現(xiàn)在的技術(shù)的發(fā)展也推動著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展。先進封裝技術(shù)已進入大量移動應(yīng)用市場，但亟需更高端的設(shè)備和更低成本的工藝制程,。更高密度的扇出型封裝正朝著具有更精細布線層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展,，所有這些都需要更強大的光刻設(shè)備和其它制造設(shè)備。

    最新的高密度扇出型封裝技術(shù)正在突破1μm線寬/間距(line/space)限制,，這被認為是行業(yè)中的里程碑。擁有這些關(guān)鍵尺寸(critical dimension，CD),，扇出型技術(shù)將提供更好的性能，但是要達到并突破1μm的壁壘,，還面臨著制造和成本的挑戰(zhàn),。此外，目前還只有少數(shù)客戶需要這樣先進的封裝技術(shù),。

    盡管如此,，扇出型封裝在眾多市場上正變得越來越受歡迎?！耙苿釉O(shè)備仍然是低密度和高密度扇出型封裝的主要增長驅(qū)動力,。”日月光(ASE)高級工程總監(jiān)John Hunt表示,，“隨著我們一級和二級的扇出技術(shù)獲得認證,，汽車行業(yè)將開始加速發(fā)展。高端市場的服務(wù)器應(yīng)用也在增長,?！?/p>

    重布線層(Redistribution Layer，RDL)是扇出型封裝的關(guān)鍵部分,。RDL是在晶圓表面沉積金屬層和介質(zhì)層并形成相應(yīng)的金屬布線圖形,，來對芯片的I/O端口進行重新布局，將其布置到新的,、節(jié)距占位可更為寬松的區(qū)域,。RDL采用線寬(line)和間距(space)來度量，線寬和間距分別是指金屬布線的寬度和它們之間的距離,。

    扇出型技術(shù)可分成兩類：低密度和高密度,。低密度扇出型封裝由大于8μm的line/space(8-8μm)的RDL組成。高密度扇出型封裝有多層RDL,，CD在8-8μm及以下,，主要應(yīng)用于服務(wù)器和智能手機。一般來說,，5-5μm是主流的高密度技術(shù),，1-1μm及以下目前還在研發(fā)中。

    “就設(shè)計規(guī)則的激進程度而言，目前仍然有各種各樣的扇出型技術(shù),。很多產(chǎn)品都受到外形尺寸,、性能以及成本等因素的影響?！盫eeco全球光刻應(yīng)用副總裁Warren Flack說道,，“具有較小CD的重布線層能夠減少扇出型封裝中的重布線層數(shù)。這能降低整體封裝成本并提高良率,?！?/p>

    成本是許多封裝廠需要考慮的因素。因為并非所有客戶都需要高密度扇出型封裝,。挑戰(zhàn)性(非常小)CD的扇出技術(shù)相對昂貴,，僅限于高端客戶。好消息是,，除了高密度扇出型封裝之外,，還有其它大量低成本的封裝技術(shù)可供選擇。然后,，另一方面,，客戶也正在推動封裝廠商降低其制造成本，特別是對于扇出型封裝和其它先進封裝,。在扇出型封裝中,，有幾個工藝步驟，包括光刻——一種在結(jié)構(gòu)上形成細微特征圖案的方法,。

    在封裝領(lǐng)域,，有幾種不同的光刻設(shè)備類型，例如對準式曝光機,、直接成像,、激光燒蝕和步進式曝光機(stepper)，每項技術(shù)能力不同,。換言之,，封裝廠商可能會使用不同的設(shè)備類型進行扇出型封裝。

    什么是扇出型封裝?

    扇出型封裝技術(shù)在封裝市場是較為熱門的話題,。在扇出型技術(shù)中,，裸片直接在晶圓上封裝。由于扇出型技術(shù)并不需要中介層(interposer),，因此比2.5D/3D封裝器件更廉價,。扇出型技術(shù)主要可以分作三種類型：芯片先裝/面朝下(chip-first/face-down)、芯片先裝/面朝上(chip-first/face-up)和芯片后裝(chip-last,，有時候也被稱為RDL first),。

    在chip-first/face-down工藝流程中，晶圓廠首先在晶圓上加工芯片，然后將晶圓移至封裝廠進行芯片切割,。最后，通過芯片貼裝系統(tǒng),，再將芯片放置在臨時載板上,。EMC(epoxy mold compound，環(huán)氧模塑料)被塑封在芯片和載板上,，形成所謂的重構(gòu)晶圓(reconstituted wafer),。然后，在圓形重構(gòu)晶圓內(nèi)形成RDL,。

