堆叠_3D封装的关键技术之一_硅片减薄_廖凯

中国集成电路２００７ ５ ｈｔｔｐ ／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ （ 总第 ９６ 期 ）封装Ｃｈｉｎａ ｌｎｔｅ ｇｒａ ｔｅ ｄ ＣｉｒｃｕｌｔＣＩＣ１ 、 背景从上世纪后期开始的电子产品小型化趋势持续而且广泛的改变着人们的生活 。 这股便携化的浪潮从最初的收音机 、 随身听等发展到今天的笔记本电脑 、 手机等 ， 并且越来越趋向于将各种功能集成在某种便携式终端平台上 。 例如 ， 今天的手机就可以集成通话 、 计算 、 数据处理 、 照相 、 摄像 、 网络 、 多媒体等各种功能 。半导体集成电路技术的发展是这些变化的主要技术驱动力量 。 系统级芯片 （ ＳＯＣ ） 、 系统级封装（ ＳＩＰ ） 等技术的发展使得 ＩＣ 器件的功能得到了空前 的 提 高 ， 特 别 是 应 用 于 ＳＩＰ 的 堆 叠 ／３Ｄ 封 装（ Ｓｔａｃｋ Ｐａｃｋａｇｅ／３Ｄ Ｐａｃｋａｇｅ ） 等封装内集成技术的大行其道使得某些产品领域表现出了超越摩尔定律的超常发展趋势 。 其中最典型的例子就是闪存类产品 ，其主流终端产品容量从 ４ 、 ５ 年前的几十兆位到今天的几千兆位 ， 几乎在短短几年间就提高了近百倍 。 其中设计及晶圆加工技术 的提 高 固 然 作 用 巨大 ， 但是叠层封装的发展却起到了倍乘的推动作用 。业 界 越 来 越 认 识 到 ， 堆 叠／３Ｄ 封装在器件的系统级功能实现 、 存储容量的增加等方面所具有的工艺 简易及 成 本 低 廉 等 巨大优势 。 虽然实现复杂的系统级３Ｄ 封 装 还 有 很 长 的 路 要 走 ， 如针对 ３Ｄ 系统级封装的电路设计 、 晶圆制造的工艺制程 、 新增封装工艺步骤带来的工艺流程变化等都需要业界各方面的进一步协调和努力 ， 但是回顾一下存储产品的堆叠封装技术在过去几年里的成功发展经验可以使我们进一步了解未来 ３Ｄ 封装的技术要求 。图 １ 简要的描述了多层封装的不同形式 、 发展阶段及各自的优势 。 现阶段的多层封装技术仍然处于封装堆叠 （ Ｓｔａｃｋｅｄ ｐａｃｋａｇｅ ） 的阶段 。 国际上已经有少数大厂开始试验及评价 ＰＯＰ （ Ｐａｃｋａｇｅ ｏｎ Ｐａｃｋ－ａｇｅ ） 的量产 。 而 ３Ｄ 互连还处于工艺讨论和技术规划的阶段无论堆叠形式和连线方式如何改变 ， 在封装整体厚度不变甚至有所降低的趋势下 ， 堆叠中所用各层芯片的厚度就不可避免的需要被减薄 。 一般来说 ，较为先进的多层封装使用的芯片厚度都在 １００ μ ｍ以下 。 长远来说 ， 根据目前的路线图 ， 在 ２０１０ 年前东精精密设备 （ 上海 ） 有限公司 廖凯堆叠 ／３ Ｄ 封装的关键技术之一 硅片减薄图 １ 多层封装的发展趋势７９ＣＩＣ中国集成电路Ｃｈｉｎａ ｌｎｔｅ ｇｒａ ｔｅ ｄ Ｃｉｒｃｕｌｔ封装２００７ ５ （ 总第 ９６ 期 ） ｈｔｔｐ ／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ图 ４ 抛光工艺对硅片翘曲及芯片强度的改善后 ， 芯片厚度将达到 ２５ μ ｍ 左右的近乎极限厚度 ，堆叠的层数达到 １０ 层以上 。 即使不考虑多层堆叠的要求 ， 单是芯片间的通孔互连技术就要求上层芯片的厚度在 ２０－ ３０ μ ｍ ， 这是现有等离子开孔及金属沉积技术所比较适用的厚度 ， 同时也几乎仅仅是整个 器 件 层 的 厚 度 。 因 此 ， 硅 片 的 超 薄 化 工 艺（ ＜５０ μ ｍ ） 将在封装技术中扮演越来越重要的角色 ， 其应用范围也会越来越广泛 。２ 、 减薄技术所面临的主要挑战及解决之道２． １ 减薄能力减薄技术面临的首要挑战就是超薄化工艺所要求的 ＜５０ μ ｍ 的减薄能力 。 传统上 ， 减薄工艺仅仅需要 将 硅 片 从 晶 圆 加 工 完 成 时 的 原 始 厚 度 减 薄 到３００－ ４００ μ ｍ 。 在这个厚度上 ， 硅片仍然具有相当的厚度来容忍减薄工程中的磨削对硅片的损伤及内在应力 ， 同时其刚性也足以使硅片保持原有的平整状态 。通过电子透镜 ＴＥＭ 的观察 ， 我们可以清楚地看到在传统减薄工艺的 ３２５＃ 和 ２０００＃ 粗精磨之后残留在磨削表面的损伤 （ 图 ２） 。 