作者：Ramachandran K. Trichur, Rama Puligadda, Tony D. Flaim;  Brewer Science, Inc.

半导体行业正处于一个新的时代，在过去数年，集成电路的发展一直以摩尔定律为指导原则。但是将来的器件发展，将能更快实现缩减成本和性能改进。7 纳米以下节点的扩展成本正在大幅上升，下一代光刻解决方案需要大量的资本设备投资和研发成本。由于消费电子产品、移动设备、云计算、汽车以及各种其他应用领域所需产品和服务的显著进步，对于更高性能、更小外形、更密集集成和更低成本器件的需求不断增加。半导体行业在不断推进集成电路扩展的同时，也转向采用先进的封装技术提高性能和集成度，并降低成本。

异质集成（heterogeneous integration）的挑战之一是弥合裸片级（die level）封装与板级（board level）封装的可用 I/O 差距。裸片级封装方面，随着 I/O 密度的增加，芯片尺寸在不断缩小，因此需要创新型的封装技术，以将芯片与高 I/O 密度板连接。各类日新月异的封装技术在设备异质集成中扮演着重要角色，其中扇出型晶圆 (WLFO) 封装技术在众多新兴工艺中成为主导。WLFO 工艺已商用多年，其采用简单的单芯片设计，重组晶圆一侧的单个再分布层（RDL），使厚重构晶圆轮廓上的硅区域稀疏，从而使原本较厚的封装更薄。

最近，为解决最终用户的性能、集成和外形需求，扇出型封装的设计和工艺复杂性不断增加（其中涉及多芯片封装、集成无源器件、多 RDL 层以及 3D 扇出型封装），同时 x、y 和 z 方向的封装尺寸也不断减少。随着芯片尺寸、工艺复杂性、封装复杂性的不断增加，产量成为扇出型封装工艺的关键要素。传统的扇出型工艺采用“先芯片/后 RDL”的方法，采用良好芯片模具构建重构晶圆，然后在重构晶圆的顶部堆积 RDL。随着重构晶圆和 RDL 的复杂性不断增加，当良好芯片 (KGD) 位于不良 RDL 位置时，该工艺易受 RDL 层产量损失的影响。产量损失可能由几项因素造成：模移、热膨胀不匹配、光刻对准不良等。其在封装过程中造成大量 KGD 损失。

为避免封装期间的 KGD 损失，开发出“先 RDL/后芯片”封装工艺，即先将 RDL 置于载体晶圆，然后将 KGD 置于已知良好 RDL 位置顶部，从而避免 KGD 损失。该“先 RDL/后芯片”工艺还可为 RDL 提供其他更细化线/尺寸空间优点，为更密集的设备集成提供复杂路由。本文中，我们向您介绍牺牲激光脱模材料，该材料通过解决工艺中遇到的部分关键挑战，支持 RDL 优先扇出型封装的开发。

FOWLP 技术

如上述，扇出型晶圆封装 (FOWLP) 技术大致分为两种工艺类型，即先芯片/后 RDL 扇出型和先 RDL/后芯片扇出型。两种工艺路径中的高级集成方案都需要使用临时粘合材料的载体辅助工艺。

先芯片/后 RDL FOWLP

先芯片扇出型工艺采用晶圆重构工艺，在该工艺过程中，选取来自原始设备晶圆的已知优质芯片，并将其放置到基材上，然后用环氧树脂成型化合物包覆成型并固化，以形成被称为重构晶圆的异质高应力基材。如果重构晶圆厚度少于 350 微米，由于内部应力较大，因此晶圆出现严重弯曲，而高温临时粘接材料可通过工艺流程 [1] 支持重构晶圆，以减少弯曲，以在 RDL 构建期间的光刻校准时，减少设备的处置问题和注册错误。

图 1. 显示先芯片工艺（使用载体辅助方法）两种主要方法的通用工艺流程。
(A) 重构晶圆处置以及 (B) 创建工艺和处置。虚线框区域显示了临时粘合材料在该工艺中的作用。