    在RDL制造流程中,，先在襯底上沉積一層銅種子層，再在該結(jié)構(gòu)上涂布一層光刻膠,，然后利用光刻設(shè)備將其圖案化,。最后，電鍍系統(tǒng)將銅金屬化層沉積其中,，形成最終的RDL,。

    RDL的CD取決于應(yīng)用。許多扇出型封裝不需要先進RDL,。在可預(yù)見的未來,，5-5μm及以上的封裝仍將是主流技術(shù)。在高端領(lǐng)域,，ASE正朝著1-1μm及以下的RDL進軍,。與此同時，臺積電(TSMC)也緊跟步伐,，目前正在研發(fā)0.8μm和0.4μm的扇出型技術(shù),。先進扇出型技術(shù)終將支持高帶寬存儲器(high-bandwidth memory，HBM)的封裝,。

    “扇出型方法有很多種,。我們可以看到CD越來越小，越來越有挑戰(zhàn)性,。銅柱的間距也越來越小,。”Veeco的光刻系統(tǒng)亞洲業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理Y.C. Wong說道,，“通常,，主流的RDL仍在5-5μm及以上。目前我們可以看到也有2-2μm或3-3μm在生產(chǎn),。而現(xiàn)在1-1μm還只是處于研發(fā)狀態(tài),。當5G真正發(fā)展起來以及隨著存儲器帶寬需求變高時，以上需求都將被驅(qū)動。這也將推動市場對2-2μm和3-3μm及以下的更多需求,?！?/p>

    盡管如此，所有扇出型技術(shù)仍然都面臨著挑戰(zhàn),?！吧瘸鲂头庋b的主要挑戰(zhàn)是翹曲(warpage)/晶圓彎曲(wafer bow)問題。此外,，芯片放置也會影響晶圓的平整度和芯片應(yīng)力,。所以芯片偏移(die shift)給光刻步驟和對準帶來了挑戰(zhàn)?！盰ole分析師Amandine Pizzagalli說道,。

    成本也是關(guān)鍵因素之一。具有挑戰(zhàn)性CD的封裝往往更昂貴,。相反,，CD要求低的封裝則更便宜。在任何情況下,，客戶對IC封裝的價格都是敏感的,。他們希望盡可能降低封裝成本。因此,，他們希望封裝廠商降低制造成本,。這個故事還有另外一面。封裝客戶可能想要一款具有挑戰(zhàn)性RDL的扇出型產(chǎn)品,。但是該封裝技術(shù)必須達到一定的需求量才具有研發(fā)的可能性,。如果封裝需求量達不到目標，則很難獲得回報,。因此,，目前來說可能還沒有動力驅(qū)動更小RDL的封裝研究。

    對準曝光機(Aligners)vs. 步進式曝光機(steppers)

    當然,，光刻技術(shù)在扇出型和其它封裝類型中起著關(guān)鍵作用,。在晶圓廠，光刻設(shè)備被用于納米級的特征圖案,，這也是至關(guān)重要的,。同時，在封裝廠,，光刻和其它設(shè)備被用來處理凸點(bump),、銅柱(copper pillar)、RDL和硅通孔(TSV),，這些結(jié)構(gòu)都屬于微米級,。

    根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)表明,，2019年用于封裝的光刻設(shè)備市場規(guī)模預(yù)計將達到1.416億美元，高于2018年的1.287億美元,。Pizzagalli稱,，所有的新設(shè)備采購清單中，約85%涉及步進式曝光機,，其次是掩模對準曝光機,，占比相比前者低15%。掩模對準曝光機和步進式曝光機都屬于光刻類別,。為此，該工藝從光掩模版開始,。設(shè)計人員設(shè)計IC或封裝,，然后將其轉(zhuǎn)換成文件格式，再基于該格式開發(fā)光掩模版,。

    光掩模版根據(jù)給定圖形進行設(shè)計,。掩模版顯影后，被運送到晶圓廠或封裝廠,。將掩模版放置在光刻設(shè)備中,。該設(shè)備發(fā)射光線透過掩模版，在器件上形成圖案,。多年來,，掩模對準曝光機一直是封裝界的主流光刻設(shè)備?！把谀势毓鈾C的工作原理是將掩膜版的全區(qū)域圖形投影到襯底上,。由于投影光學(xué)器件沒有減少，掩模版必須放置在晶圓附近,。因此,，其分辨率被限制在約3μm line/space?！盓V Group業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Thomas Uhrmann表示,。

