淺談硅片在ic封裝中的應(yīng)用

淺談硅片在ic封裝中的應(yīng)用

1減薄器件的選擇隨著集成電路逐漸減少而減少的方向，使用更薄的硅片是不可避免的。目前行業(yè)內(nèi)可以將硅片減薄至50μm,相當(dāng)于普通人頭發(fā)絲的直徑。通過(guò)減薄,可以將硅片背面多余材料去除掉,不僅有效的減小了硅片封裝體積,同時(shí),也提高了器件在散熱、機(jī)械、電氣等方面的性能。目前減薄有以下幾種方法:研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、干式拋光(DryPolishing)、電化學(xué)腐蝕(ElectrochemicalEtching)、濕法腐蝕(WetEtching)、等離子輔助化學(xué)腐蝕(PACE)、常壓等離子腐蝕(AtmosphericDownstreamPlasmaEtching,ADPE)等,其中最常用的減薄技術(shù)有研磨、CMP、濕法腐蝕等。其中因?yàn)檠心サ募庸ば矢?加工后的硅片平整度好,成本低,多被封裝廠所采用。2硅片背面研磨減薄技術(shù)目前,硅片背面研磨減薄技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)減薄與硅片自旋轉(zhuǎn)減薄兩種。2.1磨輪高速旋轉(zhuǎn)法采用大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái),硅片通過(guò)真空吸盤(pán)夾持,工作臺(tái)沿水平方向進(jìn)行移動(dòng),磨輪高速旋轉(zhuǎn),從而對(duì)硅片進(jìn)行減薄。但因其研磨輪與工作臺(tái)間接觸的面積并不一致,各點(diǎn)的受力并不均勻,減薄后的硅片易產(chǎn)生翹曲,特別是針對(duì)較薄的硅片。其減薄原理、磨痕及減薄效果如圖1所示,其中圖1(c)所示的硅片厚度為120μm。2.2自旋轉(zhuǎn)研磨法硅片自旋轉(zhuǎn)研磨法的原理為:采用略大于硅片的工件轉(zhuǎn)臺(tái),硅片通過(guò)真空吸盤(pán)夾持在工件轉(zhuǎn)臺(tái)的中心,磨輪邊緣調(diào)整到硅片的中心位置,硅片和砂輪繞各自的軸線回轉(zhuǎn),進(jìn)行切入減薄(in-feedgrinding)。此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于砂輪與硅片的接觸長(zhǎng)度、接觸面積、切入角不變,研磨力恒定,加工狀態(tài)穩(wěn)定,可以避免硅片出現(xiàn)中凸和塌邊現(xiàn)象。尤其對(duì)較薄的硅片表現(xiàn)較為明顯。其工作原理、研磨痕跡與研磨后的效果如圖2所示,其中,圖2(c)所示的硅片厚度為120μm。經(jīng)過(guò)上述對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn):采用硅片自旋轉(zhuǎn)研磨,當(dāng)硅片薄至一定程度時(shí),可以有效地避免研磨后的硅片翹曲現(xiàn)象的產(chǎn)生。目前,由于所封裝的薄硅片越來(lái)越多,更多的封裝廠選擇硅片自旋轉(zhuǎn)工作模式對(duì)硅片進(jìn)行減薄。2.3硅片的減薄加工目前本單位現(xiàn)有一臺(tái)德國(guó)G&N公司所生產(chǎn)的MULTINANO3-300減薄機(jī),其加工原理為硅片自旋轉(zhuǎn)研磨,最薄可以磨至50μm,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)100mm、125mm、150mm、200mm、300mm硅片的全自動(dòng)減薄。對(duì)于100mm硅片從630μm減薄至370μm,每5min可以完成減薄一片,一小時(shí)可以加工12片左右。設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)為:TTV≤2μm,R(1)TTV(TotalThicknessVariation)=厚度最高值(max)-厚度最低值(min)。指片內(nèi)的厚度偏差,即TTV越小,其片內(nèi)厚度均勻性越好;(2)R(3)TV(ThicknessVariation)指片與片間厚度偏差,即TV越小,片間厚度一致性越好。3影響減薄質(zhì)量的因素減薄操作的生產(chǎn)過(guò)程從圖3中可以看出主要為:貼膜、切膜、減薄、揭膜及測(cè)厚等幾個(gè)階段。從生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中,均可以引入導(dǎo)致研磨質(zhì)量下降的因素。