这些损伤是造成破片的主要直接原因 。 之所以产生这样的损伤是因为磨削工艺本身就是一种物理损伤性工艺 ， 其去除硅材质的过程本身就是一个物理施压 、 损伤 、 破裂 、 移除的过程 。 为了消除这些表面损伤及应力 ， 人们考虑了各种方法 干抛 、 湿抛 、 干法刻蚀 、 湿法刻蚀等 ， 目前在实际量产中应用最多的是湿法抛光工艺 。 图 ３ 显示了不同抛光去除量下 ， 表面损伤的改善状况 。 可以看到抛光量达到 １．５ μ ｍ 以上后 ， 表面的损伤就基本上被去除掉了 。除此之外 ， 抛光工艺还显著地减小了硅片的翘曲度同时提高了芯片的强度 （ 图 ４ ） 。 这些改善对于后续工艺中的硅片搬送 、 芯片在使用中的可靠性等都有积极的意义 。事实上 ， 人们对减薄厚度极限的挑战已经有了惊人的成就 。 图 ５ 所示东京精密公司在业界率先实现的 ５ μ ｍ 硅片就展示了可见光透过硅片后 ， 由于短波长无法通过而使得硅片在视觉上通体发红的有趣物理现象 。 从图片中可以清楚地看到工程师放在背面捧住硅片的手指 。 当然 ， ５ μ ｍ 已经小于很多器图 ２ 电子透镜 ＴＥＭ 的磨削面损伤观察图 ３ 电子透镜 ＴＥＭ 的抛光表面观察８０中国集成电路２００７ ５ ｈｔｔｐ ／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ （ 总第 ９６ 期 ）封装Ｃｈｉｎａ ｌｎｔｅ ｇｒａ ｔｅ ｄ ＣｉｒｃｕｌｔＣＩＣ件本身的厚度 ， 所以不太可能在量产中被应用到 。 但是其实现的技术对于 ２５ μ ｍ 以上减薄是具有指导意义的 。２． ２ 超薄硅片的搬送在硅片被减薄到 １００ μ ｍ 以下后 ， 除了对减薄自身的挑战外 ， 向后续工艺的硅片传递 、 搬送也遇到了很大的问题 。 硅片在这样的厚度下 ， 即使通过应力消减减少了翘曲 ， 但仍然表现出形态上柔软 、 刚性差 ， 实质脆弱的物理特性 。 这样的特性给硅片的搬送带来了很大的麻烦 。 在各道独立的工序间搬送这样的硅片需要特制的硅片支撑系统 。 硅片支撑系统一般是通过把高刚性的圆片 （ 一般是特制硅片或玻璃片 ） 粘结在硅片上 ， 使其和加工片一起作为整体被加工 ， 达到可以使用普通搬送机械手和片盒的目的 。 但是硅片支撑系统在实际的开发 、 认证 、 使用中遇到了诸多至今仍未克服的问题 。 概括起来有三类 １． 增加了实际加工硅片的厚度控制难度 ， 其厚度均一性难以达到要求 ； ２． 增加的支撑片粘贴 、 去除工艺的控制难度高 ； ３． 大量增加了长期的运行成本 。 在硅片支撑系统中不仅其中使用的粘结材料是消耗品 ，而且起支撑作用的圆片在每次被剥离后都要进行特殊的处理以使其保持粘结面的平整和厚度的均匀 。基于这些原因 ， 硅片支撑系统很少在大规模生产中被采用 。目前业界的主流解决方案是采用东京精密公司所率先倡导的一体机思路 ， 将硅片的磨削 、 抛光 、 保护膜去除 、 划片膜粘贴等工序集合在一台设备内 ， 通过独创的机械式搬送系统使硅片从磨片一直到粘贴划片膜为止始终被吸在真空吸盘上 ， 始终保持平整状态 。 当硅片被粘贴到划片膜上后 ， 比划片膜厚还薄的硅片会顺从膜的形状而保持平整 ， 不再发生翘曲 、下垂等问题 ， 从而解决了搬送的难题 。图 ６ 是 东 京 精 密 公 司 的 一 体 机 ＰＧ２００／３００ＲＭ的基本配置示意图 。 图左的 ＰＧ 部分是磨片和抛光的集成体 。 通过一个带有 ４ 个真空吸盘的大圆盘回转台的 ３６０ 度顺时针旋转 ， 使硅片在不用离开真空吸盘的情况下就可以顺次移送到粗磨 、 精磨 、 抛光等不同的加工位 ， 完成整个减薄的过程 。 这一独创的设计完全克服了磨片后硅片的严重翘曲所造成的难以搬送到抛光机的问题 。 同时也避免了磨片后的严重翘曲使表面损伤扩大 ， 进而破裂的危险 。减薄好的硅片从 ＰＧ 部移到右边的 ＲＭ 部是通过一个硅片尺寸大小的多孔陶瓷吸盘的移动来完成的 。 右边的 ＲＭ 部主要完成保护膜的去除和划片膜的张贴 。 由于保护膜的剥离需要在硅片的正面动作 ，所以必须将硅片进行正反的翻转 。 将一片厚度不到１００ μ ｍ 、 柔软易破的硅片翻转的难度可想而知 。 