    如今，掩模對準曝光機主要用于封裝,、MEMS和LED(發(fā)光二極管)領(lǐng)域,。“雖然在生產(chǎn)過程中很難達到3μm以下的line/space要求,，但在先進封裝中,，掩模對準曝光機還有其它優(yōu)勢。例如,，掩模對準曝光機在需要高強度和高曝光次數(shù)的凸點和厚抗蝕劑曝光領(lǐng)域具有性能和成本優(yōu)勢,?！盪hrmann說道。

    然而,，對于更先進的應(yīng)用,，封裝廠則會轉(zhuǎn)向使用一種稱為步進式曝光機的光刻系統(tǒng)。使用先進的投影光學(xué)系統(tǒng),，步進式曝光機的分辨率高于掩模對準曝光機,。步進式曝光機可以將圖像特征以更小比例從掩模版轉(zhuǎn)移到晶圓上。不斷重復(fù)該過程,，直到晶圓被加工完成,。封裝領(lǐng)域步進式曝光機的主要參與者有Canon(佳能)、Rudolph(魯?shù)婪?,、Veeco(維易科)及其它競爭者,。

    對于許多應(yīng)用來說，封裝廠商選擇使用步進式曝光機出于幾個原因,?！爱斘覀冮_始研究步進式曝光機可以做些什么的時候，我們可以提供一些顯著的改進,?！盫eeco公司的Flack說道，“縮小CD在過去幾年里一直是我們考慮的重要因素,。步進式曝光機也正在縮小套刻精度以匹配CD?，F(xiàn)在，它必須能夠處理更多不同尺寸的襯底,?！?/p>

    與此同時，在晶圓廠,，芯片制造商使用193nm波長的光刻系統(tǒng)來進行特征成像,。然而在封裝廠，由于特征尺寸更大,，封裝廠無法使用此波長的設(shè)備,。相反，他們使用的光刻機波長更長,，如436nm(g-line),、405nm(h-line)和365nm(i-line)三種波長。在封裝過程中,，一些步進式曝光機僅具備i-line波長,，而有一些則支持更多的波長。例如,，Veeco推出的一種稱為寬波段步進式曝光機,，支持三種不同波長——436nm,、405nm和365nm，通常是由寬波段光譜汞燈產(chǎn)生的,。

    對于更具挑戰(zhàn)性的CD,，該步進式曝光機可被調(diào)整為支持“僅i-line”模式，用于處理1-1μm的特征圖形,。此外,，該設(shè)備還支持“ghi”模式，處理2-2μm及以上的應(yīng)用,。步進式曝光機可用于一系列IC封裝中,，包括扇出型封裝。在扇出型封裝中,，光刻設(shè)備有助于完成RDL,。

    這些系統(tǒng)還必須處理芯片偏移問題。如上文所述,，當芯片嵌入重構(gòu)晶圓中時，它們會隨著制程發(fā)生移動,，造成芯片偏移,，從而影響良率。

    為了解決這個問題,，業(yè)界正在開發(fā)具有更好對準技術(shù)的光刻設(shè)備,，以補償芯片偏移?！坝袃煞N方法可以解決這個問題,。從光刻的角度來看，你可以盡可能多地修正它,、可以調(diào)整晶圓上的刻度,、可以調(diào)整放大率等。但這是假設(shè)所有芯片都以同樣的方式移動的情況下,。如果偏移是隨機的,，那么幾乎不可能糾正這種情況?！盫eeco的Flack說,，“對于高端應(yīng)用，我們需要努力確保芯片不會偏移,。在某些情況下,，可以通過放置和對準芯片的技術(shù)來實現(xiàn)?！?/p>

    芯片偏移仍然是所有扇出技術(shù)持續(xù)存在的挑戰(zhàn),。另一挑戰(zhàn)是制備RDL,。在5-5μm范圍內(nèi)通過RDL進行扇出封裝幾乎沒有或完全沒有問題。甚至在2-2μm范圍內(nèi)的RDL也在生產(chǎn)中,。隨著扇出型封裝不斷向1-1μm及以下發(fā)展,，挑戰(zhàn)越來越大。目前能解決此問題的訣竅是以高良率制備更精細的RDL,。

