什么是IMEC 對晶圓級封裝?它有什么作用?IMEC提出了一種可滿足更高密度,，更高帶寬的芯片到芯片連接需求的扇形晶圓級封裝的新方法。IMEC的高級研發(fā)工程師Arnita Podpod和IMEC Fellow及3D系統(tǒng)集成計劃的項目總監(jiān)Eric Beyne介紹了該技術(shù),，討論了主要的挑戰(zhàn)和價值,，并列出了潛在的應(yīng)用。

    晶圓級封裝：適用于移動應(yīng)用的有吸引力的封裝解決方案

    如今,，許多電子系統(tǒng)仍然由多個元件組成，這些元件在晶片切割后單獨封裝，并且使用傳統(tǒng)的印刷電路板互連,。然而，這些年來,，對于更“苛刻”的應(yīng)用就需要先進的3D集成和互連技術(shù),。因為這大大減小了電子系統(tǒng)的尺寸，并且實現(xiàn)了子電路之間更快,，更短的連接,。這些技術(shù)之一是晶圓級封裝(Wafer Level Packaging)，即多個裸片在晶圓上同時被封裝,。由于整個晶圓現(xiàn)在是一次性封裝,，因此該解決方案比傳統(tǒng)封裝方案成本更低。此外,，所得封裝后芯片尺寸更小,，更薄，這是智能手機等尺寸敏感設(shè)備非?？粗氐?。在現(xiàn)今的智能手機上，大概5/7的芯片是晶圓級封裝的,，而且數(shù)量還在不斷增加,。

    扇入和扇出

    有兩種主要類型的晶圓級封裝：扇入式和扇出式，它們的區(qū)別主要在重分布層中,。重分布層(通常是有機層)用于將裸片的接口(I/ O)重新布線到所需的(凸塊)位置,。扇入就是重分布層跡線向內(nèi)布線，形成一個非常小的封裝(大致對應(yīng)于裸片本身的尺寸),。但是,，重分布工藝還可以用于擴展封裝的可用區(qū)域，延伸芯片觸點到超出芯片尺寸就形成了扇出式封裝,。通常,，這種扇出WLP(FO-WLP)技術(shù)提供比扇入式WLP技術(shù)更多的I /O數(shù)量。

    在移動應(yīng)用中,，扇出晶圓級封裝正在逐步取代更傳統(tǒng)的封裝上封裝(PoP)存儲器邏輯芯片堆疊解決方案,。

    這些PoP比扇出式厚得多，并且受到的互連帶寬和密度以及有限的間距縮放(幾百微米)的限制。在這些應(yīng)用中,，F(xiàn)O-WLP也優(yōu)于其他可用的高帶寬3D技術(shù),，例如3D堆疊(其中邏輯管芯中的熱點可能影響存儲器數(shù)據(jù)保持能力)或2.5D堆疊(其中較長的互連線產(chǎn)生較高的互連功率和額外成本)。

    兩個基本的“扇出”流程

    在過去幾年中,，已經(jīng)涌現(xiàn)了各種FO-WLP方法,，以滿足對高數(shù)據(jù)速率和寬I/ O數(shù)量的日益增長的需求，并滿足對封裝上增加的功能集成的需求,。所有這些方法都從兩個基本的扇出流程中的一個開始：“mold first”或“redistribution layer first”,。

    在“mold first “工藝中，首先將裸片組裝在臨時載體上,，然后進行晶片包覆成型,。環(huán)氧樹脂的功能是保護各個組件并將它們粘在一起。在最后,，制作重分部層并建立連接,。在“redistribution layer first”工藝中，在重分布層的工藝之后再做裸片組裝和晶片注塑成型,。

    這些方法中的每一種都有其自身的一些缺點,。例如，在“mold first “工藝中,，裸片通常在注塑成型之后發(fā)生移位,，這使得實現(xiàn)低于100μm的互連節(jié)距非常具有挑戰(zhàn)性?！皉edistribution layer first”工藝中,，可實現(xiàn)的密度受到(有機)再分布層能夠?qū)崿F(xiàn)的線和空間分辨率的限制。

    Flip-chip on FO-WLP：一種新的“扇出”方法,，可實現(xiàn)更高的互連密為了滿足更高密度,，更高帶寬的芯片到芯片連接的需求，IMEC團隊在300mm晶圓上開發(fā)了一種新穎的FO-WLP方法,，稱為Flip-chip on FO-WLP,。這個工藝屬于“mold first ”工藝，但與標(biāo)準(zhǔn)的“mold first ”工藝相反,，芯片在包覆成型之前已經(jīng)互相連接,。

    下面將解釋這種方法的優(yōu)點以及挑戰(zhàn)。

    這種新的扇出方案的已經(jīng)在TQV上得到驗證,。TQV由七個獨立的芯片組件組成：Wide I / O DRAM,，閃存，邏輯,，兩個TPV裸片和兩個硅橋,。因為這個TQV只是用于驗證,。因此，邏輯和存儲器芯片不是全功能的：它們是“模擬”裸片,，用于測試凸點連接之間的電連續(xù)性,。

