解决高级半导体封装应用难题的临时接合技术发展

Ramachandran K.Trichur，Tony D.Flaim

(Brewer Science，Inc.USA，Rolla，Missouri)

10年前，没有人能预言如今无处不在的智能手机和个人设备（例如可穿戴设备）对日常生活产生的影响。硬件、软件与用户体验在过去10年中的多项变革性发展共同引导我们走到今天。例如，重新定义的手机硬件和彻底改造的接口将手机从纯粹的语音通讯工具变为强大的多功能设备，手机具有通用的物联网(IoT)应用接口，同时能作为门户来使用社交媒体、视频流以及种类不断增加的生产应用。这些应用连同移动电子产品与电子消费品中仍在不断涌现的应用，正推动半导体行业专注于提高集成能力与规模，以满足日益增加的性能和功能需求，以及对降低成本、尺寸和功耗的要求。

薄晶圆处理(TWH)技术应用的发展和多样性也与此大致相同，该技术将设备基材临时接合到支撑载体上。TWH技术在大约16年前引入，目的是为了解决对脆弱的III-V和化合物半导体基材进行薄化和处理时出现的问题。此后，该技术广泛用于高级半导体封装的应用中，例如用于制造具有TSV、3D-IC和扇出型晶圆级封装(FOWLP)的2.5-D中介层。临时接合技术已得到成功运用，可以在这些高级封装形式的制造过程中，对常见的所有背面加工中的薄基材进行处理。在解决每项应用中独特难题的过程中，引入了多代的粘合剂接合材料和新的接合与分离（剥离）技术。本文将回顾TWH技术的发展，并对加工的要求和复杂性（可对选择的接合材料与剥离方法进行界定）进行说明。

1 临时接合技术

临时接合技术使用聚合物接合材料或粘合剂，将设备基材临时固定在坚硬载体上，从而以机械方式固定设备基材。在许多情况下，聚合物粘合剂会与载体上涂敷的另一种聚合物层搭配使用（粘合剂粘附在该层上）。该聚合物层有助于在背面加工完成后分离接合的结构。在薄化和随后的背面加工期间，接合材料与载体基材会以机械方式支撑设备晶圆。对结构进行分离（或剥离）的主要方法包括在粘合剂和聚合物层之间采用热滑动、轻力剥离（机械剥离），以及对聚合物层进行激光烧蚀（激光剥离）以释放载体。这些工艺如图1所示。

图1 临时接合载体与设备晶圆示意图

最初，将晶圆厚度研磨到＜100 μm后，蜡是临时接合所用的主要粘合材料。但是蜡的流变性质很差，热稳定性有限，很难应用，这迫使高级的半导体封装需寻求更好的接合材料解决方案。因此，人们开发了多代的聚合物粘合剂，它们具有更高的加工热机械稳定性，并在加工结束后更易于剥离。通过这些材料，可以处理超薄的基材(＜50 μm)，以及非常容易弯曲和变形的基材（例如高级FOWLP流程工艺中所用的重组晶圆和面板）。表1展示了薄晶圆处理技术的重要趋势，以及对该技术用于大批量制造的预期。

2 使用热塑性粘合剂进行热压接合

热塑性粘合剂材料具有进行临时晶圆接合的多种优势。这些优势包括：(1)能通过选择组合参数来微调软化温度、黏性、附着性与模数，进而控制接合温度和接合材料向结构施加的应力等级；(2)能在加工结束并分离结构后，通过溶剂溶解来消除设备晶圆中的热塑性材料。这些功能与所有主要剥离方法（包括化学溶解、机械剥离、热滑动以及激光辅助剥离）兼容。同时，热塑性接合材料的性质与液态可固化型粘合剂形成鲜明对比，后者在接合加工时会变为交联状态，因此在分离后无法溶解。必须改为将其整层从基材上剥离，这样很容易破坏金属设备特性，并将复杂的残留物留在设备晶圆表面。