    目前該行業(yè)已經(jīng)可以達到1-1μm的分辨率,。例如，Veeco在步進式曝光機中使用“僅i-line”模式,，顯示分辨率為1-1μm,。步進式曝光機具有可變數(shù)值孔徑(numerical aperture，NA)物鏡和1X掩模板,。然而盡管如此,，還是存在一些挑戰(zhàn)。根據(jù)Veeco和Imec最新的論文中所述,，在制備RDL過程中,，必須保證銅足夠厚，以降低金屬線的電阻,。因此,，光刻膠的縱橫比必須最大化。根據(jù)該論文,，這需要具有較大焦深的光刻設(shè)備來處理扇出技術(shù)出現(xiàn)的高度變化,。

    同時，有些公司提供“僅i-line”系統(tǒng),。例如,，佳能最新的i-line設(shè)備采用孔徑為0.24的物鏡，確保分辨率≤0.8μm,。

    “領(lǐng)先的1μm先進封裝工藝需要使用化學(xué)放大原理的光刻膠,，由于其光致酸產(chǎn)生劑的特性，僅對i-line波長敏感,。因此,，它需要i-line曝光光源來實現(xiàn)小于1μm的分辨率?！奔涯艿臓I銷經(jīng)理Doug Shelton說道,，“要求寬波段曝光的客戶將使用成熟的DNQ光刻膠來對準粗糙的圖案層，這些光刻膠對i-line和h-line波長敏感,，而對g-line波長不敏感,。對于那些挑戰(zhàn)性較小的應(yīng)用，我們可以利用系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以選擇允許寬波段i/h-line曝光,，以提高粗加工的產(chǎn)出量,。”

    因此,，使用當今的技術(shù)將RDL突破1μm是有可能的,，但目前尚不確定。這也是封裝行業(yè)一直在爭論的話題,。然而,，不管步進式曝光機的波長類型，突破1-1μm都存在一些挑戰(zhàn),。光刻設(shè)備當然是有能力達到的,，但目前的RDL流程還存在其它問題?！爱斀档?-1μm以下時,，會遇到其它與光刻無關(guān)的問題，這將限制其被采用的速度,?！盫eeco公司的Flack說道，“只要種子層占銅線寬度的一小部分,，它能很好地工作,。當小于1μm時，種子層占線寬的比例增加,，會出現(xiàn)低良問題?！?/p>

    簡而言之,，傳統(tǒng)的RDL工藝是突破1-1μm的潛在障礙?！霸谶@一點上的轉(zhuǎn)變,，將是行業(yè)面臨的真正挑戰(zhàn)?！盕lack表示,。因此，該行業(yè)同時也在研究其它工藝流程,，如雙大馬士革工藝(dual damascene),。多年來，芯片制造商一直使用雙大馬士革工藝來實現(xiàn)晶圓廠后道工藝(backend-of-the-line,，BEOL)中芯片的銅互連,。

    在雙大馬士革工藝中，BEOL和封裝的工藝步驟類似,。在封裝中,，絕緣層沉積在襯底上,。然后，對溝槽進行圖案化和刻蝕,，并用銅填充溝槽,。對于封裝來說，雙大馬士革工藝是可行的,，可以將RDL降到1-1μm及以下,。“這項工藝很好,，但價格昂貴,。有技術(shù)解決方案，但成本效益可能不高,?！盕lack說。

    臺積電(TSMC)目前也在探索雙大馬士革工藝,，但對大多數(shù)廠商來說,，價格太昂貴了。因此,，該行業(yè)還需在此“競技場”上實現(xiàn)經(jīng)濟效益的突破,。

    激光成像、燒蝕等光刻技術(shù)

    激光直接成像(laser direct imaging)是另一種用于封裝的光刻技術(shù),。激光成像類似于直寫或無掩模(maskless)光刻,。它不需要直接使用掩模版就能實現(xiàn)在芯片上進行加工，因此削減了封裝成本,。奧寶科技(Orbotech)和迪恩士(Screen)是激光直接成像系統(tǒng)的供應(yīng)商,。據(jù)消息稱，另一家公司Deca也開發(fā)了具有專利的激光直寫技術(shù),。

    激光成像可以解決扇出型封裝中的芯片偏移問題,。如上所述，第一步是構(gòu)建重構(gòu)晶圓,。然后,，使用芯片貼裝系統(tǒng)將芯片放置在晶圓上?！皢栴}就出現(xiàn)在這里,。當你把芯片放在上面時，芯片彼此之間并不完美,。很難將芯片精確地保持在我們想要的微米范圍內(nèi),。”Deca首席技術(shù)官Tim Olson表示。

