高端領(lǐng)域，ASE正朝著1-1μm及以下的RDL進(jìn)軍。與此同時，臺積電（TSMC）也緊跟步伐，目前正在研發(fā)0.8μm和0.4μm的扇出型技術(shù)。先進(jìn)扇出型技術(shù)終將支持高帶寬存儲器（high-bandwidth memory，HBM）的封裝。

“扇出型方法有很多種。我們可以看到CD越來越小，越來越有挑戰(zhàn)性。銅柱的間距也越來越小?！盫eeco的光刻系統(tǒng)亞洲業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Y.C. Wong說道，“通常，主流的RDL仍在5-5μm及以上。目前我們可以看到也有2-2μm或3-3μm在生產(chǎn)。而現(xiàn)在1-1μm還只是處于研發(fā)狀態(tài)。當(dāng)5G真正發(fā)展起來以及隨著存儲器帶寬需求變高時，以上需求都將被驅(qū)動。這也將推動市場對2-2μm和3-3μm及以下的更多需求。”

盡管如此，所有扇出型技術(shù)仍然都面臨著挑戰(zhàn)?！吧瘸鲂头庋b的主要挑戰(zhàn)是翹曲（warpage）/晶圓彎曲（wafer bow）問題。此外，芯片放置也會影響晶圓的平整度和芯片應(yīng)力。所以芯片偏移（die shift）給光刻步驟和對準(zhǔn)帶來了挑戰(zhàn)。”Yole分析師Amandine Pizzagalli說道。

成本也是關(guān)鍵因素之一。具有挑戰(zhàn)性CD的封裝往往更昂貴。相反，CD要求低的封裝則更便宜。在任何情況下，客戶對IC封裝的價格都是敏感的。他們希望盡可能降低封裝成本。因此，他們希望封裝廠商降低制造成本。

這個故事還有另外一面。封裝客戶可能想要一款具有挑戰(zhàn)性RDL的扇出型產(chǎn)品。但是該封裝技術(shù)必須達(dá)到一定的需求量才具有研發(fā)的可能性。如果封裝需求量達(dá)不到目標(biāo)，則很難獲得回報(bào)。因此，目前來說可能還沒有動力驅(qū)動更小RDL的封裝研究。

對準(zhǔn)曝光機(jī)（Aligners）vs. 步進(jìn)式曝光機(jī)（steppers）

當(dāng)然，光刻技術(shù)在扇出型和其它封裝類型中起著關(guān)鍵作用。在晶圓廠，光刻設(shè)備被用于納米級的特征圖案，這也是至關(guān)重要的。同時，在封裝廠，光刻和其它設(shè)備被用來處理凸點(diǎn)（bump）、銅柱（copper pillar）、RDL和硅通孔（TSV），這些結(jié)構(gòu)都屬于微米級。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)表明，2019年用于封裝的光刻設(shè)備市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到1.416億美元，高于2018年的1.287億美元。Pizzagalli稱，所有的新設(shè)備采購清單中，約85%涉及步進(jìn)式曝光機(jī)，其次是掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，占比相比前者低15%。

掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)和步進(jìn)式曝光機(jī)都屬于光刻類別。為此，該工藝從光掩模版開始。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)IC或封裝，然后將其轉(zhuǎn)換成文件格式，再基于該格式開發(fā)光掩模版。

光掩模版根據(jù)給定圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)。掩模版顯影后，被運(yùn)送到晶圓廠或封裝廠。將掩模版放置在光刻設(shè)備中。該設(shè)備發(fā)射光線透過掩模版，在器件上形成圖案。

多年來，掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)一直是封裝界的主流光刻設(shè)備?！把谀?zhǔn)曝光機(jī)的工作原理是將掩膜版的全區(qū)域圖形投影到襯底上。由于投影光學(xué)器件沒有減少，掩模版必須放置在晶圓附近。因此，其分辨率被限制在約3μm line/space?！盓V Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann表示。

如今，掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)主要用于封裝、MEMS和LED（發(fā)光二極管）領(lǐng)域?！半m然在生產(chǎn)過程中很難達(dá)到3μm以下的line/space要求，但在先進(jìn)封裝中，掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)還有其它優(yōu)勢。例如，掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)在需要高強(qiáng)度和高曝光次數(shù)的凸點(diǎn)和厚抗蝕劑曝光領(lǐng)域具有性能和成本優(yōu)勢。”Uhrmann說道。