表1 薄晶圆处理技术的重要趋势以及对用于大批量制造的预期

3 熔体流变能力

热塑性聚合物适合作为临时粘合剂材料的重要性质之一，是在加热时会发生可逆的软化。这项性质可以用其熔体流变能力来描述，该能力是指聚合物材料的动态黏度和温度之间的关系。绝对黏度表述的是流体内部的流动阻力，而动态黏度表述的是在流体相对其他水平面保持单位距离的条件下，以单位速度移动水平面时，每单位面积所需的切向力。动态黏度可以表明在对临时接合的晶圆堆叠进行背面加工的过程中，热塑性接合材料在剪切力和应力的作用下将表现出哪些性质。确定粘合剂的熔体流变能力对于优化接合条件、估计最高的使用中工作温度，以及预测接合层在研磨和沉淀加工中出现的压缩性和拉伸性应力作用下的稳定性都很有用。图2展示出3种不同热塑性粘合平台的熔体流变能力曲线，并展示出每个平台的黏度随温度的变化。

图2 三种热塑性粘合平台的熔体黏度曲线，展示出复合黏度随温度的变化

图2中，每个平台熔体流变能力曲线的形状体现了该平台的热塑性质。（请注意，图中绘制的复合黏度采用对数刻度。）在某个特定温度（称为软化点），熔体黏度会快速下降，随后随温度的升高而或多或少地线性降低。材料B和C是高分子量的单组分热塑性体系，具有明显的软化点，对应于从玻璃态到坚硬橡胶态的转化。与之相对，材料A是低分子量树脂和极高分子量聚合物的组合物，与高分子量单组分聚合物的组合物相比，其软化速度快得多，而且黏度会下降很多。

热塑性粘合剂配方中的多种元素会影响最终产品的熔体流变能力，从而影响最大可用下游加工温度。虽然分子量（可以将其视为大约是聚合物链的平均长度）会主导高于软化温度时的流体性质，但是其他因素也会影响熔体流变能力，包括向纯聚合物中添加填充剂、支化、聚合物链的偶极相互作用和晶态相互作用、分子量分布，以及在粘合剂中混合同种或异种聚合物。可以调整这些因素，以产生最适合特定设备制造工艺的接合材料配方。

4 Brewer Science临时接合材料的发展

我们已经开发出多代临时接合材料，以解决不同高级封装应用中的薄晶圆处理难题。在不断升高的工作温度下接合层具有稳定性，以及在高应力点处能保持所接合晶圆堆叠的附着性，这两点需求已成为提高产品性能的主要推动力。表2列出了我们的产品组合中每代接合材料的重要性质。

表2 Brewer Science各代临时接合材料及其重要性质

5 适用于中度应力应用的GEN 1与GEN 2高温(HT)接合材料

我们的前两代热塑性接合材料经过精心设计，与之前的工艺体系（例如热熔蜡和对压力很敏感的粘合剂）相比具有更高的热稳定性和耐溶剂性。这两代材料主要用于在2.5-D和3-D集成方案中进行晶圆薄化和TSV显露。这些接合材料是聚合物混合体系，其两种成分共同控制最终接合材料配方的流动与熔化温度。它们具有很低的软化点（60～80℃），因此可以在140～190℃的范围内进行接合，此外背面加工可以在200℃时保持稳定性。图3展示了GEN 1和GEN 2接合材料的热重分析(TGA)结果，两者在200℃时的质量损失都＜2%。图4是接合的晶圆堆叠在研磨和施加热应力后的贯通接合CSAM影像。接合层没有任何缺陷，这表示BrewerBOND®220材料在这些条件下具有出色的稳定性。

图3 GEN1和GEN 2接合材料的TGA

GEN 1和GEN 2接合材料中所用的成分为非极性的类碳氢化合物成分，它们可以耐受所有常用的光刻胶溶剂，甚至是强力溶剂（例如光刻胶清洁工艺中所用的NMP）。同样，这些接合材料不受酸溶液、基料和电镀化学物的影响。如果将这些接合材料涂敷在设备晶圆上，即使厚度达到100 μm，产生的应力也很小。这一结论的证据是，该配方产生后接合弯曲（对于全厚度的晶圆）时的厚度＜5 μm，而其他接合材料平台在厚度相当的晶圆上产生弯曲时的厚度是80～150 μm。表3显示了在使用分别涂敷BrewerBOND®220材料（GEN 2材料）和BrewerBOND®305材料（专为高温应用而设计的GEN 3材料）的基材时产生的典型晶圆弯曲。这些弯曲值是在将材料涂敷至超平晶圆并烘烤后确定的。