    Deca公司的“自適應(yīng)圖案化(Adaptive Patterning)”技術(shù)則是解決芯片偏移的一種方法,。ASE是Deca的投資者,，正在基于這種圖案化技術(shù)生產(chǎn)M系列扇出型產(chǎn)品。Deca的技術(shù)包括四個模塊的工藝流程——晶圓準備,、拼板,、扇出和檢查。它支持研發(fā)具有更精細的RDL的5-5μm多層扇出型封裝,。

    在晶圓準備過程中,，可在芯片上電鍍銅。然后,，在拼板步驟中,，使用高速系統(tǒng)以每小時28000顆芯片的速度將芯片放置在重構(gòu)晶圓中。相比之下,，傳統(tǒng)的芯片貼裝系統(tǒng)每小時只能完成2000多顆芯片,。然后，通過使用檢查技術(shù)來測量晶圓上每個芯片的實際位置,。Olson解釋道:“芯片測量檢查是拼板加工過程中的最后一步,，用于制造過程中每個拼板的實時設(shè)計?！?/p>

    然后,，RDL以芯片先裝/面朝下的流程開發(fā)。在曝光步驟期間,，系統(tǒng)重新計算RDL圖案以適應(yīng)每片晶圓中的每顆芯片偏移,。這個過程只需要28秒?？偖a(chǎn)出量為每小時120片晶圓,。“自適應(yīng)圖案化是一種系統(tǒng),，旨在自動補償制造過程中的自然變量，而不是專注于消除所有變量,?！監(jiān)lson說道，“在典型的應(yīng)用中,，通過芯片貼裝,、注塑和其它工藝步驟，允許芯片在‘X’軸和‘Y’軸上的變量高達60μm,。自適應(yīng)圖案化通過制造中的實時設(shè)計自動消除了97%的變量,，實現(xiàn)了2μm以下的有效互連公差。目前我們正在開發(fā)中的下一代自適應(yīng)圖案化技術(shù)將支持2μm的特性，尺寸將縮小為0.8μm,?！?/p>

    ASE計劃在2019年或2020年使用來自Deca的相同技術(shù)，提升面板級扇出型封裝,。同時,，該封裝也將使用自適應(yīng)圖案化技術(shù)。

    與此同時,，Suss MicroTec公司也在開發(fā)一種叫做激光燒蝕(laser ablation)的干法圖案化工藝,。Suss的準分子燒蝕步進式曝光機結(jié)合了基于掩模版的圖案化燒蝕?？梢詫崿F(xiàn)3μm的line/space,，而2-2μm也在進展中。

    “準分子激光燒蝕是利用高功率紫外(UV)準分子激光源的特性直接去除材料,。典型的波長是308nm,、248nm和193nm?！盨uss光子系統(tǒng)總裁兼總經(jīng)理Markus Arendt說道,，“準分子燒蝕瞬間將相容的目標材料(即聚合物、有機電介質(zhì))從固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)和副產(chǎn)物(即亞微米干碳顆粒),，從而產(chǎn)生很少甚至沒有熱影響區(qū)以及更少的碎片,。”

    通過使用該技術(shù),，Suss一直專注于晶圓級工藝,。此外，他還研發(fā)了雙大馬士革工藝RDL流程及其它技術(shù),?！拔覀兊漠a(chǎn)品路線圖包括許多新項目?！盇rendt說,，“然而，最值得注意的兩個問題是：(1)新的大視場,、高NA投影物鏡,，可在生產(chǎn)中實現(xiàn)2μm的line/space;(2)雙激光版本，可實現(xiàn)更大的掃描光束,，從而顯著提高產(chǎn)出量并降低購入成本,。”

    并且,，Brewer Science公司正在研究另一種方法,。它在注塑混合物中使用一種薄膜，像模板一樣工作，可解決芯片偏移問題,?！斑@是環(huán)氧塑封材料的替代品?！盉rewer高級技術(shù)執(zhí)行總監(jiān)Rama Puligadda說道,，“你預(yù)先形成模板，然后可在那里用硅制造空腔,?！憋@然，用于封裝的創(chuàng)新光刻解決方案并不缺乏,。但是要突破1-1μm還需要繼續(xù)努力,。即使業(yè)內(nèi)人士都知道這一點，但也必須滿足客戶苛刻的成本要求,。這些因素都會讓這個行業(yè)忙碌一段時間,。以上就是封裝技術(shù)的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，需要工程師們