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先進(jìn)封裝中的互連技術(shù)詳細(xì)介紹與先進(jìn)封裝芯片清洗

為了彌補(bǔ)技術(shù)進(jìn)步方面的差距并滿足半導(dǎo)體市場(chǎng)的需求,出現(xiàn)了一種解決方案: 先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。

盡管先進(jìn)封裝非常復(fù)雜并且涉及多種技術(shù),但互連技術(shù)仍然是其核心。本文將介紹封裝技術(shù)的發(fā)展歷程以及 SK 海力士最近在幫助推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展方面所做的努力和取得的成就。 

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互連在先進(jìn)封裝中的重要性

首先,需要注意的是,互連技術(shù)是封裝中關(guān)鍵且必要的部分。芯片通過(guò)封裝互連以接收電力、交換信號(hào)并最終進(jìn)行操作。由于半導(dǎo)體產(chǎn)品的速度、密度和功能根據(jù)互連方式而變化,因此互連方法也在不斷變化和發(fā)展。 

除了開(kāi)發(fā)各種工藝以在晶圓廠實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖案外,還全面努力推進(jìn)封裝工藝中的互連技術(shù)。因此,開(kāi)發(fā)了以下四種類型的互連技術(shù):引線鍵合、倒裝芯片鍵合、硅通孔 (TSV) 鍵合以及小芯片混合鍵合。

1硅通孔 (TSV):一種垂直互連通路(通孔),完全穿過(guò)硅芯片或晶圓,以實(shí)現(xiàn)硅芯片的堆疊。

2 Chiplet:按用途(例如控制器或高速存儲(chǔ)器)劃分芯片并將其制造為單獨(dú)的晶圓,然后在封裝過(guò)程中重新連接的技術(shù)。

3下述產(chǎn)品未采用混合鍵合。規(guī)格為估計(jì)值。

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圖 1. 互連方法規(guī)格表。(這些規(guī)格是應(yīng)用每種互連技術(shù)的主要產(chǎn)品的示例。)

一、引線鍵合

引線鍵合是第一種開(kāi)發(fā)的互連方法。通常,具有良好電性能的材料(例如金、銀和銅)被用作連接芯片和基板的導(dǎo)線。這是最具成本效益且可靠的互連方法,但由于其電氣路徑較長(zhǎng),因此不適合需要高速操作的較新設(shè)備。因此,這種方法被用于不需要快速操作的移動(dòng)設(shè)備中使用的移動(dòng) DRAM 和 NAND 芯片。 

二、倒裝芯片接合


倒裝芯片接合 克服了引線鍵合的缺點(diǎn)。其電氣路徑的長(zhǎng)度是引線鍵合的十分之幾,使其適合高速操作。與在芯片級(jí)執(zhí)行的引線鍵合相比,在晶圓級(jí)進(jìn)行處理的倒裝芯片鍵合還提供了卓越的生產(chǎn)率。因此,它被廣泛應(yīng)用于CPU、GPU和高速DRAM芯片的封裝。此外,由于可以在芯片的整個(gè)側(cè)面形成凸塊,因此可以比引線鍵合擁有更多的輸入和輸出 (I/O),從而有可能提供更高的數(shù)據(jù)處理速度。然而,倒裝芯片接合也有其自身的缺點(diǎn)。首先,難以進(jìn)行多芯片堆疊,這對(duì)于需要高密度的存儲(chǔ)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是不利的。此外,盡管倒裝芯片鍵合可以比引線鍵合連接更多的 I/O,和有機(jī) PCB 間距阻止連接更多數(shù)量的 I/O。為了克服這些限制,開(kāi)發(fā)了 TSV 鍵合技術(shù)。 

三、硅通孔 (TSV) 鍵合

TSV不采用傳統(tǒng)的布線方法來(lái)連接芯片與芯片,而是通過(guò)在芯片上鉆孔并填充金屬等導(dǎo)電材料以容納電極來(lái)垂直連接芯片。制作帶有TSV的晶圓后,通過(guò)封裝在其頂部和底部形成微凸塊,然后連接這些凸塊。由于 TSV 允許凸塊垂直連接,因此可以實(shí)現(xiàn)多芯片堆疊。最初,使用 TSV 接合的堆棧有四層,后來(lái)增加到八層。最近,一項(xiàng)技術(shù)使得堆疊 12 層成為可能,并于 2023 年 4 月SK hynix 開(kāi)發(fā)了其 12 層 HBM3。雖然 TSV 倒裝芯片接合方法通常使用基于熱壓的非導(dǎo)電薄膜 (TC-NCF),但 SK hynix 使用 MR-MUF 4 工藝,可以減少堆疊壓力并實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)。5這些特性使 SK hynix 能夠開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè) 12 層 HBM3。 

4大規(guī)模回流模塑底部填充(MR-MUF):將半導(dǎo)體芯片堆疊起來(lái),并將液體保護(hù)材料注入芯片之間的空間,然后硬化以保護(hù)芯片和周圍電路的工藝。與在每個(gè)芯片堆疊后應(yīng)用薄膜型材料相比,MR-MUF 是一種更高效的工藝,并提供有效的散熱。

5自對(duì)準(zhǔn):在 MR-MUF 工藝期間通過(guò)大規(guī)?;亓鲗⑿酒匦露ㄎ坏秸_的位置。在此過(guò)程中,熱量被施加到芯片上,導(dǎo)致相關(guān)凸塊在正確的位置熔化并硬化。

如上所述,引線、倒裝芯片和 TSV 鍵合在封裝工藝的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著各自的作用。盡管如此,最近出現(xiàn)了一種新的互連技術(shù),稱為銅對(duì)銅直接鍵合,它是混合鍵合的一種。 