表3 对涂有接合材料的晶圆进行的晶圆弯曲测量

GEN 1和GEN 2接合材料主要与化学溶解或热滑动剥离模式搭配使用。在化学溶解方法中，接合的晶圆对采用多孔的玻璃晶圆作为载体。将接合的晶圆对浸泡在溶剂中，溶剂将通过多孔的载体渗入接合层，并溶解粘合剂。在热滑动方法中，接合的晶圆对位于两个真空夹头之间，加热到某温度后，热塑粘合剂材料软化，此后向晶圆施加切向力，会使两者发生方向相反的滑动，直到分离为止。GEN 1和GEN 2材料在温度＞150℃时具有很高的熔体流动能力，这便于在接合工艺中采用良好的接合配方，并在剥离工艺中实现快速的滑动分离。

6 GEN 3超高温(VHT)接合材料

GEN 1和GEN 2 HT粘合剂主要针对热滑动剥离方法而设计，能在高达200℃的背面加工温度下保持稳定。由于只能通过应用更高的温度和切向力来提高滑动剥离的速度（这可能会伤害已薄化的设备晶圆），因此该方法不太适用于需要高生产量的制造环境。此外，若设备基材在晶圆面向外部的一侧具有很高的表面特征，则此方法与该设备基材不兼容，因为在分离过程中，必须使用加热的夹头夹住该面。因此，我们开发了GEN 3系列的热塑性接合材料，以便在高达250℃的温度下提供加工稳定性，并使用轻力剥离方法。

GEN 3热塑性接合材料BrewerBOND®305是聚合物接合材料体系。该材料在80～150℃范围内软化，并在高达180℃时保持很高的熔体黏度，这使接合层能在很高的加工温度下保持稳定，防止在机械应力下出现回流和层离。该材料可承受250℃的加工温度，并具有出众的热解耐受力(Td＞400℃)，此外对所有光刻胶溶剂和其他加工化学物也有出众的耐受力。此外，我们还开发了GEN 3接合材料，它采用新颖的机械剥离方法，可以在室温下以很低的机械力对晶圆进行分离。在此方法中，与设备晶圆接触的GEN 3接合材料接合到涂有聚合物层的载体晶圆上，该聚合物层与接合材料构成强力的物理接合，但不与接合材料表面发生化学发应。首先在两个聚合物层之间开出一条裂缝，轻轻偏转载体晶圆使裂缝波及整个界面，然后施加很小的剥离力即可剥离。完成剥离只需几秒钟时间。我们开发了多种施加旋转的表面处理方法，以便在载体上制作低能耗的表面，从而控制接合材料与其接合的强度。图5展示了GEN 3接合材料的TGA，图6是接合晶圆（在270℃环境下暴露30 min后，采用BrewerBOND®305材料）的CSAM影像。

图5 GEN 3接合材料的TGA

图6 接合晶圆的CSAM影像

此外，也可以使用激光辅助方法剥离GEN 3接合材料。在激光剥离方法中，会将高温稳定的超薄聚合物涂层体系（例如BrewerBOND®701材料）涂敷到透明的玻璃载体上，并以物理方式接合到GEN 3接合材料。若使用UV准分子激光透过载体扫描该薄层，该薄层将烧蚀（或分解），从而释放载体。激光释放层对常用的248、308和355 nm的扫描波长非常敏感。此外，该方法经过精心设计，还可以在激光能量密度很低(180 mJ/cm2)时进行干净的烧蚀，以实现高生产量的剥离。释放层提供适用于多数粘合剂的出众接合表面，可耐受分解或流动时很高的背面加工温度。在对激光释放材料进行烧蚀所用的UV波长下，我们的粘合剂不会吸收，因此不必担心在与激光释放层接触的接合材料表面上形成烧蚀残留物。图7展示了激光释放层相对于波长的折射率(n)与k值，显示出在波长＜400 nm出现高吸收。此图展示了成功的晶圆剥离（使用3.5 W功率的355 nm激光光源）。请注意，在光谱的深UV部分(200～350 nm)，吸收幅度很大，如曲线在该区域的高k值所示。此图展示了成功执行激光剥离后的设备晶圆与透明的载体设备。

