紫外雷射剝離,適用於chip last或RDL-first扇出型晶圓級封裝

紫外雷射剝離，適用於chip last或RDL－first扇出型晶圓級封裝

工程師曾玲 發表於 2018-07-10 09:27:00

扇出型封裝（fan－out packaging）是應用於眾多移動應用的成熟技術。早期的半導體封裝一直是單晶片封裝，為支持功能增加導致布線密度越來越大的發展趨勢，要求更複雜的封裝、堆疊封裝（stacked packages）、系統級封裝（systems inpackage），同時還要滿足高性能。隨著技術的發展，扇出型封裝正在縮小成本與高性能之間的矛盾。無論是為滿足更小尺寸的需求使晶圓變薄，實現焊料成本的節約，還是作為重新布線層（redistribution－layer，RDL）首步工藝的工藝平臺，所有封裝均需要臨時鍵合（temporary bonding）。

臨時鍵合需要鍵合（bonding）和剝離（debonding）兩種工藝。從扇出型晶圓級封裝（fan－out wafer－level packaging，FoWLP）到功率器件，每種應用在工藝溫度、機械應力和熱預算等方面都有獨特的要求，因此確定合適的剝離技術比較困難。這裡只是枚舉了幾個例子，實際情況更為複雜。我們將在本文中重點討論雷射剝離（laser debonding）：如抗高溫更兼容的材料可應用於哪些情況，雷射剝離的特性適於哪些應用等。

為了控制剝離帶來的熱輸入，紫外雷射（UV lasers）常被用於剝離不同材料供應商提供的不同臨時鍵合材料。為了確保最低的維護工作量，二極體泵浦固體雷射器（diode－pumped solid－state，DPSS）可將高度工藝控制的光束整形光學（beam－shaping optics）與最低熱輸入相結合，不失為是一項正確的選擇。

圖1 Chipfirst扇出型晶圓級封裝製造工藝流程示意圖

圖2 Chiplast扇出型晶圓級封裝（又稱RDL first）製造工藝流程示意圖

扇出型晶圓級封裝（FoWLP）中臨時鍵合面臨的挑戰

FoWLP能在行業內收穫巨大利益，一定程度上取決於其採用了載板（carrier），臨時鍵合材料對化學和熱兼容性的要求很高。某些聚醯亞胺符合這種嚴苛的環境，也適用於雷射剝離。

儘管鍵合和剝離都是FoWLP的工藝，但兩者的需求差異很大。通過觀察各種應用中不同的半導體工藝，顯然沒有任何一種剝離工藝解決方案可與所有的半導體工藝兼容，多個解決方案是必然選擇。這就是開發出的各種各樣的剝離工藝（剝離技術是臨時鍵合的特徵）至今仍都在使用的原因。

主流剝離技術的比較

最常見的方法有：熱滑動剝離（thermal slide－off debonding）、機械剝離（mechanical debonding）和紫外雷射剝離（UV laser debonding）。這三種方法均適用於大批量生產，在工藝兼容性方面差異巨大。

熱滑動剝離（thermal slide－off debonding）是一種利用熱塑材料作為器件與載板晶圓（carrier wafer）之間粘合夾層（adhesive interlayer）的方法。該方法利用了熱塑材料的可逆熱特性，意味著在較高的溫度下，該材料的粘度會下降，從而能通過簡單地滑動兩邊的晶圓來完成剝離。熱剝離的特點是根據熱塑材料的溫度特性，使用範圍在130°C到350°C之間，因此在較高的溫度下就可完成鍵合與剝離。溫度穩定性在很大程度上取決於機械應力，我們可以觀察到這是由於熱塑材料在高溫下具有低粘度。

機械剝離（mechanical debonding）是一種高度依賴晶圓表面特性、臨時鍵合材料的粘附力和內聚力的方法。對於大多數材料系統，均可使用機械釋放層（mechanical release layer）來實現可控剝離。機械剝離的主要特點是：可在室溫下處理，且強烈依賴機械應力。由於機械剝離需要在臨時鍵合材料與晶圓間產生低粘附力才能成功剝離；因此，在FoWLP應用中使用這種方法是有些困難的。這是因為FoWLP工藝中產生的較高應力會導致自發性的剝離，甚至在減薄工藝中也會出現，這就會導致良率的急劇下滑。

雷射剝離（laser debonding）是一種通過幾種不同的變量來實現剝離的技術。該方法的剝離機制依賴於：雷射種類、臨時鍵合膠，以及用於該工藝的特定釋放層。紅外雷射剝離依靠熱過程進行工作：將光吸收並轉化為熱能，從而在鍵合界面內產生高溫。紫外雷射剝離則通常依靠化學過程進行工作：使用光吸收的能量來破壞化學鍵。破壞聚合物的化學鍵會導致原始聚合物進行分解。分解物包括氣體，就會增加鍵合界面的壓力，因而幫助剝離。由於在剝離工藝前，臨時鍵合膠對晶圓具有很高的粘附力，因此這種方法非常適用於FoWLP應用中。