因此,對(duì)生產(chǎn)控制來(lái)講,生產(chǎn)中所涉及到的人、機(jī)、料、法、環(huán)均需要作為控制點(diǎn)加以監(jiān)控。圖4為影響減薄質(zhì)量的魚(yú)骨圖。主要說(shuō)明了對(duì)減薄質(zhì)量的影響因素,其中減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速及膜的質(zhì)量為主要因素。本文主要探討了膜的質(zhì)量對(duì)TTV的影響及減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)粗糙度的影響。4減薄過(guò)程及結(jié)果分析采用現(xiàn)有設(shè)備,對(duì)100mm硅片按以下過(guò)程進(jìn)行減薄,并對(duì)反應(yīng)減薄質(zhì)量的TTV及粗糙度進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)減薄后的硅片進(jìn)行五點(diǎn)或九點(diǎn)測(cè)試,測(cè)試位置如圖5所示。過(guò)程1:通過(guò)調(diào)整不同的減薄速度,主軸轉(zhuǎn)速等因素,摸索出對(duì)減薄質(zhì)量的影響規(guī)律;過(guò)程2:討論保護(hù)膜對(duì)TTV的影響,討論不同厚度的膜對(duì)產(chǎn)品TTV的影響;過(guò)程3:對(duì)減薄后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),驗(yàn)證生產(chǎn)過(guò)程的可控性。5記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5.1參數(shù)調(diào)整的影響分別調(diào)整減薄速度、主軸轉(zhuǎn)速等對(duì)減薄質(zhì)量影響較大的兩個(gè)參數(shù),摸索出不同參數(shù)對(duì)硅片表面粗糙度的影響情況。(1)研磨速度降為60/40/20圖6可以看出,研磨速度為80/60/40μm/min時(shí),其最大粗糙度、平均粗糙度均較大,為9.7nm、7.2nm,當(dāng)研磨速度降為60/40/20μm/min時(shí),其最大粗糙度(R(2)粗糙度測(cè)試結(jié)果設(shè)定研磨的速度為60/40/20μm/min,調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速分別為2000rpm、2500rpm、3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm,各加工一片,并對(duì)粗糙度進(jìn)行5點(diǎn)測(cè)試,并計(jì)算其平均值,形成柱狀圖如圖7所示。從圖中可以看出隨著主軸速度的增大(由2000rpm增至4500rpm),平均粗糙度與最大粗糙度均下降,因此,增大轉(zhuǎn)速有利于改善所減薄硅片表面的粗糙度。將5.1的數(shù)據(jù)對(duì)比設(shè)備的性能指標(biāo)(R5.2減薄前后的ttv對(duì)比(1)使用三種不同厚度的膜進(jìn)行減薄,膜的厚度分別為70μm(A)、120μm(B)及140μm(C),分別加工5片,減薄后揭去膜,裸片厚度為450μm。然對(duì)減薄后的硅片進(jìn)行五點(diǎn)測(cè)試,計(jì)算其TTV并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行折線圖處理,如圖8所示。從圖8中可以看出菱形(厚度為70μm)曲線高于另外兩條曲線,說(shuō)明使用厚度為70μm的膜對(duì)減薄后硅片TTV的影響較大。相比于另外兩種膜(三角形曲線,厚度為140μm;圓形曲線,厚度為120μm),可以看出,對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量控制來(lái)說(shuō),由于其過(guò)薄,產(chǎn)品的質(zhì)量較差。(2)探討膜的影響取25片100mm片進(jìn)行貼膜、切膜、減薄及揭膜,片厚由540μm減薄至300μm。在整個(gè)過(guò)程中,記錄了各個(gè)狀態(tài)下的9點(diǎn)厚度,計(jì)算其平均值與TTV,并對(duì)各個(gè)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如下所示:(a)貼膜前與貼膜后、揭膜前與揭膜后的TTV對(duì)比圖9為貼膜前與貼膜后的TTV對(duì)比,圖10揭膜前與揭膜后的TTV對(duì)比。從圖9可以看出,硅片在貼膜前其TTV的變化基本在2μm~4μm間浮動(dòng),貼膜后,其TTV的浮動(dòng)范圍變?yōu)?