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面对FO-WLP/PLP新制程技术的挑战与问题
[作者 盧傑瑞]   2020年01月15日 星期三 浏览人次: [2293]

就特性上来说,FO-WLP/PLP是一种具有比覆晶封装具有更好电气特性的封装观念技术,并且在面对晶片薄化要求时,也具有较小热变形的特性。从大约五年前开始,逐渐扩展应用在RF,功率放大器,基频等等的晶片产品上。更进一步的,从今年开始,由於出色的电气特性和布线密度,FO-WLP/PLP更被应用在自动驾驶必或缺的雷达半导体上。


与常规的覆晶封装相比,虽然FO-WLP/PLP能够达到更高性能和更薄的晶片体积,但是因为来自於FO-WLP/PLP的制程良率和材料等等的相关问题,也大程度的影响了FO-WLP/PLP生产成本。


当然,在一项新的生产技术在被导入时,常常会面临着许多的课题需要被解决,包括了生产设备、材料、制程手法等。当然,今天的备受注目的FO-WLP/PLP也是存在着这些无法避免的挑战。


以目前的技术材料限制下,就大方向而言FO-WLP/PLP这个新的技术急需要面对几项问题跟挑战。包括了,黏着剂需要具备相当好的晶片黏着特性、进行成型化合物时的蒸气去除控制、翘曲控制,以及针对面板级制程的均匀涂布与Debonding(图一)。


图一 : FO-WLP/PLP急需要面对的问题跟挑战(叁考资料:TOK、智动化整理绘制)
图一 : FO-WLP/PLP急需要面对的问题跟挑战(叁考资料:TOK、智动化整理绘制)

第一、在进行晶片固定制程时,黏着剂扮演着非常重要的角色,是否挑选了特性相当优秀黏着剂的话,将会直接影响产品的良率,也就是说成本是否能够降低的一大关键因素。


黏着剂的基本作用是能够让晶片可以在基板上黏着好。由於在进行晶片固定时,会对晶片施加一定程度的压力,让晶片能够固定在预定的位置上,如果黏着剂不具备较隹的黏着性,会在晶片与基板之间产生空隙,使得空气跑进这些空隙之中,形成所谓的气泡。因此,选择黏着剂的第一要件就是要不容易在晶片与基板之间产生气泡。


第二、再来就是需要一个与黏着剂搭配最适合的molding制程,因为当晶片固定基板时,molding制程的特性是高温又高压,如果黏着剂在高压、高温之下,会出现黏着效果不隹的情况下时,就会使得晶片出现位移,而造成失败的现象,因此,必须要高压高温之下,黏着剂能够把晶片固定的非常牢固,这时molding就是一个非常重要的技术。


第三、就是要能控制所谓的蒸气发生,当在进行molding的制程後,是很容易会出现蒸气,因为里面会有一些水分子造成蒸气,而这些由水分子产生的蒸气,会让晶片与玻璃层之间产生剥离的情况,所以蒸气的控制是非常的重要。


最後,是翘曲的控制(Warpage control),尤其是在面临进行Fan Out面板级制程时,会经常遇到所谓卷翘的问题,面板大概会产生在2~3mm的翘曲,而这样的弯曲程度会让基板与晶片出现10mm左右的间距。因此,这时就必须透过专用的设备与技术,来对基板进行翘曲的控制。


需要相当好的晶片黏着特性

导入Fan Out制程时到底要怎麽样来选择这个黏着剂的特性,就是说要能够容易进行黏着。当然黏着力是最重要的条件,除此之外,还必须有耐热的能力与容易被完全清除,而且更需要能适用在EMC(环氧成型化合物;Epoxy Molding Compound)mold这个制程之中。


图二是一项对於不同黏着剂在温度与模数(Modulus)的比较结果。在图中,横座标代表的是温度,而直座标则是Modulus,在这里Modulus所代表的是固定能力,Modulus越高的话,固定能力就愈强,而Modulus愈低便是愈柔软。



图二 : 黏着剂在温度与模数(Modulus)的比较结果。(资料来源:TOK)
图二 : 黏着剂在温度与模数(Modulus)的比较结果。(资料来源:TOK)

越牢固越下面,它就越松。黑色这个曲线代表的是在进行Wafer bonding常用的黏着剂,而红线则是Fan Out制程所专用的黏着剂。


从图表中可以看到,Wafer bonding常用的黏着剂,在温度200度以内时,这个黏着剂的黏着能力是可以将晶片黏着的相当稳当,但当温度高於200度时,就开始软化,而软化也就代表固定效果变差。也就是说,当进行晶片与玻璃基板Wafer bonding制程时的温度,必须要在200度以下的温度,才具备高度的黏着可靠度。


