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先进封装给OSAT厂提出的新问题

发布时间:2018-10-08内容来源:互联网 点击:

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半导体制程微缩的难度日增,成本也越来越高昂,导致半导体业者必须走向超越摩尔定律(More than Moore)的道路。在这个背景下,先进封装与异质整合成为Semicon Taiwan 2018年的热门话题。然而,对封装业者(OSAT)而言,RDL First这道技术天险仍是眼前最大的障碍,必须跟设备、材料业者携手合作,才有机会早日突破。

台湾半导体业界的年度盛事--Semicon Taiwan 2018于日前圆满落幕,本届展会规模再创历届之最,展出摊位逾2,000个,吸引超过45,000位专业人士参观,聚集680家全球领导厂商,举办22场国际论坛,超过200位重量级讲师莅临演说。这也使得Semicon Taiwan正式超越Semicon Korea,成为全球第二大半导体专业展。

不过,在展览规模破纪录的同时,参展厂商跟专业研讨会主力探讨的议题,已经不再是制程微缩,而是如何用先进封装技术实现异质整合。在联电、格芯(GLOBALFOUNDRIES)先后宣布停止先进制程研发后,先进封装料将成为未来带动半导体产业发展的新引擎。

这不是说先进制程已经不重要,而是在只剩下台积电、三星(Samsung)跟英特尔(Intel)能提供更先进制程,用得起的IC设计、系统厂客户也越来越少的情况下,先进制程未来将会变成小众议题。未能留在先进制程竞技场的半导体业者,则必然要寻求其它成长动能。

扇出封装将是基本功RDL First考验OSAT

自从台积电在2016年成功将InFO推向量产以来,晶圆级扇出封装(FOWLP)就一直是封装业内最热门的技术话题之一。由于手机应用处理器是封装业者获利空间较大的产品,台积电的InFO封装技术一直让封装业者深感威胁,并试图发展出自己的FOWLP技术。

不过,即便排除掉台积电分食高阶产品订单的威胁,对封装业者来说,FOWLP也是一条必然要走的路。由于芯片的I/O数量越来越多,裸晶尺寸却没有明显成长,使得凸块(Bumping)封装技术的密度将逼近物理极限。因此,未来封装业者必然要设法把过度密集的I/O散布开来,才能把芯片整合到载板上,而这也是这种技术被命名为扇出封装的原因。

然而,对晶圆制造跟封装业者来说,一样是扇出封装,技术难度却是天差地远。晶圆制造业者要做扇出封装,可以采用芯片优先(Chip First)制程,但如果是封装业者,却只能采用RDL优先(RDL First)制程。

Chip First制程的步骤如下:首先,在晶圆上挑选出已知合格裸晶(KGD),然后将KGD放到基板上,再以模压树脂包覆成重构晶圆;接着将重构晶圆以暂时接合材料黏贴到载板,使其平坦化。最后才是在晶圆上制造出线路重布层(Redistribution Layer, RDL)。

RDL First制程(图1)则是先在载具晶圆上制造出RDL,并涂上暂时接合材料,然后再将KGD放置在合格的RDL上,随后进行压模与模具研磨制程。在压模跟模具研磨制程中,裸晶还要再经过金属化(Metalization)、微影、介电质沉积、电镀等制程,这意味着相关材料不仅要通过更多道制程,而且会接触到更多化学品。

图1 RDL First制程流程

当然,RDL Last也有其挑战,因为要在晶圆上制造RDL,相关材料还是得暴露在高温环境跟各种化学品中,只是在材料跟制程技术上,其困难度比RDL First来得低。

布鲁尔科技(Brewer Science)研发执行总监Rama Puligadda表示,使用在RDL First制程上的材料,必须具备更稳定的机械、化学跟热特性,才能在后续多道制程步骤中存活下来。这也意味着暂时接合材料必须有更强大的性能,方可发挥保护元件的效果。事实上,暂时接合材料不只是用来把晶圆或RDL暂时黏贴在载具上而已,该材料本身也是晶圆或RDL的防护罩,使用具有适当特性的暂时接合材料,对提升制程良率有很大的帮助。

在本届Semicon Taiwan期间,布鲁尔特别发表一款专为RDL优先制程而设计的BrewerBUILD材料,该材料就具有比一般暂时接合材料更强的机械、化学与热性能,可以协助封装业者克服RDL First制程的挑战。此外,该材料一旦与载具体剥离,建构层就会被移除,且可用紫外(UV)雷射剥离。