μm~7μm之間;從圖10中可以看出,揭膜前其TTV多在2μm~4μm間浮動(dòng),揭膜后其TTV的浮動(dòng)范圍變?yōu)?μm~8μm之間。因此,由于膜本身TTV的存在,會(huì)對(duì)硅片的TTV產(chǎn)生3μm~4μm之間的負(fù)面影響。(b)減薄前(含膜)與減薄后(含膜)的TTV對(duì)比圖11為減薄前(含膜)與減薄后(含膜)的TTV對(duì)比,從圖中可以看出減薄前(含膜)硅片的TTV均較高,多為4μm~8μm間;減薄后(含膜)硅片的TTV較低,多為2μm~4μm之間。因此,對(duì)于TTV較大的硅片,經(jīng)過(guò)減薄,可以在一定的程度上降低TTV,有效地改善硅片厚度的均勻性。但對(duì)比設(shè)備的性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn),減薄后的TTV大于最優(yōu)指標(biāo)(TTV=2μm),因此,尚未達(dá)到設(shè)備的最佳能力。(c)減薄前(裸片)與減薄后(裸片)TTV圖12為減薄前(裸片)與減薄后(裸片)TTV的對(duì)比,從圖中可以看出,減薄前(裸片)的TTV多在2μm~4μm間浮動(dòng)。減薄后(裸片)的TTV多在3μm~5μm間浮動(dòng),因此,對(duì)比加工前與加工后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)減薄這一機(jī)械加工,硅片厚度的均勻性略有下降,為1μm~2μm。但是,作為減薄本身工藝特性考慮,其加工過(guò)程是一個(gè)擠壓、破損、移除的物理過(guò)程,因此,對(duì)于1μm~2μm的厚度偏差,可以說(shuō)基本保持了加工前的均勻性水平。5.3減薄情況下的數(shù)據(jù)點(diǎn)利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)減薄后的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)5.2(2)中所述的25片減薄揭膜后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。目標(biāo)厚度為300μm,控制上限為310μm,控制下限為290μm,分別繪制運(yùn)行圖及工序能力指數(shù)圖,如圖13與圖14所示。從圖13中可以看出,數(shù)據(jù)的最大值為302.3333,數(shù)據(jù)的最小值為295.8889,數(shù)據(jù)的平均值為299.0267,減薄后的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均在上下控制限的范圍內(nèi),說(shuō)明所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均可接受。根據(jù)“點(diǎn)出界判異準(zhǔn)則”、“6點(diǎn)判異準(zhǔn)則”及“9點(diǎn)判異準(zhǔn)則”,說(shuō)明此加工過(guò)程穩(wěn)定、授控。但對(duì)比設(shè)備最優(yōu)指標(biāo),其TV=302.3333-295.8889=6.4444μm>2μm,說(shuō)明并未達(dá)到設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo)。從圖14中同樣可以看出數(shù)據(jù)的最大值、最小值與平均值,此外,由于此數(shù)據(jù)屬于雙限值,觀察CPK,其值為1.521,大于1.33,小于1.67,故工序能力為合格。6減薄硅片tv的影響通過(guò)對(duì)樣品的減薄,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,發(fā)現(xiàn):(1)對(duì)粗糙度的影響:減小減薄的速度、增大減薄的主軸轉(zhuǎn)速可以有效的改善研磨的效果?？紤]到生產(chǎn)效率,磨輪消耗等因素,在生產(chǎn)過(guò)程中,將參數(shù)設(shè)置為研磨速度:60/40/20μm/min,主軸轉(zhuǎn)速:4000rpm。(2)膜的厚度不同,對(duì)減薄后的TTV的影響不同,減薄膜不應(yīng)過(guò)薄。(3)通過(guò)文中5.2(2)所述,對(duì)于型號(hào)為A的保護(hù)膜會(huì)對(duì)減薄硅片的TTV產(chǎn)生3μm~4μm之間的負(fù)面影響。對(duì)比設(shè)備的最優(yōu)指標(biāo),目前的加工水平尚未達(dá)到最佳。考慮到膜本身TTV的存在,因此,對(duì)于下一步控制來(lái)說(shuō),