而代表Fan Out制程所专用黏着剂的红色这条线,虽然它的特性在较低温时,也是较柔软,但是制程温度持续增加下,即便是超过了200度,还是可以维持在一定范围的黏着能力值,因此相当容易能够依照这个特性来调整相关的制程。


一般来说,Fan Out制程技术下,当在进行晶片bonding阶段的温度大多是100度以下,不过当制程来到molding,也就是晶片固定,这时候的温度就会升高到180度左右,如果这时黏着剂的耐高温能力不足时,就会出现前述晶片位移的情况而导致失败。也就是说在进行晶片molding的时候,黏着剂必须要在高温维持可以黏着相当牢固的这样一个特性。


图三和图四是日本东京应化工业在Die bonding跟molding的部份,做一个黏着剂的一个比较模拟验证结果。


测试的条件是,在玻璃基板上,分别涂布了5μm的Wafer bonding与Fan Out制程用的旒着剂,而晶片的面积是5mm X 5mm。之後在80度的温度下进行bonding。


首先从正面的俯视照面看下去,可以发现图三中,无论是使用Wafer bonding或Fan Out制程用的旒着剂,都是没有气泡的,也就是说没有空洞。



图三 : 旒着剂涂布後,正面的俯视照面。(资料来源:TOK)
图三 : 旒着剂涂布後,正面的俯视照面。(资料来源:TOK)

但是,当进行molding制程时,测试的条件是涂布了50μm的黏着剂,但是因为东京应化工业并没有molding的设备,这个测试是工程师利用上下都是矽胶来代替晶片与玻璃基板。测试的温度分别是摄氏120度、140度跟160度。


当进行测试时,就会发现到当温度升高时,图四的双方会有相当明显的变化,尤其是在边缘的部分。在120度和140度时,虽然边缘的变化其实不大。但是当温度已经来到160度的时候,可以发现矽胶的边缘会有黏着剂一点点溶解所产生凸出的一个变化。



图四 : 当温度升高时,双方会有相当明显的变化。(资料来源:TOK)
图四 : 当温度升高时,双方会有相当明显的变化。(资料来源:TOK)

所以经由这个验证可以知道,如果使用Wafer bonding黏着剂在进行molding制程时,在高温的情况下会有Die bond的位移,如果是使用专为Fan Out所开发出来黏着剂,可以看到它在各种温度,尤其是在高温的情况下,是不会有任何的变化。


也就是说,在进行molding制程时选择针对Fan Out专属开发的黏着剂是非常重要的。


蒸气的去除控制

选择不适当的黏着剂除了在molding阶段会造成晶片位移之外,还有很大的可能性会出现蒸气。大家都能够了解,如果不采取有效解决方案的话,就照这样molding下去,其实会产生非常严重的蒸气问题。因此,接着来讨论Degas的挑战,如何在molding这个制程下进行有效的蒸气控制。


首先,先了解一下蒸气会产生什麽问题。当把晶片置放上去之後,紧接着就会开始进行molding来将晶片固定,如果这时在晶片与基板之间产生空气的话,不仅黏着效果会不好,甚至会有剥落的问题。这是因为mold compound的一个特性就是很容易吸湿,然後吸湿就会产生蒸气,而蒸气就会导致黏着剥落。


图五是蒸气的问题出现在molding时的结果。左边的照片可以看出来出现很严重剥落的情况,而右边则是没有剥落的完全正常状态。



图五 : 在molding时出现蒸气的问题。(资料来源:TOK)
图五 : 在molding时出现蒸气的问题。(资料来源:TOK)

因为有蒸气而产生的剥离现象,要怎麽样去解决这个问题,主要来讲可以有3个方法。


第一个方式,是让黏着这个涂层非常稳定,固定的非常牢固。如果蒸气很强的情况下,可以因为黏着剂本身非常的牢固,使得因为蒸气所产生的影响会大幅降低。第二是改良mold compound,让蒸气量降低,但在mold compound这个部份降低蒸气量其实是很难的,有技术上的困难性,目前还看不出来有比较好的方式。


第三是冷却处理,因为在排气之後蒸气量会降低,所以在进行mold compound之前先做冷却处理,可以有效减少蒸气所带来的影响。不过,这个方式大多业者都不太愿意采用,因为会影响到制程,整个时间跟效率是会对成本带来巨大的影响,所以这样的方式不太容易被接受。