    硅橋和TPV裸片是實現(xiàn)高密度連接的關(guān)鍵部件。TPV裸片具有硅通孔(TSV)和40μm節(jié)距的凸點,。硅橋具有40μm和20μm節(jié)距的凸塊,。這些元件在功能芯片(例如邏輯和存儲器芯片)之間形成橋接，實現(xiàn)具有20μm凸塊節(jié)距的超高芯片到芯片互連密度,。與標(biāo)準(zhǔn)“mold first “工藝相比,，另一個關(guān)鍵工藝是裸片間的緊密對準(zhǔn)。在該關(guān)鍵組裝步驟中,，需要將各個裸片高精度地放置并臨時鍵合在平坦的硅晶圓上。

    工藝流程細節(jié)

    在組裝工藝流程的第一步驟中,，將TPV片和邏輯裸片放置在覆有臨時鍵合層的載體晶片上,。接下來，使用熱壓接合(TCB)工藝連接硅橋(具有40μm和20μm的凸塊間距)與邏輯裸片和TPV裸片,。在該工藝步驟中,，具有40μm節(jié)距的凸塊連接到邏輯裸片的左側(cè)和TPV裸片。20μm間距凸塊連接到邏輯裸片的右側(cè),。在下一步驟中,，晶片由液態(tài)化合物注塑成型。測試顯示完全填充,，甚至是硅橋下方區(qū)域,。然后，通過研磨拋光暴露銅柱,，以便稍后與重分布層連接,。在將減薄的晶片翻轉(zhuǎn)并第二載體鍵合，并移除第一載體,。之后,，使用倒裝芯片技術(shù)組裝存儲器裸片。最后,，再一次晶圓級注模和第二載體的移除完成工藝流程,。在工藝步驟之間，會進行連續(xù)性測試以驗證電路完整,。最后得到封裝厚度僅為300-400μm的芯片(不包括焊球),。

    主要挑戰(zhàn)和解決方案

    這套工藝流程帶來了一系列挑戰(zhàn)，需要克服這些挑戰(zhàn)才能確保具有超高芯片到芯片互連密度的全功能封裝解決方案,。

    其中一個問題是在組裝工藝流程中裸片可能傾斜,，特別是對于長而窄的TPV裸片和硅橋,。這些裸片的傾斜可能會破壞組件之間的互連。為了評估傾斜是否以及何時發(fā)生,，IMEC團隊采用不同的力量來放置TPV裸片,。該團隊觀察到，即使是最大的貼裝力,，傾斜也限制在5μm以下,，這足夠低以保持連接性。接下來是,，邏輯裸片和TPV裸片之間的對準(zhǔn),，這已經(jīng)引起了相當(dāng)大的關(guān)注，并且被認為是FO-WLP工藝的關(guān)鍵因素,。

    邏輯裸片和TPV裸片彼此靠的非常近,，并且需要精確的對準(zhǔn)步驟以實現(xiàn)后續(xù)的硅橋40μm和20μm凸塊節(jié)距堆疊。例如,，為了實現(xiàn)所需的20μm凸塊間距,，僅可以容忍邏輯裸片和TPV裸片之間的最大+/-3μm的對準(zhǔn)誤差。為了實現(xiàn)這種極小的誤差,，該團隊將對準(zhǔn)標(biāo)記引入到載體和裸片設(shè)計中,。邏輯裸片首先與載體對準(zhǔn)。接下來,，放置TPV裸片,，與載體對準(zhǔn)因此與邏輯管芯對準(zhǔn)。最后,，使用高精度堆疊熱壓鍵合設(shè)備來放置硅橋,。

    在隨后的模制過程中，裸片仍然會移位,，從而損壞TPV和硅橋之間或邏輯裸片和硅橋之間的凸塊連接,。因此，IMEC團隊在成型之前和之后進行了專門的電氣測試,。測試表明,，模塑過程不會影響連接的完整性?；谶@些結(jié)果,，可以假設(shè)，如果這些裸片在注塑時移位,，它們應(yīng)該是在相同的方向上作整體位移,，因而不會破壞連接性。

    總結(jié)和未來展望

    通過這種新穎的方法,，IMEC團隊在扇出環(huán)境中展示了具有20μm凸塊節(jié)距的創(chuàng)紀(jì)錄的芯片到芯片互連密度,。在不久的將來,，該技術(shù)將得到進一步改進，電氣和射頻行為將以不同的配置進行評估,。

    所提出的技術(shù)對于移動應(yīng)用尤其具有吸引力,，因為它以非常小的形狀因子實現(xiàn)了經(jīng)濟有效的WideI / O存儲器到邏輯芯片互連。最終,，F(xiàn)O-WLP上的倒裝芯片也可能成為異構(gòu)集成的支持技術(shù),，瞄準(zhǔn)高性能應(yīng)用。它可以提供一種在電氣高度互連的封裝中集成多個裸片的方法,，包括高性能計算,，存儲器和光通信模塊。以上就是IMEC 對晶圓級封裝的一些思考,，希望對大家有所幫助,。