先芯片工艺流程包含两种通用工艺路线，即重构晶圆处置和创建工艺及处置。图 1 所示为两种工艺路线的一般流程示意图。两种路线的主要差异在于重构晶圆重建。在工艺路线 A ，即重构晶圆处置中，将晶圆置于独立载体，然后转至涂有高温临时粘合材料的第 2 载体，以及后续 RDL 创建和装配的玻璃层。在工艺路线 B，即芯片装配、重构、RDL 创建和装配工艺发生的场所是涂有高温兼容临时粘合材料的单独载体和脱模层。

用于芯片优先类工艺的主要临时粘合材料问题包括翘曲控制、模移、温度稳定性等，这些已在以前的出版物中陈述[2]。先芯片扇出型工艺现已大量使用，其越来越多地用于支持移动电子应用。

先 RDL/后芯片 FOWLP

图 2 所示为先 RDL FOWLP 工艺示意图。据此，RDL 层的工艺以及芯片粘结工艺在涂有牺牲脱模层的临时载体上完成。通常，玻璃载体涂有脱模层，然后完成一系列工艺步骤，以创建 RDL 层。重复这些步骤多次，以创建多层 RDL 结构。RDL 工艺完成后，晶圆先经装配工艺步骤（芯片粘结、成型和模具研磨）处理，而后载体脱模。先 RDL 工艺的首选晶圆级封装载体脱模方法采用激光脱模机制。许多代工厂和 OSAT 正在开发该工艺，以用于晶圆级封装和面板级封装的高级集成。

图 2. 先 RDL/后芯片工艺流程示意图 虚线框区域显示了临时粘合材料在该工艺中的作用。

先 RDL 工艺牺牲脱模材料的关键要求

载体上涂有牺牲激光脱模层，随后的再分布层操作、芯片装配、组装和成型工艺均在该层进行。该材料用作构建所有其他层的基础材料，而非用于单一的粘合剂层或脱模层功能。与先芯片工艺相比，先 RDL 工艺对牺牲脱模层的要求更严格，原因是在 RDL 成型的早期阶段，脱模层的整个表面都可以处理化学品。根据具体的工艺流程，脱模层需要对金属种子层和/或聚合物介电层具有良好的粘附性。脱模层还必须具有良好的耐化学性，以抵御光刻化学品、金属蚀刻化学品和开面测试中的其他各类溶剂。并且，脱模层需要可在聚酰亚胺固化步骤中经受长时间的高温处理，并且避免在高温和高压芯片粘结工艺和环氧模制期间流动。图 3 所示为先 RDL 工艺牺牲脱模层的关键要求。务必注意：称该材料为牺牲激光脱模层没有捕捉到该材料的所有必要功能。

图 3. 先 RDL 工艺牺牲脱模层的关键要求

涂层工艺

牺牲激光脱模层必须与晶圆级和面板级涂层技术兼容。这些材料在整个基材上具有均匀的 TTV，应提供优异的涂层质量。涉及的部分风险包括针孔缺陷、去湿斑点、厚度不均匀等。该涂层的异常将对下游工艺产生不利影响。

例如，针孔缺陷和去湿斑点可能导致后续在脱模层顶部涂覆的层 - 即聚酰亚胺 （PI） 层或 PVD 金属 - 直接通过针孔和去湿斑点与载体基材接触。由于载体和金属或 PI 层间无脱模层，无法在缺陷区域完成脱模功能，因此将导致脱黏性能不佳。如果脱模层涂覆不均匀的厚度，其将影响脱模功能，并且可能影响脱模层的激光吸收能力，导致脱黏工艺中高能激光传输到有源器件表面，从而对设备造成潜在损害。

由 Brewer Science 开发的牺牲激光脱模层可与晶圆级应用的旋涂工艺、以及面板级应用中的槽模涂层工艺兼容。这些材料具有出色的均匀性，无任何缺陷，适用于涂覆至玻璃晶圆和面板。图 4 所示为使用槽模涂层工艺的牺牲脱模材料 A 和 B 面板级均匀性。

