宜特小學堂:如何避免先進封裝出現黏晶異常

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 26 日 12:00 | 分類 晶片 , 材料、設備 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


晶片若只有打線鋁墊(Al Pad) ,如何進行覆晶黏晶鍵合(Flip Chip Die Bonding)?

先進封裝時代,銅凸塊逐漸取代錫凸塊,特性不同,如何避免空焊或位移?」

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黏晶製程(Die Bonding)雖然只是半導體後段封裝眾多製程中的一項製程,然而隨著終端產品輕薄短小及5G時代的來臨,封裝也朝向微小化、立體化發展。那麼如何縮小尺寸,同時又能維持其特性成為重要課題。

黏晶技術最困難在於如何用各種黏晶鍵合技術Die Bonding及最少的介質,將晶粒精準固定在基板或是將晶粒堆疊到最薄,並且可以達到電性不失真及通過各項可靠度測試。

以往黏晶鍵合(Die Bonding)都以人工作業為主,不過身為半導體驗證分析的宜特科技,為了協助客戶在研發製程階段,可以順利進行各項驗證測試與實驗分析,因此在去年引進自動化黏晶(Die Bonding)設備,解決了許多人工作業無法達到的黏晶品質(閱讀更多: 自動化Die Bonding 黏晶技術, 工程樣品快速封裝無礙 )

本期宜特小學堂,宜特將分享幾種常見的黏晶鍵合技術案例。

一、晶片只有打線鋁墊(Al Pad),如何進行覆晶黏晶鍵合(Flip Chip Die Bond)

覆晶(Flip Chip,簡稱 FC)封裝在晶圓製程最後階段,通常都會遇到球下金屬層(Under Bump Metallurgy,簡稱 UBM)或重分佈製程(Redistribution Layer,簡稱 RDL)

不過,有一種情況是,IC 在設計研發階段時,為節省成本,以晶圓共乘(CyberShuttle)下線後,卻發現自家晶片回來後沒有 UBM 層或 RDL 層而無法長錫球, 導致後續無法進行驗證覆晶封裝的電性狀況。

如何解決此問題 ? 宜特快速封裝實驗室,透過在鋁墊(AI Pad)上長出金球,再焊接到基板(Substrate)上,達到晶片上只有鋁墊也可以進行打線(Wire Bond,簡稱 W/B)封裝驗證或覆晶(Flip Chip,簡稱 FC)封裝驗證(參見圖一)。

▲圖一: 宜特透過鋁墊長出金球,焊接至基板結構圖

二、小間距的覆晶封裝,從傳統的錫凸塊逐漸被銅柱凸塊取代,如何避免空焊或位移?

隨著封裝尺寸縮小,覆晶(Flip chip,簡稱 FC)封裝貼合時需要更高的對位精準度,接合凸塊(Bump)也從早期廣泛使用的錫凸塊(Solder  Ball)或稱為錫球(Solder Ball),發展到現今小於 150um 小間距的銅柱凸塊(Copper Pillar Bump)。

然而,隨著覆晶封裝接合凸塊材料的多樣性,焊接時溫度曲線控制也變得更複雜(參見圖二)。

▲圖二:隨著覆晶封裝結合凸塊材料的多樣性,在貼合時除了需要更精準的對位系統,銲接時的溫度曲線(Temperature profile)誤差範圍也較小

不同於傳統的錫球(Solder Ball)只能提供機械性、電性和被動式的散熱功能;銅柱凸塊(Copper Pillar Bump)具有良好的散熱、導電特性,亦具有低電阻、低電感、低熱阻特性,以及較佳的抗電子遷移能力,以及較微小的凸塊接點間距,滿足近年來終端產品輕薄短小的需求。

由於這些特性將增加訊號傳遞能力和可靠度,因此使用銅凸塊(Copper Pillar Bump)能開發出更複雜的封裝 IC,例如 3D IC,藉此朝功能更強大、且更微小精密的系統整合發展。