关注热膨胀系数来降低基板的翘曲

另外,对於FO面板级的制程技术而言,翘曲的控制也是影响良率的一个关键课题。


图六与图七是翘曲(Warpage)控制的案例。在这两个案例显示了热膨胀系数(CTE)对於翘曲的影响。



图六 : 翘曲控制的案例。(资料来源:TOK)
图六 : 翘曲控制的案例。(资料来源:TOK)

图七 : 翘曲控制的案例。(资料来源:TOK)
图七 : 翘曲控制的案例。(资料来源:TOK)

在Wafer bonding下,把晶圆固定之後,可以看到矽晶圆的CTE大约是3 ppm,而玻璃基板的热膨胀系数一样是3 ppm,这代表着不太存在因为热膨胀系数所带来的影响,因此在Warpage影响中,曲线几??是呈现水平的。


但另一方面,环氧成型化合物 (Epoxy Molding Compound;EMC)的mold compound大概是10 ppm左右,所以贴合在3ppm的这个玻璃上面,它的翘曲度就会相对变得很大。这个就是所谓热膨胀系数的误差率,也就是3 ppm跟10 ppm之间的落差,落差越大所造成的翘曲率就越大。


因此需要去选择玻璃材质热膨胀系数的值,只要拿捏恰当,翘曲率就可以被控制得很好。这是单纯针对EMC的这个制程,在玻璃基板所显示的一个结果。


但是会影响翘曲并非只有玻璃基板材质的热膨胀系数,因为在制程里面还会有RLD跟D晶片,所以再加上去又出现更多不同的组合结果。所以,降低翘曲率从热膨胀系数做一个调整可以达到有效的改变来达到降低的目的,另外,也可以利用Fan Out 面板级专用设备来改善翘曲的问题。


对面板级制程的均匀涂布与Debonding

黏着剂的涂布对於Fan Out 面板级也是一项相当程度的考验。一般来说,黏着剂在晶圆级的涂布方式和面板级的涂布方式有着结构性的不同。


从图八可以看出来,晶圆级是透过Spin的方式来进行coating,而面板级则是采用Slit 的方式coating。



图八 : 进行Coating制程时,晶圆级是透过Spin的方式,而面板级则是采用Slit 的方式。(资料来源:TOK)
图八 : 进行Coating制程时,晶圆级是透过Spin的方式,而面板级则是采用Slit 的方式。(资料来源:TOK)

其实,对於LCD、FPD等平面显示器制程中.本来就有Slit coating这样的一个技术,但是同样的设备却并没有办法完全被套用在Fan Out制程技术里。主要有3个原因。


首先,涂布的时候没有办法均一,对於Fan Out面板级来说,coating之後需要有均一性平整性。


以FPD来讲,它只要15 mm里面涂满就可以了,但是面板级它就更严谨,只能从边缘开始算5到6个mm,大概3分之1不到,以厚度来讲,必须要很精准在5mm里,而且要均匀的涂满、涂平整,这是非常难的。


再来是气泡的问题,面板级因为比较厚,所以需要的涂层也比较厚,因此黏着剂浓度比较高、比较黏稠,所以中间就容易产生气泡。因此必须要去除这些气泡,如果利用一般FPD的技术,来把这个气泡脱除掉是很困难的,这时就必须在PUMP这个部分做改变,来进行改良。


再来就是先前提到的卷曲控制,因为只有10 mm那麽大。如果是产生这麽大的翘曲的话,就需要藉由设备让基板平整,这是非常重要的,因为如果面板出现这麽大的翘曲,是完全无法进行Slit coating,使得在良率上会出现很大的问题,所以很重要的就是进行Fan Out时要去控制卷曲度。另外还有debonding和Transfer bonder的部份。


以面板及制程来讲,必须要能够控制它的压力,越大的面积,就必须要均匀的去控制压力,未来市场的需求是650mm乘以650mm这麽大的面板的需求,所以这个部份的控制跟合并技术的开发跟设备的需求,都非常的重要,不仅可以防止气泡出现,还可以达到容易脱模。


目前大多是用雷射去脱模,所以处理时间就会变成是一个关键。相对於一般12寸的晶圆来讲,面板是非常的大,所以雷射反应的处理时间就会变得更长。


另外,晶圆脱模之後的一个关键是handling。在Wafer制程的时候,是采用Dicing tape来做handling,但是在面板的部份是没有Dicing tape,所以脱除之後面板的handling就很重要。


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