图 4. 使用槽模涂层工艺的牺牲脱模材料 A 和 B 面板级均匀性

粘附性

牺牲激光脱模材料必须对以下材料具有强大粘附性：玻璃、聚酰亚胺等有机物以及通过 PVD 工艺沉积的 Ti 和 Cu。如粘附强度不佳，则在装配流程中，将导致再分布层或内置设备基材分层。除脱模层特性外，特定的金属沉积过程对粘合强度有影响。应遵循关于金属沉积的最佳实践标准，以改善脱模层粘附性。

我们使用 ASTM-D3359 标准化的交叉影线胶带测试方法，测试我们的激光脱模材料 A 和 B 对 PVD Cu 的粘附性。图 5 所示为两种材料的 Cu 交叉影线粘附性测试结果。如粘附性不佳，则可能导致交叉影线图案创建的 Cu 正方形剥离，但是胶带测试结果显示，所有 Cu 正方形均对脱模层具有出色的粘附性。

图 5. (A) 粘附性测试的测试结构示意图 (B) 脱模材料 A 和 B 的 Cu 交叉影线粘附测试结果

热稳定性和机械稳定性

牺牲脱模层在创建流程中的关键要求包括热稳定性和机械稳定性。置于脱模层顶部的 RDL 层中，要求 1-3 小时范围内的每层固化温度超过 250℃。因此，3 层 RDL 结构可使脱模层暴露在高温工艺循环中多达 9 小时。热循环期间，脱模层不得软化或分解，必须保持刚性和稳定。

牺牲激光脱模材料 A 和 B 必须为热稳定性和机械稳定性材料。材料 A 是一种热塑性塑料，其玻璃化转变温度 (T_g) 高达 320℃，热分解温度 (T_d) 为 410℃。材料 B 是具有 270℃ 的 T_d 的热固性材料，并且在低于 T_g 的温度范围内不显示 T_d。由于材料具有上述特性，因此其在高温 PI 固化流程中不会软化或分解。

化学稳定性

该牺牲脱模层需要可承受严酷的化学条件，其多数为开面，脱模层可与部分工艺化学品直接接触，包括在 RDL 堆积期间的湿法蚀刻化学品。典型的化学品包括溶剂、金属蚀刻化学品、抗蚀剂剥离剂、电镀化学品和其他装配工艺化学品。脱模层在工艺流程中不得溶解、损失厚度，不得污染化学浴槽。耐化学性的常见研究方法是目视检查，化学品接触前后的脱模层厚度测量，以及涂覆脱模层的基材浸没前后对电镀速率或工艺浴蚀刻速率变化的测量，以检测是否有任何污染物或脱模层浸入浴槽内。

我们通过以下方法研究了脱模层的化学稳定性：在 Si 晶圆涂覆脱模层，然后将晶圆浸入化学品，然后目视检查和/或测量厚度。对于包含目视检查的测试，仅需将一半的晶圆浸没在化学品内，观察浸没区域对涂层的任何不利影响（颜色变化、粘附力损失、厚度损失等），将其与未浸没化学品的区域进行对比。图 6 所示为激光脱模材料 A 和 B 的化学品接触研究结果。表 1 所示为材料 A 的其他耐化学性研究。

图 6. 耐化学性研究 (A) 部分浸入化学浴中的晶圆示意图 (B) 暴露于化学品后涂有激光脱模材料 A 和 B 的晶圆图片

表 1. 使用激光脱模材料 A 扩展耐化学性研究

激光脱黏

激光脱黏是先 RDL 工艺的首选脱黏方法，是全置设备晶圆脱模的关键工艺。该工艺中的任何偏移或缺陷都可能导致成本高昂的晶圆器件损失。激光脱黏工艺的重点是对晶圆器件无损坏，实现最小残留物的脱黏工艺。文献表明，在紫外线激光脱黏时，消融的主要原因是有机激光脱模材料的光化学分解，而非使用较长波长激光源在消融中发生的光热分解。牺牲激光脱模层可吸收紫外激光，并通过化学解离，从器件晶圆脱模载体。光化学消融工艺可减小对器件晶圆的热影响，消融发生在载体和激光脱模材料的接口处。Brewer Science 开发的牺牲激光脱模材料可与市场上所有常用晶圆和面板脱黏紫外激光脱黏工具（308 纳米、343 纳米、355 纳米）兼容。图 7 所示为使用 355 纳米激光波长的材料 A 和 B 的脱黏结果。