然而，對于更先進(jìn)的應(yīng)用，封裝廠則會轉(zhuǎn)向使用一種稱為步進(jìn)式曝光機(jī)的光刻系統(tǒng)。使用先進(jìn)的投影光學(xué)系統(tǒng)，步進(jìn)式曝光機(jī)的分辨率高于掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)。

步進(jìn)式曝光機(jī)可以將圖像特征以更小比例從掩模版轉(zhuǎn)移到晶圓上。不斷重復(fù)該過程，直到晶圓被加工完成。封裝領(lǐng)域步進(jìn)式曝光機(jī)的主要參與者有Canon（佳能）、Rudolph（魯?shù)婪颍?、Veeco（維易科）及其它競爭者。

對于許多應(yīng)用來說，封裝廠商選擇使用步進(jìn)式曝光機(jī)出于幾個原因?！爱?dāng)我們開始研究步進(jìn)式曝光機(jī)可以做些什么的時候，我們就可以提供一些顯著的改進(jìn)?！盫eeco公司的Flack說道，“縮小CD在過去幾年里一直是我們考慮的重要因素。步進(jìn)式曝光機(jī)也正在縮小套刻精度以匹配CD。現(xiàn)在，它必須能夠處理更多不同尺寸的襯底?！?/p>

與此同時，在晶圓廠，芯片制造商使用193nm波長的光刻系統(tǒng)來進(jìn)行特征成像。然而在封裝廠，由于特征尺寸更大，封裝廠無法使用此波長的設(shè)備。相反，他們使用的***波長更長，如436nm（g-line）、405nm（h-line）和365nm（i-line）三種波長。

在封裝過程中，一些步進(jìn)式曝光機(jī)僅具備i-line波長，而有一些則支持更多的波長。例如，Veeco推出的一種稱為寬波段步進(jìn)式曝光機(jī)，就支持三種不同波長——436nm、405nm和365nm，通常是由寬波段光譜汞燈產(chǎn)生的。

圖2：Veeco步進(jìn)式曝光機(jī)內(nèi)部構(gòu)造

對于更具挑戰(zhàn)性的CD，該步進(jìn)式曝光機(jī)可被調(diào)整為支持“僅i-line”模式，用于處理1-1μm的特征圖形。此外，該設(shè)備還支持“ghi”模式，處理2-2μm及以上的應(yīng)用。

步進(jìn)式曝光機(jī)可用于一系列IC封裝中，包括扇出型封裝。在扇出型封裝中，光刻設(shè)備有助于完成RDL。

這些系統(tǒng)還必須處理芯片偏移問題。如上文所述，當(dāng)芯片嵌入重構(gòu)晶圓中時，它們會隨著制程發(fā)生移動，造成芯片偏移，從而影響良率。

為了解決這個問題，業(yè)界正在開發(fā)具有更好對準(zhǔn)技術(shù)的光刻設(shè)備，以補(bǔ)償芯片偏移。“有兩種方法可以解決這個問題。從光刻的角度來看，你可以盡可能多地修正它、可以調(diào)整晶圓上的刻度、可以調(diào)整放大率等。但這是假設(shè)所有芯片都以同樣的方式移動的情況下。如果偏移是隨機(jī)的，那么幾乎不可能糾正這種情況?！盫eeco的Flack說，“對于高端應(yīng)用，我們需要努力確保芯片不會偏移。在某些情況下，可以通過放置和對準(zhǔn)芯片的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。”

芯片偏移仍然是所有扇出技術(shù)持續(xù)存在的挑戰(zhàn)。另一挑戰(zhàn)是制備RDL。在5-5μm范圍內(nèi)通過RDL進(jìn)行扇出封裝幾乎沒有或完全沒有問題。甚至在2-2μm范圍內(nèi)的RDL也在生產(chǎn)中。

隨著扇出型封裝不斷向1-1μm及以下發(fā)展，挑戰(zhàn)越來越大。目前能解決此問題的訣竅是以高良率制備更精細(xì)的RDL。

目前該行業(yè)已經(jīng)可以達(dá)到1-1μm的分辨率。例如，Veeco在步進(jìn)式曝光機(jī)中使用“僅i-line”模式，顯示分辨率為1-1μm。步進(jìn)式曝光機(jī)具有可變數(shù)值孔徑（numerical aperture，NA）物鏡和1X掩模板。