然而,銅柱凸塊(Copper Pillar Bump)間距多數小於 150 微米(um),不像錫球(Solder Ball)焊接點大,能容許較大的偏移與溫度曲線範圍,在樣品製備時期,只要使用熱風槍或加熱盤進行加熱,即可將樣品上到基板。

銅柱凸塊(Copper Pillar Bump)上的錫厚度只有 20-50 微米(um),使用熱風槍或加熱盤加熱,極容易造成空焊或位移;因此,在鍵合時,就需要有更精密的對位系統,焊接時的溫度曲線範圍也較小。

然而,研發階段這種少量多樣的銅柱凸塊覆晶黏晶鍵合(Copper Pillar Flip Chip Die Bond),多數大型封裝廠不願意協助進行,宜特為協助客戶在研發階段順利進行樣品製備,也特別開發銅柱凸塊(Copper Pillar Bump)黏晶鍵合少量多樣服務,作業流程參見圖三。

▲圖三:銅柱凸塊黏晶鍵合(Copper Pillar  Die Bond))流程

三、如何進行共金黏晶(Eutectic Die Bond)?

共金黏晶也稱為共金貼片(Eutectic Die Attach),應用在需要高散熱、高可靠度封裝黏晶製程上,例如高功率放大器、高功率 LED 等。

不同於一般使用接著劑黏晶,數量少的工程樣品可以使用人工黏晶作業,共晶黏晶過程中需要使用溫度曲線及壓力,使二種不同金屬鍵合,此部分需要有自動化設備搭配相關流程即可完成。以下分享兩種常見案例:

(一)使用預成型焊錫片(Solder Preform)黏晶(Die Bonding)

「預成型焊錫片」是將焊錫預先加工成需要的形狀尺寸。使用預成型銲錫片黏晶,需要搭配溫度曲線及壓力方能完成黏晶,但是在黏晶過程中,晶粒與基板(Substrate)間,容易因為銲錫片或基板不平整而產生間隙,造成可靠度疑慮。宜特快速封裝實驗室,建議使用 「擦洗(Scrubbing)技術」,即可將銲料產生的間隙去除,作業流程參見圖四。

▲圖四: 預成型焊錫片黏晶(Solder Preform Die Bonding)流程

 (二)晶粒倒裝後,銲墊(Pad)直接結合在基板(Substrate)上

若晶粒銲墊(Pad)的表面材質為金,一般金對鎳金結合會使用熱壓超音波(Thermosonic)製程,目的為降低作業溫度,避免作業高溫使金屬表面生成氧化物造成共金不良。 宜特快速封裝實驗室在加熱區加入惰性氣體-氮氣,使用熱壓(Thermocompression)製程溫度,可減緩高溫金屬氧化速度,並搭配溫度曲線及壓力等獨家參數,克服高溫氧化問題,後續亦可串接宜特故障分析實驗室,透過X光線(X-ray)推拉力實驗(Die Shear)確認焊接品質。作業流程參見圖五。

▲圖五: 金-鎳金(Au- NiAu)黏晶流程

 四、如何順利將晶粒挑撿到晶圓環(Die Sorting to Wafer Frame)?

同一片晶圓進行晶片切割後,需要將晶片分別出貨給不同外包商或實驗室,以往都是用人工挑揀出需求數量,並使用晶粒盒(Waffle Pack)乘載出貨。不過宜特快速封裝實驗室遇到的這一個案例,是因為外包商的設備,僅能使用晶圓環(Wafer Frame)上機,因此晶粒必須要使用晶圓環乘載出貨。

使用人工挑檢晶粒到晶圓環膠膜上最困難是放置位置及間距無法固定,宜特藉由自動化設備即可協助客戶準確的依照指定間距及排列方式,將晶粒挑揀到另一個晶圓環膠膜上(圖六),讓後續的試驗可以順利進行。

▲圖六: 晶圓環Wafer Frame上機(左圖為全視圖、右圖為放大圖)


關於宜特科技

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(圖片來源:宜特科技)