晶圓塗佈於封裝應用上的進展
Steve Watkin, Neil Short, Clive Ashmore, DEK International
對於持續降低半導體封裝總厚度的需求正自各種運用層面湧入，最特別的是記憶晶片銷售業者正尋求增加密度以符合積極的價格－效能發展藍圖。可攜式記憶體技術則正在尋求一個可展現出總剖面厚度為1.0毫米以及小於1.0毫米的記憶體封裝技術。來自世界DRAM市場的壓力正促使晶片堆疊式元件封裝技術逐漸被採用，此方式是將多顆晶片裝入表面黏著封裝形式，此技術早已被建立，例如細節距的球狀閘陣列封裝就是採用此方式。
對所有的封裝層級而言，諸如薄核基材以及晶背研磨等新的技術，皆有助於滿足最新的封裝剖面厚度目標，這些技術可降低晶圓厚度至大約100微米。伴隨著這些進步，在晶圓層級的塗佈程序表現也必須加以改良以達到節省膠層厚度。這些包括以環氧樹脂底填或是晶片黏著層的塗佈，晶圓背側保護材料的塗佈，或是諸如B階段環氧樹脂或玻璃介質等晶圓接合介質的塗佈。在烘烤之後，一般B階段環氧樹脂的塗佈需要的最大厚度達30微米，此厚度可以用50微米的濕式沉積來達成。
除此之外，還有另一種壓力是在平坦度上要做到更精密的程度，以及有更高的表面處理標準。設備銷售商與封裝專業廠商也必須達到高產率與高再現性表現，才能在客戶價格端實現規模經濟與滿足全球性成長需求。
平坦度與共面性
晶圓製程廠對誤差容忍度的要求需達到六個標準差的再現性，以維持後續晶圓接線製程期間或是單一元件化後晶片黏合時的產出。在接線或是晶片黏合階段，熱壓縮法經常被用來進行整個B階段晶片黏合環氧樹脂的烘烤，或是進行熔化玻璃介質接合材。此過程一般需使整體厚度變化範圍在7微米以內，才能避免晶片受到傷害。若是無法達到此容忍度的範圍，將使得諸如裂痕或過應力的缺陷增加，而導致元件中潛伏著錯誤的危機。
表面處理
當塗佈的厚度持續地降低，塗佈的表面處理細項需求變得格外重要。例如在堆疊式晶片的裝配製程中，B階段環氧樹脂層便具有接合與晶片保護的功能。並且需要一個高品質、低粗糙度的表面處理程序，以避免在環氧樹脂與晶圓邊界間存有空氣。如果在晶圓塗佈過程中受到表面高低起伏的影響使空氣陷進其中，則陷入的空氣將在後續的零組件迴時膨脹，而導致製程終端(EOL)的高元件失敗率。
先進晶圓塗佈的製程發展
以濕式的環氧樹脂覆蓋晶圓背側時，會利用到旋轉塗佈的方式，由晶圓中央進行液狀黏劑的分佈。不過，以印刷機為主的製程對於沉積50±5微米的厚度已能達成六個標準差的再現性，故可將其裝設在設備上，類似線上網印機應用於高容積表面黏著的裝配上一樣。印刷機為主的晶圓背側塗佈不但能達成高產出，並且此平台也能被重分配於其他晶片規模的裝配程序中－錫球附著、以銲膏製作晶圓凸塊，或是上覆式膜成形程序。圖二顯示印刷機與自動化晶圓裝載/卸載設備整合的方式。
為了晶圓塗佈發展網印製程時，必須滿足厚度、平坦度與表面處理上規範的目標，其設計基本上會受到材料性質影響。根據材料的觸變特性，以細織的聚酯或不鏽鋼網格所製作的精準乳膠網便能達成在低沉積厚度上小於10﹪的總厚度變異。然而，使用某些材料會讓沉積表面在離網後仍保留網格的圖案。尤其是針對非常薄的沉積層時，例如堆疊晶片上的應用，此現象特別明顯。根據其應用情形，此狀況也許可被接受，並且後續的晶片配置與以熱壓進行的最終烘烤B階段黏著劑可能去除掉此表面形貌的變異影響。
在另一方面，外側的表面處理為了緊接著要進行的程序需要有所限制，因此需要不同的技巧來達成。例如，用於與適當的刮除工具結合的細織金屬模板可達成更平滑的表面處理。然而，還是需要大的模板孔徑來塗佈晶圓至標準300毫米尺寸(如圖三)。
為了使用大孔徑的模板進行網印就需要專門的設備。因為大孔徑製程的刮除工具特別容易在印刷介質上挖出洞來。在印刷期間當刮除工具收縮，會在所沉積的環氧樹脂上產生凹形表面。尤其用於晶圓層級製程中的低沉積厚度時，此效應會特別明顯。