值得一提的是,该材料不仅可以用在晶圆封装,同时也适用于面板封装,这项特性也是为封装业者的需求而开发的。封装业者通常倾向于采用面板封装,因为面板封装的生产效率优于晶圆封装。

RDL线宽或成新摩尔定律

无独有偶,检测设备与制程控制方案业者KLA-Tencor在本次展会也主打两款为封装应用设计的缺陷检测产品。Kronos 1080系统为先进封装提供适合量产的、高灵敏度的晶圆检测,为制程控制和材料处置提供关键资讯。ICOS F160系统在晶圆切割后对封装进行检查,根据关键缺陷的类型进行准确快速的芯片分类,其中包括对侧壁裂缝这一新缺陷类型的检测。

KLA-Tencor资深副总裁暨行销长Oreste Donzella(图2)表示,随着制程线宽微缩的速度逐渐放缓,芯片封装技术的进步,已成为提升半导体元件性能的重要因素。先进封装技术不仅可以缩小元件尺寸,也能藉由异质整合在有限空间内整合更多功能,是推动半导体产业继续往前迈进的重要动能。

图2 KLA-Tencor资深副总裁暨行销长Oreste Donzella指出,先进封装技术内部结构日益复杂,使得缺陷检测必须具备更高的解析度与更全面的检测范围。

然而,这也意味着先进封装将越来越复杂。未来的先进封装将具有不同的2D和3D结构,并且每一代都会越做越小。与此同时,封装芯片的价值在大幅增长,电子制造商对于产品品质和可靠性的期望也在不断地提升。为了满足这些期望,无论是芯片制造厂的后端还是在封装业者的工厂,都需要灵敏度和成本效益更高的检测、量测和资料分析,同时需要更准确地识别不良品。

以目前最受关注的扇出封装为例,虽然目前已经量产的RDL线间距(L/S)为10/10微米,但做为检测设备供应商,KLA-Tencor发现许多客户的技术蓝图上,已经存在5/5微米、甚至2/2微米节点。因此,该公司推出的缺陷检测方案,必然要跑在客户之前,支援更高的解析度。以Kronos 1080为例,该机台对RDL L/S的解析度已经有把握可以达到1/1微米,甚至进一步挑战0.5/0.5微米。

除了更高的解析度之外,未来封装业者需要的缺陷检测方案,还必须更面面俱到。特别是在芯片普遍导入低K介电材料后,在晶圆切割的过程中,很容易出现侧壁裂缝。但传统的红外线检测设备通常只会从固定角度对裸晶进行检测,不容易侦测到侧壁裂缝这种缺陷。

此外,雷射切割在切割面所留下来的Laser Groove缺陷,也是现有检测设备比较不容易侦测到的小瑕疵,而这些都是ICOS F160在功能上特别强化之处。

毫米波带动AiP需求封/测各有挑战

除了扇出封装外,将天线整合在芯片封装内的AiP(Antenna in Package, AiP),也是先进封装中的一大热点。由于毫米波讯号的线路损失非常大,因此对通讯设备而言,如果要支援毫米波通讯,必须要把天线跟射频前端间的线路缩到最短,也就是直接把天线整合到射频前端模组的封装内。

力成科技处长范文正指出,AiP是5G毫米波通讯不可或缺的封装技术。

5G使用的通讯频段可分成6GHz以下与28GHz以上两大区块,6GHz以下所采用的设计架构跟目前的4G通讯类似,收发器跟射频前端仍会独立存在,但28GHz以上的毫米波频段由于讯号损失太大,必须使用收发器、射频前端与天线完全整合在单一封装内的超高整合度设计,而天线的整合则是一大重点。

可以整合在封装内的天线选择有二,分别是平面阵列(Patch Array)与Yagi-Uda。这两种天线各有所长,为了提高讯号收发品质,业界未来应该会采用在单一封装内整合两种天线的设计。

在基板材料选择方面,由于Dk跟Df值越低越好,使用玻璃基板会得到更好的材料特性。但由于玻璃基板成本较高,而且会为制程带来新挑战,故采用传统导线载板会是比较合理的选择。

至于在测试方面,毫米波通讯对测试端所带来的挑战,丝毫不下于封装。从探针卡起家,近年来成功开发出自有探针的中华精测就认为,针对5G通讯芯片测试,测试厂必然要发展两套不同的测试方法。