然而盡管如此，還是存在一些挑戰(zhàn)。根據(jù)Veeco和Imec最新的論文中所述，在制備RDL過程中，必須保證銅足夠厚，以降低金屬線的電阻。因此，光刻膠的縱橫比必須最大化。根據(jù)該論文，這需要具有較大焦深的光刻設(shè)備來處理扇出技術(shù)出現(xiàn)的高度變化。

同時，有些公司提供“僅i-line”系統(tǒng)。例如，佳能最新的i-line設(shè)備采用孔徑為0.24的物鏡，確保分辨率≤0.8μm。

“領(lǐng)先的1μm先進(jìn)封裝工藝需要使用化學(xué)放大原理的光刻膠，由于其光致酸產(chǎn)生劑的特性，僅對i-line波長敏感。因此，它需要i-line曝光光源來實(shí)現(xiàn)小于1μm的分辨率?！奔涯艿臓I銷經(jīng)理Doug Shelton說道，“要求寬波段曝光的客戶將使用成熟的DNQ光刻膠來對準(zhǔn)粗糙的圖案層，這些光刻膠對i-line和h-line波長敏感，而對g-line波長不敏感。對于那些挑戰(zhàn)性較小的應(yīng)用，我們可以利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以選擇允許寬波段i/h-line曝光，以提高粗加工的產(chǎn)出量。”

因此，使用當(dāng)今的技術(shù)將RDL突破1μm是有可能的，但目前尚不確定。這也是封裝行業(yè)一直在爭論的話題。然而，不管步進(jìn)式曝光機(jī)的波長類型，突破1-1μm都存在一些挑戰(zhàn)。光刻設(shè)備當(dāng)然是有能力達(dá)到的，但目前的RDL流程還存在其它問題。

“當(dāng)降到1-1μm以下時，會遇到其它與光刻無關(guān)的問題，這將限制其被采用的速度。”Veeco公司的Flack說道，“只要種子層占銅線寬度的一小部分，它就能很好地工作。當(dāng)小于1μm時，種子層占線寬的比例增加，就會出現(xiàn)低良問題?！?/p>

簡而言之，傳統(tǒng)的RDL工藝是突破1-1μm的潛在障礙。“在這一點(diǎn)上的轉(zhuǎn)變，將是行業(yè)面臨的真正挑戰(zhàn)?！盕lack表示。

因此，該行業(yè)同時也在研究其它工藝流程，如雙大馬士革工藝（dual damascene）。多年來，芯片制造商一直使用雙大馬士革工藝來實(shí)現(xiàn)晶圓廠后道工藝（backend-of-the-line，BEOL）中芯片的銅互連。

在雙大馬士革工藝中，BEOL和封裝的工藝步驟類似。在封裝中，絕緣層沉積在襯底上。然后，對溝槽進(jìn)行圖案化和刻蝕，并用銅填充溝槽。

對于封裝來說，雙大馬士革工藝是可行的，可以將RDL降到1-1μm及以下?！斑@項(xiàng)工藝很好，但價格昂貴。有技術(shù)解決方案，但成本效益可能不高?！盕lack說。

臺積電（TSMC）目前也在探索雙大馬士革工藝，但對大多數(shù)廠商來說，價格太昂貴了。因此，該行業(yè)還需在此“競技場”上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的突破。

激光成像、燒蝕等光刻技術(shù)

激光直接成像（laser direct imaging）是另一種用于封裝的光刻技術(shù)。激光成像類似于直寫或無掩模（maskless）光刻。它不需要直接使用掩模版就能實(shí)現(xiàn)在芯片上進(jìn)行加工，因此削減了封裝成本。

奧寶科技（Orbotech）和迪恩士（Screen）是激光直接成像系統(tǒng)的供應(yīng)商。據(jù)消息稱，另一家公司Deca也開發(fā)了具有專利的激光直寫技術(shù)。

激光成像可以解決扇出型封裝中的芯片偏移問題。如上所述，第一步是構(gòu)建重構(gòu)晶圓。然后，使用芯片貼裝系統(tǒng)將芯片放置在晶圓上。

“問題就出現(xiàn)在這里。當(dāng)你把芯片放在上面時，芯片彼此之間并不完美。很難將芯片精確地保持在我們想要的微米范圍內(nèi)。”Deca首席技術(shù)官Tim Olson表示。

Deca公司的“自適應(yīng)圖案化（Adaptive Patterning）”技術(shù)則是解決芯片偏移的一種方法。ASE是Deca的投資者，正在基于這種圖案化技術(shù)生產(chǎn)M系列扇出型產(chǎn)品。

