当前市场对于使用多芯片堆叠技术实现同尺寸器件中高存储密度的需求日益增长,这给半导体封装工艺带来的不仅仅是工艺能力上的挑战,也对工艺的管控能力提出了更高的要求。

随着信息数据大爆炸时代的来临,市场对存储器的需求持续增长。在芯片成品制造环节中,市场对于传统打线封装的依赖仍居高不下。市场对于使用多芯片堆叠技术、来实现同尺寸器件中的高存储密度的需求也日益增长。这类需求给半导体封装工艺带来的不仅仅是工艺能力上的挑战,也对工艺的管控能力提出了更高的要求。

作为半导体封测领域领军企业,长电科技在多芯片堆叠封装技术领域有哪些创新实践?本文中将介绍其技术优势、工艺和管控能力等内容。

多芯片堆叠封装技术优势

图1是两个不同类型的存储器封装的侧视图,从其封装结构我们可以看出,两个封装都是由多个芯片堆叠而成,目的是为了减少多芯片封装占用的空间,从而实现存储器件尺寸的最小化。其中较关键的工艺是芯片减薄、切割,以及芯片贴合。

从市场需求来看,倒装封装(FC)和硅通孔(TSV),以及晶圆级(wafer level)的封装形式可以有效地减小器件尺寸的同时,提高数据传输速度,降低信号干扰可能。但就目前的消费类市场需求来看,还是基于传统打线的封装形式仍占较大比重,其优势在于成本的竞争力和技术的成熟度。

DRAM多芯片封装侧视图                         (b)NAND多芯片封装侧视图

图1多芯片封装侧视图

长电科技目前的工艺能力可以实现16层芯片的堆叠,单层芯片厚度仅为35um,封装厚度为1mm左右。

多芯片堆叠封装关键工艺 之 芯片减薄、切割

1)研磨后切割 (Dicing after grinding,DAG)

主要针对较厚的芯片(厚度需求>60um),属于较传统的封装工艺,成熟稳定。晶圆在贴上保护膜后进行减薄作业,再使用刀片切割将芯片分开。适用于大多数的封装。

      

图2 DAG (来源:DISCO)

2)研磨前切割 (Dicing before grinding,DBG)

主要针对38-85um芯片厚度,且芯片电路层厚度>7um,针对较薄芯片的需求和存储芯片日益增长的电路层数(目前普遍的3D NAND层数在112层以上)。使用刀片先将芯片半切,再进行减薄,激光将芯片载膜 (Die attach film)切透。适用于大部分NAND 芯片,优势在于可以解决超薄芯片的侧边崩边控制以及后工序芯片隐裂(die crack)的问题,大大提高了多芯片封装的可行性和可量产性。

      

图3 DBG (来源:DISCO)

3)研磨前的隐形切割 (Stealth Dicing before grinding,SDBG)

主要针对35-85um芯片厚度,且芯片电路层厚度<7um,主要针对较薄芯片的需求且电路层较少,如DRAM。使用隐形激光先将芯片中间分开,再进行减薄,最后将wafer崩开。适用于大部分DRAM wafer以及电路层较少的芯片,与DBG相比,由于没有刀片切割机械影响,侧边崩边控制更佳。芯片厚度可以进一步降低。

      

图4 SDBG (来源:DISCO)

多芯片堆叠封装关键工艺 之 芯片贴合

1)芯片位置精度:由于多芯片堆叠的缘故,芯片贴合位置与芯片和芯片间的距离控制成为了工艺要点和难点。高精度贴合机台的引入,使得阶梯状一次性多芯片贴合精度可以保证在(+/-15um),可以有效地降低工艺良率损失,以实现可量产的多芯片堆叠技术(如图5)。

图5 多芯片堆叠中的芯片贴合位置

2) 超薄芯片拾取:受限于芯片厚度,采用传统的顶针从芯片载膜(DAF)上剥离芯片,应力集中在只有1.5mil(38um)的芯片上,几乎成为了不可能完成的任务。因此,针对超薄芯片的拾取,专门的治具被开发出来。主要的功能是通过多步平台凸起将芯片从芯片载膜(DAF)上剥离。相比传统顶针,它将应力从点分散到面,从一步顶换改为多步顶。有效改善了超薄芯片的芯片隐裂问题。

多芯片堆叠工艺的管控

一、翘(Warpage)问题改善

晶圆经研磨后厚度要求越来越薄,形变会导致晶圆无法继续后工序的作业,使得加工后的晶圆翘曲控制成为难题。通过SDBG和DBG,同时使用抛光工艺,释放晶圆表面应力,改善晶圆翘曲的情况。

二、异物、颗粒物的影响

尽管目前的无尘车间级别已经达到1k级(微尘数量被严格控制在每立方米1000个以内),封装车间中的异物、颗粒物对于超薄芯片来说,在每个工序中都是很大的威胁。如下图6,异物或颗粒物落在芯片上,受到外力挤压的情况下,就会导致芯片隐裂。

图6 异物,颗粒物带来的问题

因此,在关键工序(芯片相关),增加了负压设备HEPA环境,从而避免异物或颗粒物落在芯片表面。针对机台加盖,起到了双重防护的作用。另外在芯片存放和运送中,使用指定料盒、推车和干燥柜。对指定料盒、推车和干燥柜加强定期清洗频率均可减少异物、颗粒物的影响。

作为全球第三,中国大陆第一的芯片成品制造企业,长电科技始终对技术的研发和创新作为公司的重点发展战略,并取得一系列成果。长电科技拥有3200多项专利技术(截至2021年12月31日),荣获2020年度国家科学技术进步一等奖,在半导体产业中始终发挥着行业龙头,技术引领的作用。

展望未来,长电科技将继续强化创新,在芯片行业不断向精益化发展的过程中,研发包括多芯片堆叠封装技术等芯片成品制造技术,优化产品质量,不断提升自身的技术能力和服务能力,从而促进整个行业的发展。

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