中华精测总经理黄水可(图3)指出,由于6GHz以下的5G,在射频端的特性很接近现有的4G,因此可以沿用现有的测试方法,但如果是28GHz以上的毫米波通讯,由于讯号的线路损失太大,因此一定要采用OTA测试手法。目前该公司正在发展相关测试方案,但由于许多关键仪器都受到美国政府高度管制,因此在采购方面还要等上一段时间。

图3 中华精测总经理黄水可表示,5G通讯将为半导体测试带来OTA、高速讯号测试等新的考验。

但黄水可也提醒,由于通讯走向高速化的趋势非常明显,因此很多测试技术跟架构,都必须与时俱进。传统半导体测试设备是以Pogo Tower作为探针卡与待测芯片间的介面,但这种架构很难测试高速讯号。

因此,在需要测量高速讯号时,必须改用Direct Docking测试架构,方能解决讯号衰减的问题。另一方面,传统的探针片设计不太讲究电气特性,只注重机械特性,这点也不利于高速讯号测试。这也使得中华精测决定自行发展自有的探针技术。

经过多年努力,中华精测已经发展出自有的MEMS探针,比传统探针具有更优异的热、电气与机械特性,并已经有应用在量产测试上的实绩。

Mini/MicroLED封装商机诱人

除了一般的半导体先进封装外,近来话题不断的Mini/MicroLED显示、照明,最大的技术挑战--巨量转移(Massive Transfer)其实也跟封装有关,因此在本届Semicon Taiwan中,就有封装设备业者推出专为MiniLED设计的解决方案。

看好MiniLED背光未来为商机,半导体封装设备厂商库力索法(Kulicke&Soffa, K&S)于近日与Rohinni携手推出MiniLED转移设备PIXALUX。该MiniLED解决方案相较于传统的单颗取放(Pick&Place)转移方法相比,速度可以提升3~5倍。

Kulicke&Soffa(K&S)集团高级副总裁张赞彬说明,目前传统的LED背光电视大约使用50颗LED,然而随着MIniLED于背光应用的普及,LED背光数量将提升至2万颗以上。因此,将需要更有效率的转移方式。PIXALUX解决方案一秒能够转移50颗LED晶粒,转移速度是Pick&Place方法的3~5倍,更重要的是,该解决方案能够在转移过程同时完成目拣(Sorting)程序,为转移节省更多作业时间,进而降低生产成本。

Rohinni副总裁Brad Telin(图4)则指出,目前该解决方案可以做到100×100微米(Micrometer, μm)尺寸晶粒的转移工作,并且良率可以达到99.9999%。在未来,也将随着MicroLED的发展持续推进该转移技术,期望能在缩小晶粒尺寸的同时维持其转移良率。

图4 Rohinni副总裁Brad Teli则指出,在MicroLED的技术发展中,主要的技术局限依然在于晶粒制程的技术能力,而非转移设备。

Telin进一步提到,事实上目前PIXALUX设备已能够做到50微米MicroLED晶粒的转移,在MicroLED的技术发展中,主要的技术局限依然在于晶粒制程的技术能力,而非转移设备。因此,只要晶粒厂商能够量产MicroLED等级的晶粒,PIXALUX就有能力转移。在未来3年将会是MiniLED的技术开发关键时期,并将由大型显示器优先开始导入MiniLED应用,该市场也将是PIXALUX最初实现的应用范畴。

先进制程考验新材料开发

为满足在产量、可靠度及性能方面等要求,先进制程对特用化学及新材料需求大增,对此,英特格(Entegris)副技术长Montray(图5)表示,像是在薄膜沉积(Deposition)、过滤器(Filter)和运送晶圆的晶圆传送盒(Front Opening Unified Pod, FOUP)设计、要求都有所改变,促使半导体材料商的开发挑战也日渐增加。

图5 英特格(Entegris)副技术长aMontray表示,先进制程到来使得半导体材料商的开发挑战也日渐增加,像是薄膜沉积、过滤器和晶圆传送盒设计都有所改变。

Montray指出,过往28纳米以上的制程,在进行薄膜沉积时,多使用液体化学材料;然而,随着制程走到10纳米以下(如7、5、3纳米),不仅所使用的材料越来越稀有,也从原本的液体化学材料转变成固体化学材料。也因此,对于材料商而言,要如何将固体化学材料气化,并且在芯片上呈现均匀的薄膜层,而不是厚薄不平均导致晶圆良率降低,是一大挑战。

另一方面,10纳米以下的先进制程对于杂质过滤的要求也越来越高,晶圆厂必须导入效能更强的过滤、净化产品,才能确保半导体晶圆不受污染,提升生产良率,也因此,过滤器的纯净度势必得再度提升。