图 7. 使用 355 纳米激光源的激光脱模材料 A 和 B 的脱黏

脱黏后清洁

激光脱黏工艺完成后，必须清洁晶圆器件的所有脱模层残留。材料 A 为热塑性脱模层，可与溶剂清洁工艺和等离子清洁工艺兼容。材料 B 为热固性脱模层，可与等离子清洁工艺兼容。脱黏清洁工艺的重点是：通过具有成本效益的短期清洁程序，完全移除残留物。

我们使用平行板等离子蚀刻机清洁材料 A 和 B 的激光脱黏残留物。表 3 所示为等离子清洁配方。两种材料都易于通过氧等离子体清洁。材料 A 还可以使用 MP 或二氧戊环作为清洁溶剂，采用旋转或喷雾清洁工具清洁。

表 3 .激光脱模材料 A 和 B 的等离子清洁配方

总结

根据上述先 RDL 扇出型工艺要求清单可以轻易了解到，激光脱模层是实现先 RDL 工艺的关键材料之一。本文以我们最新的脱模材料 A 和 B 为示例，但是我们也开发了部分其他配方和厚度的变体，以满足单独的客户和工艺流程需求。此类材料变体用于在我们的合作伙伴处演示我们的全流程先 RDL 工艺流程，该全流程工艺的结果也已在最近发布[3]。使用内置多层 RDL 的玻璃载体对晶圆级封装进行试验，随后进行芯片粘结、成型、脱黏、清洁和芯片切割。测试最终设备的电气性能，以确认激光脱黏流程中无芯片或电路损坏。

随着我们超越摩尔定律的时代，进入“摩尔加”时代，所有电子设备都集成了多种功能，用于传感、处理、数据传输、显示等。据此，异构集成和系统级封装 (SiP) 技术在满足最终用户需求方面发挥着重要作用。移动电子设备、物联网应用及其他互联服务将继续推动半导体产品的性能要求变化，而高级集成电路封装工艺将越来越可满足这些需求。作为高级材料供应商和半导体供应链的组成部分，我们很理解，材料的转型创新是维持和支持下一代电子设备发展的关键。

参考文献

1.   J. Campos et al, “Temporary wafer carrier solutions for thin FOWLP and eWLB-based PoP”, Chip Scale Review, Jan-Feb, 2016.

2.  Ramachandran K. Trichur et al, “Process Challenges for Temporary Bonding Materials used in Advanced Fan-Out Device Packaging”. Chip Scale Review, Jul-Aug, 2017.

3.  Wei-Wei Shen et al, "Process Development and Material Characteristics of TSV-Less Interconnection Technology for FOWLP," 67th Electronic Components and Technology Conference; May 30 – June 2, 2017; Florida, USA.

作者简介

Ramachandran K. Trichur 获得了辛辛那提大学电气工程专业的硕士学位以及巴拉迪大学电气工程学士学位，目前是 Brewer Science Inc. 的业务开发总监，电子邮件：rtrichur@brewerscience.com

Rama Puligadda 获得了辛辛那提大学电气工程专业的硕士学位，以及印度理工学院化学及高分子科学与技术学士学位，目前是 Brewer Science, Inc. 高级技术研发执行总监。

Tony D. Flaim 获得了苏里大学罗拉分校的物理化学专业博士学位，密苏里大学哥伦比亚分校医学预科学士学位，目前是 Brewer Science, Inc. 的首席技术官。