8.28在线研讨会:红外、激光与传感光器的应用

用于超薄扇出堆叠型封装的激光剥离

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据麦姆斯咨询报道,扇出型封装(fan-out packaging)是应用于众多移动应用的成熟技术。早期的半导体封装一直是单芯片封装,为支持功能增加导致布线密度越来越大的发展趋势,要求更复杂的封装、堆叠封装(stacked packages)、系统级封装(systems inpackage),同时还要满足高性能。随着技术的发展,扇出型封装正在缩小成本与高性能之间的矛盾。无论是为满足更小尺寸的需求使晶圆变薄,实现焊料成本的节约,还是作为重新布线层(redistribution-layer,RDL)首步工艺的工艺平台,所有封装均需要临时键合(temporary bonding)。

临时键合需要键合(bonding)和剥离(debonding)两种工艺。从扇出型晶圆级封装(fan-out wafer-level packaging,FoWLP)到功率器件,每种应用在工艺温度、机械应力和热预算等方面都有独特的要求,因此确定合适的剥离技术比较困难。这里只是枚举了几个例子,实际情况更为复杂。我们将在本文中重点讨论激光剥离(laser debonding):如抗高温更兼容的材料可应用于哪些情况,激光剥离的特性适于哪些应用等。

为了控制剥离带来的热输入,紫外激光(UV lasers)常被用于剥离不同材料供应商提供的不同临时键合材料。为了确保最低的维护工作量,二极管泵浦固体激光器(diode-pumped solid-state,DPSS)可将高度工艺控制的光束整形光学(beam-shaping optics)与最低热输入相结合,不失为是一项正确的选择。

用于超薄扇出堆叠型封装的激光剥离

图1 Chipfirst扇出型晶圆级封装制造工艺流程示意图

用于超薄扇出堆叠型封装的激光剥离

图2 Chiplast扇出型晶圆级封装(又称RDL first)制造工艺流程示意图

扇出型晶圆级封装(FoWLP)中临时键合面临的挑战

FoWLP能在行业内收获巨大利益,一定程度上取决于其采用了载板(carrier),临时键合材料对化学和热兼容性的要求很高。某些聚酰亚胺符合这种严苛的环境,也适用于激光剥离。

尽管键合和剥离都是FoWLP的工艺,但两者的需求差异很大。通过观察各种应用中不同的半导体工艺,显然没有任何一种剥离工艺解决方案可与所有的半导体工艺兼容,多个解决方案是必然选择。这就是开发出的各种各样的剥离工艺(剥离技术是临时键合的特征)至今仍都在使用的原因。

主流剥离技术的比较

最常见的方法有:热滑动剥离(thermal slide-off debonding)、机械剥离(mechanical debonding)和紫外激光剥离(UV laser debonding)。这三种方法均适用于大批量生产,在工艺兼容性方面差异巨大。

热滑动剥离(thermal slide-off debonding)是一种利用热塑材料作为器件与载板晶圆(carrier wafer)之间粘合夹层(adhesive interlayer)的方法。该方法利用了热塑材料的可逆热特性,意味着在较高的温度下,该材料的粘度会下降,从而能通过简单地滑动两边的晶圆来完成剥离。热剥离的特点是根据热塑材料的温度特性,使用范围在130°C到350°C之间,因此在较高的温度下就可完成键合与剥离。温度稳定性在很大程度上取决于机械应力,我们可以观察到这是由于热塑材料在高温下具有低粘度。

机械剥离(mechanical debonding)是一种高度依赖晶圆表面特性、临时键合材料的粘附力和内聚力的方法。对于大多数材料系统,均可使用机械释放层(mechanical release layer)来实现可控剥离。机械剥离的主要特点是:可在室温下处理,且强烈依赖机械应力。由于机械剥离需要在临时键合材料与晶圆间产生低粘附力才能成功剥离;因此,在FoWLP应用中使用这种方法是有些困难的。这是因为FoWLP工艺中产生的较高应力会导致自发性的剥离,甚至在减薄工艺中也会出现,这就会导致良率的急剧下滑。

激光剥离(laser debonding)是一种通过几种不同的变量来实现剥离的技术。该方法的剥离机制依赖于:激光种类、临时键合胶,以及用于该工艺的特定释放层。红外激光剥离依靠热过程进行工作:将光吸收并转化为热能,从而在键合界面内产生高温。紫外激光剥离则通常依靠化学过程进行工作:使用光吸收的能量来破坏化学键。破坏聚合物的化学键会导致原始聚合物进行分解。分解物包括气体,就会增加键合界面的压力,因而帮助剥离。由于在剥离工艺前,临时键合胶对晶圆具有很高的粘附力,因此这种方法非常适用于FoWLP应用中。

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