Montray说明,从28纳米走到7纳米,产品的金属杂质要求须下降100倍,污染粒子的体积也必须要缩小4倍,而随着制程走到10纳米以下,对于洁净度要求只会愈来愈严格,例如28纳米晶圆可能可以有10个污染粒子,但7纳米晶圆上只能有1个。也就是说,为因应先进制程,过滤器必须更干净,这也意味着材料商必须花费更多的时间设计产品,确保更高的洁净度。

除此之外,晶圆运送盒也因先进制程而产生新的需求。Montray解释,当晶圆摆放至晶圆运送盒当中时,不代表马上就会运送,可能会经过一段时间待所有准备就绪后才开始运送(约2~3小时)。也因此,在这段期间内,要如何确保盒内环境对晶圆不会有所影响,便是研发晶圆运送盒时须考量的关键。

Montray指出,特别是采用先进制程的晶圆,其薄膜层非常薄,对氧气十分敏感,很容易被氧化,也因此,晶圆运送盒的设计重点便在于如何实现更严格的「污染控制」,也就是要有更紧密的密合度、更高的排气、充气效果,使晶圆在运送过程中不至于产生损坏。

总而言之,半导体持续朝向先进制程发展,连带使得新材料开发的挑战逐渐增加,也因此,英特格不断提升其技术能力与业务版图,像是在台湾技术中心引进KLA SP3晶圆检测系统,让该公司在台湾的晶圆检测能力扩展至19纳米,得以自行产出晶圆缺陷的数据,以引导新产品开发及改善产品性能。

电子特殊气体成就先进半导体制程

半导体制程越来越复杂,未来的3、5纳米已经进入原子等级的尺度,制程的精细与复杂不言而喻,再加上许多新兴技术如3D堆叠、异质整合系统级封装(SiP)等,制程中有更多细节必须兼顾,电子特殊气体(Electronic Special Gases, ESGs)将在半导体制程中协助平坦化、清洁、间隔不同Layer等,联华林德看好台湾半导体产业发展,积极投资研发与生产活动。

专长电子气体与化学品技术的联华林德,在Semicon Taiwan推出SPECTRA EM系列的电子材料,强调纯度、包装和分析技术,该公司电子材料副总裁Anshul Sarda(图6)表示,其ESGs产品包括全氟丙烷(C3F8)、四氟甲烷(CF4)、一氧化碳(CO)、氟氮混合气体、溴化氢(HBr)、六氯乙矽烷(HCDS)、三氟化氮(NF3)、六氟化硫(SF6)等。

图6 林德集团电子材料副总裁Anshul Sarda(左)、林德电子技术及创新研发总监Carl Jackson(左二)、联亚科技总经理周祖庵(右二)、林德电子行销经理Francesca Brava(右)。

一般半导体制程包括:沉积、蚀刻(Etch)/清洗(Cleaning)、掺杂(Doping)、光刻(Lithography)等阶段都需要使用电子特殊气体,联亚科技总经理周祖庵形容,若将半导体制造过程以做菜来形容,特殊气体扮演的就是调味料的角色,SPECTRA-N氮气产生器为半导体和面板产业提供弹性、高效能的氮气供应;SPECTRA光刻气体推出可靠、精确的氖气与卤素气体混合物,使得深紫外线(Deep UV, DUV)光刻能够应用于高性能、高效率制造。

联华林德近期投入两种SPECTRA EM新产品的生产,氟气混合气体及溴化氢。氟气是一种高活性气体,与20%的氮气混合后会产生可用于安全压缩、包装和运输的混合气体,可用于清洁半导体制造设备。此外,也在中国投资建厂,提供电子级溴化氢(HBr)产品,用于选择性蚀刻剂的压缩气体,将其用于去除一种材料物质的同时能保留所需的材料物质不受影响,特别会应用在3D构装制程中。

另外,芯片制程精细因此在气体应用时也不容差错,林德电子技术及创新研发总监Carl Jackson解释,电子特殊气体纯度不够会使电路产生误差,尤其在先进制程,因此该公司也非常重视气体的纯化程度,希望提供半导体厂纯度最高的电子特殊气体。未来,联华林德也将持续投资台湾,提供品质、可靠度、一致性兼具的电子特殊气体,并加强安全控管,除了训练客户使用安全性之外,也透过驻厂人员在严谨的标准化步骤下,直接操作具危险性的气体,确保使用的安全性。

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