东京精密公司的设计人员创造性的把传统工艺中剥膜工艺的后续工艺 贴膜工艺前移 ， 利用划片膜张图 ５ 减薄至 ５ μ ｍ 的硅片图 ６ 一体机示意图 （ 东京精密 ＰＧ ２００／ ３００ ）下转第 ７１ 页８１中国集成电路２００７ ５ ｈｔｔｐ ／／ｗｗｗ．ｃｉｃｍａｇ．ｃｏｍ （ 总第 ９６ 期 ）设计Ｃｈｉｎａ ｌｎｔｅ ｇｒａ ｔｅ ｄ ＣｉｒｃｕｌｔＣＩＣ贴到框架上所具有的平整性和张性来给薄硅片提供支撑 ， 从而完美地解决了这一问题 。 除此之外 ， 东京精密的 ＲＭ 模块还在业界第一次实现了对所有市场主流划片膜的支持 ， 而且还支持预切割膜 、 含粘片膜（ Ｄｉｅ Ａｔｔａｃｈ Ｆｉｌｍ ） 的 ２ 合 １ 膜等 ， 以适应各种工 艺和产品要求 。图 ６ 所示仅仅是一个基本的配置形式 。 根据不同的工艺要求 ， 可以柔性地在 ＰＧ 和 ＲＭ 之间加入相应的特定工艺模块 ， 如激光划片 、 硅片的背面等离子处理等 ， 从而极大地丰富了设备的功能及扩展了对未来产品趋势和要求的适应性 。３ 、 结语在今天叠层封装蓬勃发展 、 方兴未艾的同时 ， 以通孔互连为技术特征的 ３Ｄ 封装也日益成为系统级封装的主要发展方向 。 这些多层封装技术实现的首要条件是将直径越来越大的硅片减薄到 １００ μ ｍ 甚至 ３０ μ ｍ 的超薄厚度 。超薄化工艺的主要问题有两方面 １． 磨片工艺产生的损伤层的去除及应力的减小 ； ２． 磨片工艺到划片膜张贴工艺之间各工序间硅片的传运 。 东京精密公司率先倡导的一体机解决方案很好的解决了上述问题 ， 并成为了量产中超薄硅片工艺的主流选择 。在图 ５ 中 ， 横坐标表示输出电流 ， 总坐标表示输出电压 。 由图 ５ 的仿真结果可以看出 ， 图 ３ 所示的过流保护电路在限制过流的同时把输出电流降到了原来的三十分之一 ， 相应地也把过流保护发生后的电路功耗降到了原来的三十分之一 。４ 、 总结传统的过流保护电路存在可靠性差 ， 过流关断功耗高等不足之处 。 本文提出的过流保护电路利用运算放大器虚短虚断原理大大提高了对输出电流的采样精度 ， 从而提高了电路的可靠性 ； 并通过增加的折回电路 ， 大大降低了 ＬＤＯ 系统的过流关断功耗 。最后 ， 通过 Ｓｐｅｃｔｒａ 仿真 ， 验证了上述结论 。参考文献［１］Ｓ Ｋ Ｌａｕ， Ｋ Ｎ Ｌｅｕｎｇ Ｐ Ｋ Ｍ ｏｋ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＬｏｗ－ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ－ ＶｏｌｔａｇｅＲｅｇｕｌａｔｉｏｎ． ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ－ Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， ２００３３７９ ３８２［２］Ｇａｂｒｉｅｌ Ａｌｆｏｎｓｏ Ｒｉｎｃｏｎ－ Ｍ ｏｒａ， Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ＬｏｗＶｏｌｔａｇｅ， Ｌｏｗ Ｄｒｏｐ－ Ｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ， Ｐｈ．Ｄ． Ｔｈｅｓｉｓ， Ｇｅ－ｏｇｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９６．［３］Ｔｅｘｅｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｎｏｔｅｓ， “ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅ－ｖｉｅｗ ｏｆ Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ” ， ＳＬＶＡ０７２， Ａｕｇｕｓｔ １９９９．［４］ 闫良海 ， 吴金 ， 庞坚 ， 姚建楠 ， ＬＤＯ 过流与温度保护电路的分析与设计 ， 电子器件 ， 第 ２９ 卷第 １ 期 。作者简介张娜娜 ， 合肥工业大学微电子学与固体电子学硕士研究生 ， 研究方向 超大规模集成电路设计 。图 ５ 新型过流保护电路功能仿真结果上接第 ８１ 页ＣＩＣＣＩＣ７１