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四、與小芯片的混合鍵合

術(shù)語(yǔ)“混合”用于表示同時(shí)形成兩種類型的界面結(jié)合6 。界面結(jié)合的兩種類型是:氧化物界面之間的結(jié)合和銅之間的結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)并不是新開(kāi)發(fā)的技術(shù),但多年來(lái)已經(jīng)用于 CMOS 圖像傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)。然而,由于小芯片的使用增加,它最近引起了更多關(guān)注。Chiplet技術(shù)將各個(gè)芯片按功能分離,然后通過(guò)封裝將它們重新連接起來(lái),在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多種功能。 

6界面鍵合:相互接觸的兩個(gè)物體的表面通過(guò)分子間力結(jié)合在一起的鍵合。

盡管小芯片的功能是該技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì),但采用它們的主要原因是成本效益。當(dāng)所有功能都在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)時(shí),芯片尺寸會(huì)增加,并且不可避免地導(dǎo)致晶圓生產(chǎn)過(guò)程中良率的損失。此外,雖然芯片的某些區(qū)域可能需要昂貴且復(fù)雜的技術(shù),但其他區(qū)域可以使用更便宜的傳統(tǒng) 技術(shù)來(lái)完成。因此,由于芯片無(wú)法分離,制造工藝變得昂貴,因此即使只有很小的面積需要精細(xì)技術(shù),也要將精細(xì)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)芯片。然而,小芯片技術(shù)能夠分離芯片功能,從而可以使用先進(jìn)或傳統(tǒng)的制造技術(shù),從而節(jié)省成本。 

雖然chiplet技術(shù)的概念已經(jīng)存在十多年了,但由于缺乏能夠互連芯片的封裝技術(shù)的發(fā)展,它并沒(méi)有被廣泛采用。然而,芯片到晶圓 (C2W) 混合鍵合的最新進(jìn)展顯著加速了小芯片技術(shù)的采用。C2W 混合鍵合具有多種優(yōu)勢(shì)。首先,它允許無(wú)焊料鍵合,從而減少鍵合層的厚度、縮短電氣路徑并降低電阻。因此,小芯片可以高速運(yùn)行而無(wú)需任何妥協(xié)——就像單個(gè)芯片一樣。其次,通過(guò)直接將銅與銅接合,可以顯著減小凸塊上的間距。目前,使用焊料時(shí)很難實(shí)現(xiàn) 10 微米 (μm) 或更小的凸塊間距。然而,銅對(duì)銅直接鍵合可以將間距減小到小于一微米,從而提高芯片設(shè)計(jì)的靈活性。第三,它提供了先進(jìn)的散熱功能,這一封裝功能在未來(lái)只會(huì)繼續(xù)變得越來(lái)越重要。最后,上述的薄粘合層和細(xì)間距影響了封裝的形狀因數(shù),因此可以大大減小封裝的尺寸。 


然而,與其他鍵合技術(shù)一樣,混合鍵合仍然需要克服挑戰(zhàn)。為了確保穩(wěn)定的質(zhì)量,必須在納米尺度上改進(jìn)顆??刂?,而控制粘合層的平整度仍然是一個(gè)主要障礙。同時(shí),SK海力士計(jì)劃使用最高功率的封裝解決方案來(lái)開(kāi)發(fā)混合鍵合,以便將其應(yīng)用于未來(lái)的HBM產(chǎn)品。

利用 SK 海力士的混合鍵合推進(jìn)封裝技術(shù) 

雖然SK海力士目前正在開(kāi)發(fā)混合鍵合,以應(yīng)用于其即將推出的高密度、高堆疊HBM產(chǎn)品,但該公司此前已在2022年成功為HBM2E采用混合鍵合堆疊八層,同時(shí)完成電氣測(cè)試并確?;究煽啃?。這是一項(xiàng)重大壯舉,因?yàn)槠駷橹勾蠖鄶?shù)混合鍵合都是通過(guò)單層鍵合或兩個(gè)芯片面對(duì)面堆疊來(lái)完成的。對(duì)于 HBM2E,SK 海力士成功堆疊了 1 個(gè)基礎(chǔ)芯片和 8 個(gè) DRAM 芯片。 


混合鍵合是封裝行業(yè)中最受關(guān)注和關(guān)注的鍵合技術(shù)。集成器件制造商、代工廠以及任何能夠生產(chǎn)先進(jìn)封裝的公司都專注于混合鍵合。如上所述,盡管該技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì),但仍有很長(zhǎng)的路要走。通過(guò)其領(lǐng)先的 HBM技術(shù),SK海力士將開(kāi)發(fā)除混合鍵合之外的各種封裝技術(shù),以幫助封裝技術(shù)和平臺(tái)解決方案達(dá)到前所未有的水平。 


作者:Ki-ill Moon,SK 海力士 PKG 技術(shù)開(kāi)發(fā)主管



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先進(jìn)芯片封裝清洗:

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要,一旦選定,就會(huì)作為一個(gè)長(zhǎng)期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種,可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣,通電后發(fā)生電化學(xué)遷移,形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體,造成低電阻通路,破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層,在PCB板表層下生長(zhǎng)枝晶。除了離子型和非離子型污染物,還有粒狀污染物,例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等,這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物,到底哪些才是最備受關(guān)注的呢?助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中,它們主要由溶劑、潤(rùn)濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分,焊后必然存在熱改性生成物,這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo),從產(chǎn)品失效情況來(lái)而言,焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素,離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降,松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大,嚴(yán)重者導(dǎo)致開(kāi)路失效,因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗,才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù),滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求,打破國(guó)外廠商在行業(yè)中的壟斷地位,為芯片封裝材料全面國(guó)產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

推薦使用合明科技水基清洗劑產(chǎn)品。


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