圖3：M系列扇出型封裝與傳統(tǒng)eWLB扇出型封裝的對比

Deca的技術(shù)包括四個模塊的工藝流程——晶圓準(zhǔn)備、拼板、扇出和檢查。它支持研發(fā)具有更精細(xì)的RDL的5-5μm多層扇出型封裝。

在晶圓準(zhǔn)備過程中，可在芯片上電鍍銅。然后，在拼板步驟中，使用高速系統(tǒng)以每小時28000顆芯片的速度將芯片放置在重構(gòu)晶圓中。相比之下，傳統(tǒng)的芯片貼裝系統(tǒng)每小時只能完成2000多顆芯片。

然后，通過使用檢查技術(shù)來測量晶圓上每個芯片的實(shí)際位置。Olson解釋道:“芯片測量檢查是拼板加工過程中的最后一步，用于制造過程中每個拼板的實(shí)時設(shè)計(jì)?！?/p>

然后，RDL以芯片先裝/面朝下的流程開發(fā)。在曝光步驟期間，系統(tǒng)重新計(jì)算RDL圖案以適應(yīng)每片晶圓中的每顆芯片偏移。這個過程只需要28秒。總產(chǎn)出量為每小時120片晶圓。

“自適應(yīng)圖案化是一種系統(tǒng)，旨在自動補(bǔ)償制造過程中的自然變量，而不是專注于消除所有變量?！監(jiān)lson說道，“在典型的應(yīng)用中，通過芯片貼裝、注塑和其它工藝步驟，允許芯片在‘X’軸和‘Y’軸上的變量高達(dá)60μm。自適應(yīng)圖案化通過制造中的實(shí)時設(shè)計(jì)自動消除了97%的變量，實(shí)現(xiàn)了2μm以下的有效互連公差。目前我們正在開發(fā)中的下一代自適應(yīng)圖案化技術(shù)將支持2μm的特性，尺寸將縮小為0.8μm?！?/p>

ASE計(jì)劃在2019年或2020年使用來自Deca的相同技術(shù)，提升面板級扇出型封裝。同時，該封裝也將使用自適應(yīng)圖案化技術(shù)。

與此同時，Suss MicroTec公司也在開發(fā)一種叫做激光燒蝕（laser ablation）的干法圖案化工藝。Suss的準(zhǔn)分子燒蝕步進(jìn)式曝光機(jī)結(jié)合了基于掩模版的圖案化燒蝕。可以實(shí)現(xiàn)3μm的line/space，而2-2μm也在進(jìn)展中。

“準(zhǔn)分子激光燒蝕是利用高功率紫外（UV）準(zhǔn)分子激光源的特性直接去除材料。典型的波長是308nm、248nm和193nm?！盨uss光子系統(tǒng)總裁兼總經(jīng)理Markus Arendt說道，“準(zhǔn)分子燒蝕瞬間將相容的目標(biāo)材料（即聚合物、有機(jī)電介質(zhì)）從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)和副產(chǎn)物（即亞微米干碳顆粒），從而產(chǎn)生很少甚至沒有熱影響區(qū)以及更少的碎片。”

通過使用該技術(shù)，Suss一直專注于晶圓級工藝。此外，他還研發(fā)了雙大馬士革工藝RDL流程及其它技術(shù)。

“我們的產(chǎn)品路線圖包括許多新項(xiàng)目?！盇rendt說，“然而，最值得注意的兩個問題是：（1）新的大視場、高NA投影物鏡，可在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)2μm的line/space；（2）雙激光版本，可實(shí)現(xiàn)更大的掃描光束，從而顯著提高產(chǎn)出量并降低購入成本?！?/p>

并且，Brewer Science公司正在研究另一種方法。它在注塑混合物中使用一種薄膜，就像模板一樣工作，可解決芯片偏移問題?！斑@是環(huán)氧塑封材料的替代品?！盉rewer高級技術(shù)執(zhí)行總監(jiān)Rama Puligadda說道，“你預(yù)先形成模板，然后可在那里用硅制造空腔?！?/p>

顯然，用于封裝的創(chuàng)新光刻解決方案并不缺乏。但是要突破1-1μm還需要繼續(xù)努力。即使業(yè)內(nèi)人士都知道這一點(diǎn)，但也必須滿足客戶苛刻的成本要求。這些因素都會讓這個行業(yè)忙碌一段時間。