图7 激光释放材料的n与k值

7 适用于FOWLP的GEN 3+接合材料

在FOWLP中，会选取已知合格的芯片，将其放置在基材上，然后使用环氧树脂成型化合物执行超模压，从而生成重组晶圆。由于重组晶圆具有硅与环氧树脂材料的混合组成物，因此具有很大的内部应力。如果将这些基材薄化到＜400 μm，然后加热到＞150℃，通常会产生严重的弯曲和变形，导致在标准的晶圆处理设备中几乎不可能对其进行处理。因此，将薄的重组晶圆临时接合到载体，以便在分离之前进行加工，这已成为通用的作法。

GEN 3+接合材料的开发目的是对重组晶圆（成分包括硅、氮化硅、多种金属，以及诸如聚酰亚胺、聚苯并恶唑(PBO)和苯并环丁烯(BCB)等聚合物介电层）的表面产生很强的附着性。因此，材料成分从非极性的热塑性材料转变为极性热塑性材料，以便具有更高的粘附强度。极性热塑性材料一般会牢固粘附在设备材料和释放层上，因此使接合层对高温加工期间（此时接合材料处于软化状态）的层离和形成空隙具有更好的耐受力。

GEN 3+接合材料是热塑性粘合剂体系，其软化温度范围是100～50℃。该材料具有很好的润湿作用，并能牢固粘附在半导体和重组晶圆上。此外，它们还可以将加工热稳定性提高到225℃以上，在某些情况下可以在高达300℃时保持接合层稳定性。图8展示了GEN 3+材料的TGA光谱，表明在高达350℃时质量损失＜2%。该材料在施加260℃的热应力达2 h的情况下显示出良好的接合层稳定性，如图9中的接合晶圆对CSAM影像所示。GEN 3+接合材料可搭配使用多种伴随机械层和激光释放层。在诸如环戊酮等溶剂中，极性GEN 3+材料能快速完整溶解，因此清洁速度快于先前各代热塑性接合材料体系。

图8 GEN3+接合材料的TGA

在加工期间，重组晶圆会对粘合剂层与各种释放层之间的界面施加过大压力。最近，我们开发了新的聚合物机械释放层，它能提供与结合材料的更牢固的界面接合，同时仍能执行轻力机械剥离。在载体上对超薄(0.15～0.25 μm)聚合物机械释放层施加旋转，只需在大约200℃时短暂烘烤即可剥离（使用BrewerBOND®530材料）。在执行背面加工和剥离之后，使用溶剂可以取下释放层，以轻松实现载体的回收利用。我们正在开发具有更高软化点且在高达275℃和350℃时流动性更有限的其他GEN 3+接合材料平台。

图9 接合晶圆的CSAM影像

8 结论

临时接合材料开发的推动力来自高级封装工艺中薄晶圆处理要求的不断变化。在处理残留应力和满足对粘附力、加工热稳定性、释气、化学物耐受和分离的要求方面，FOWLP、2.5-D和3-D IC集成中的应用都对接合材料提出了独特要求。深入了解接合材料的聚合物结构和其性质（例如熔体流动能力、热稳定性、可溶性和表面能）之间的关系对于开发满足这些困难（并且经常彼此冲突）要求的临时粘合体系不可或缺。单一材料无法满足现在实施的许多不同制造工艺流程的要求，因此需要一系列临时粘合体系。我们预期临时接合材料需要继续提高可承受的加工温度（高达400℃），以满足新兴应用（例如涉及高温高压的芯片到晶圆永久接合）的要求。为了回应这种预料之中的趋势，我们已经在对运用创新接合层架构的第四代高性能材料进行现场测试。

[1]Trichur R.K.与Flaim T.D.半导体设备加工的临时接合与薄晶圆处理策略[J].芯片规模概览，2015(11-12)：12-18.