扇出型晶圓級封裝（FoWLP）應用的優化解決方案

據麥姆斯諮詢介紹，由於剝離過程中的熱輸入是有限的，因此紫外雷射在FoWLP中更具優勢。載板晶圓必須能通過紫外雷射的穿透，以確保雷射能量的有效利用，延長載板晶圓的壽命。目前有兩種主要類型的紫外雷射（全固態雷射和準分子雷射），每種雷射均可選多種波長。波長大於300nm的雷射是最理想的選擇，出於以下兩個原因的考量：首先，市場可選用的雷射剝離材料的波段可有效吸收和剝離高於300nm波長的雷射；其次，因為玻璃能夠在該波段範圍內實現高傳輸，即該波段雷射允許採用標準玻璃晶圓作為載板。

由於全固態雷射無需定期更換滷素氣體，因此維護成本較低。而且功耗非常低，以每周工作7天、每天工作24小時的功耗來計算，全固態雷射可運行5年。此外，由於光學設置緊湊，對實現更小尺寸的引腳有利。圖3為全固態雷射常見的高斯光束。

圖3 通常全固態雷射要求高脈衝重疊。重疊區域表示雷射剝離中所使用的輻射照射（radiant exposure），而紅色區域則表示不能用於剝離的能量

紫外雷射剝離對輻射能量有閾值要求，這意味著在輻射照射特定值以上發生剝離。在圖3中，重疊區表示輻射照射適於剝離。低於或高於該值的能量（圖中紅色區域）均不能剝離，通常就轉化為熱能，這就會導致碳化和產生粒子。由於在高斯分布邊緣的雷射束缺少足夠的能量，所以必須有一定的脈衝重疊，這時額外的變量優化是必須的，以便在沒有碳化時成功剝離。此外，光束中心的多餘能量會導致碳化。高斯分布的光束不適合限制剝離中的熱效應。

通過使用專用光學裝置進行光束整形，高斯光束可被整形成近top hat光束。通過使用這種光學裝置，可得到用於剝離的重複性好的光束，形貌與圖4中top hat光束相似（在此基礎上，光束的形狀不會隨時間而改變），從而限制熱輸入。與這種雷射的高脈衝重複率相結合，就可實現更嚴格的工藝控制，並且能夠掃描固定晶圓的表面，從而實現剝離工藝的高產出。圖5描繪了掃描過程，與準分子雷射相比，晶圓固定在靜止的載臺上，雷射點由晶圓上方的掃描振鏡（galvo scanner）控制，整個剝離過程速度較快，可以實現高產出。

圖4 先進的紫外雷射解決方案，利用光束整形光學將高重複性掃描與雷射能量效率相結合。在重疊區域中，用於剝離的輻射照射效率非常高

圖5 EVG雷射剝離解決方案，是將全固態雷射與光束整形光學結合起來，以實現高產出的可控過程

如圖6所示，測試晶圓被用於確定剝離的最佳輻射照射值。即使是top hat光束，為減少熱效應，輻射照射值接近於剝離閾值是非常重要的。儘管如此，較少的重疊部分也是必要的，因為臨時鍵合材料與晶圓間的粘附力非常高。

圖6 用於雷射剝離的測試晶圓，不同的軌道代表了不同雷射的剝離效果

未來扇出型晶圓級封裝（FoWLP）的臨時鍵合

超薄扇出堆疊型封裝（FoWLP），也被稱為層疊封裝（Package on package，PoP），由於此類封裝能大幅提高器件密度，目前已被納入多種應用的技術路線圖之中。然而，未來PoP對重新建構晶圓（reconstituted wafers）要求厚度更薄，這將為臨時鍵合帶來更多挑戰。例如，由注塑（molded）晶圓與載板晶圓堆疊組成的臨時鍵合晶圓的彎曲度（bow）必須最小化，以確保減薄均勻。最大總厚度變化（TTV）的規範也會根據最終晶圓的厚度變得更嚴格。對於不同的3D應用，涉及連線的問題，如選擇「via first」還是「via last」，在PoP中也變得多了起來。雖然有多個工藝可選，但沒有哪家扇出型封裝企業已具備標準的工藝流程。

總結

由於紫外雷射可在室溫下進行剝離，且可以使用化學性質穩定的材料，因此紫外雷射剝離是一種既適用於chip first，也適用於chip last（或RDL－first）扇出型晶圓級封裝（FoWLP）的方法。本文介紹的紫外雷射剝離解決方案不僅結合了全固態雷射的優點，具有維護成本低、功耗低的優點，由於特殊的光束整形光學，還實現了高脈衝頻率與高空間控制的結合。

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