為了對抗這些效應，用於晶圓層級印刷中諸如使用玻璃介質以及B階段環氧樹脂的超低厚度沉積，必須採用新形狀、輪廓和製作技術的刮除工具。傳統上針對表面黏著預置的刮除工具，其外觀為方形邊緣，在模板表面會呈現出尖利的輪廓。改變刮除工具作用的角度便會影響整個製程情況，舉例來說就像允許網印速度設定更寬的範圍。在降低這些挖洞效應的新興技術之間，初始的目標便是要能增加刮除工具的硬度，以避免刀片邊緣垂入孔徑中。
聚焦於刮除的表現
已有研究專注於開發適當的刮除工具材料性質，以及決定最適當的刮除工具形狀，以使印刷期間刮刀的偏斜能最小；從而有效地消除晶圓層級印刷的挖洞挑戰。例如，一個具有潔淨室等級、未氧化的不繡鋼材製成的刮除工具已經被使用，其擁有比用於傳統表面黏著印刷的刮具更堅硬的特性。此外，刮除工具形貌的實驗成果顯示應採用圓形邊緣的刮刀。
表面預處理對於在已印刷的環氧樹脂上達成高表面效果也有重要的影響。例如，需要使用一連串的平坦與拋光技術來產生一個能完成環氧樹脂平滑塗佈的刮除工具，以滿足先進封裝中對總厚度變異的迫切需求。
然而，刮除工具發展的新方法已經成為其本身的挑戰。刮除工具的動作會在已沉積的環氧樹脂中產生彎曲的波形，而在沉積表面留下波紋。在某些案例中，這些紋路總高度足以使塗佈程序在表面處理與平坦度上偏離特定的容忍度範圍。為了能完全地找出總厚度變異、表面處理、印刷速度，以及刮除工具形貌之間的特性關係，進一步的刮除工具研究仍持續進行中。若這些研究能成功，將使晶圓在使用適當材料塗佈下，其厚度能有效地降低到50微米以下。
晶圓支撐系統對量產之影響
當使用大量的沉積製程時，晶圓支撐系統對於符合六個標準差的正確性與再現性需求變得十分關鍵。
實驗性的晶圓托板已被用於實驗室的計畫中以發展出晶圓層級的印刷製程，並且也証實此製程能用於可撓性基質上以精確地沉積，這包括了燃料電池之交換膜。當使用低於100微米規格的晶圓進行製程時，這些技術提供了一個測試平台來完成表面板的平坦度，並保證適用與可重複的共面性。為了應用真空技術於印刷期間固定住晶圓，各種不同的方法皆已被研究。
在生產環境中為了達成精確晶圓塗佈的高速沉積，便需要一個質量輕、成本低的晶圓支撐方法。例如，機械化的鋁製托板便具有低質量，且在網印機內易於擺放與對準，並能快速且符合成本效益地被生產。在另一方面，進階的研發持續進行著正確性的改善，以及強度和耐久性的最大化。目前的研究方法包含在不削弱表面性質與托板堅硬度的情況下，期使機械加工技術能最適化地創造出真空通道(如圖四)。
非鈍化側塗佈
在晶圓的非鈍化側上沉積上覆式膜，雖然並沒有迫切地需要使用薄的沉積技術，但是也成了網印製程工程師在降低沉積厚度與表面平坦性容忍度的挑戰。由於上覆式膜成型程序的所有權成本低、產出率高，因此應用此技術進行網印引起了受矚目的經濟效益評論。然而，上覆式膜的厚度需要緊密地控制，才能使最終使用者容易以高速自動化的選放設備，裝配到印刷電路板上或是其他基質上。封裝厚度中，過大的變異將導致高挑選錯誤、部份排斥，以及Z向高差的例子產生，以致於元件受到損害。
為了更容易進行元件識別與序號的雷射標記，也需要高階的表面平坦度。並且為了使裝配期間對選放噴嘴裝置有可靠的真空密封作用，也需要擁有包含了元件上方面積有盡可能大比例的高品質平坦表面。
結論
包括了底填與黏著應用的主要元件封裝製程正持續在晶圓層級上執行，以達成元件尺寸與單位成本的大幅下降。根據嚴謹地的需求事項，在尋求適當的高速、可重複製程來沉積這些薄層中，一些精準的印刷技術有助於封裝製程開發。這些提供封裝設計者與製程工程師從一些技術中做選擇以微調晶圓層級的製程，這些技術包含了精準的網格、大孔徑的模板，以及新式的高硬度刮除工具。
作者
Steve Watkin，半導體與策略應用經理；Neil Short，半導體封裝技術機械設計工程師；以及Clive Ashmore，全球應用製程工程經理。連絡處：DEK International, Granby Industrial Estate, Weymouth, Dorset DT4 9TH, UK；電話：44/1305 760760；電子郵件信箱：swatkin@dek.com、nshort@dek.com、cashmore@dek.com。
圖一：使用背側塗佈製程進行晶圓塗佈。
圖二：與自動化晶圓裝載/卸載設備整合的印刷機。