3D芯片封裝晶圓植球裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

劉勁松，郭 儉

(1.上海理工大學(xué)，上海 200093;2.上海微松工業(yè)自動化有限公司，上海 201114)

0 引言

3D芯片封裝技術(shù)在組裝密度、信號傳輸速度、電性能及可靠性方面的獨(dú)特優(yōu)勢，目前已成為能最大限度地提高芯片集成度和提高高速單片IC性能，制作高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品小型化、多功能化、高可靠性和高性能的最有效途徑。3D封裝的主要優(yōu)勢為:具有最小的尺寸和質(zhì)量，將不同種類的技術(shù)集成到單個封裝中，用短的垂直互連代替長的2D互連，降低寄生效應(yīng)和功耗等。

國際上公認(rèn)最具商業(yè)價值的芯片就是BGA/WLP(Ball Grid Array/Wafer Level Package)等3D封裝形式的處理器產(chǎn)品，美國TI為全球最大生產(chǎn)商。3D芯片封裝最主要的設(shè)備及工藝就是植球設(shè)備和工藝，目前該項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備均被國外公司所壟斷，其進(jìn)口設(shè)備售價昂貴、售后技術(shù)支持效果不佳，嚴(yán)重影響了我國芯片廠的產(chǎn)品換代升級進(jìn)程。掌握這項(xiàng)技術(shù)并研發(fā)出晶圓級植球機(jī)具有重大戰(zhàn)略意義，將推動我國3D芯片封裝技術(shù)的發(fā)展。這一國內(nèi)設(shè)備及工藝技術(shù)的誕生將改變國產(chǎn)芯片廠為外資品牌低端來料加工的歷史，可以生產(chǎn)中國自主品牌的芯片。

圖1 近20年世界芯片技術(shù)發(fā)展史簡表

1 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析

高密度3D芯片封裝技術(shù)是國內(nèi)外近幾年飛速發(fā)展的微電子封裝技術(shù)。疊層型3D封裝是應(yīng)用最廣泛的一種，各層互連可以是線焊、倒裝焊、硅通孔或是這三種方式的混合。不管是哪種具體的實(shí)現(xiàn)形式，3D封裝有幾個共性的難點(diǎn):凸點(diǎn)制作、通孔制作、芯片減薄和劃片、散熱及電路性能等。目前，3D層疊中的微焊點(diǎn)主要使用超細(xì)間距和高密度凸點(diǎn)陣列實(shí)現(xiàn)。晶圓上形成凸點(diǎn)有三種形式:電鍍方式、印刷錫膏固化方式和植球方式。電鍍方式具有造價貴、制造周期長、環(huán)境污染、工藝復(fù)雜和參數(shù)不穩(wěn)定等缺點(diǎn);印刷錫膏方式不容易控制凸點(diǎn)高度，很難制作小于200 μm的凸點(diǎn)。植球方式工藝穩(wěn)定［1］。目前，材料廠商可以提供質(zhì)量穩(wěn)定的60～250 μm的錫球用于量產(chǎn)。2002年從Intel公司首倡推廣使用晶圓植球技術(shù)開始，正逐漸被大多數(shù)客戶所接受，這種方式的成本也隨焊球和設(shè)備價格的下降而迅速下降，更具性價比優(yōu)勢。層疊后的芯片與PCB等載體相連時，又廣泛運(yùn)用到BGA基板植球技術(shù)［2］。

晶圓級微球植球機(jī)及周邊的微芯片檢測提取設(shè)備和BGA基板植球機(jī)設(shè)備的技術(shù)和專利近乎全部掌握在國外廠商手中［3］，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由國外公司制定;國內(nèi)企業(yè)研發(fā)工作面臨國外廠商的技術(shù)封鎖。針對該類設(shè)備的相關(guān)專利保護(hù)，具體進(jìn)行了深入的研究工作，研發(fā)了新的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計新型的結(jié)構(gòu)，申請專利保護(hù)我們的知識產(chǎn)權(quán)，并且已經(jīng)有幾款發(fā)明專利獲得受理和授權(quán)。

2 我國市場需求分析

早在20世紀(jì)60年代，美國和日本就開始研究BGA植球技術(shù)，并在20世紀(jì)90年代末開始出現(xiàn)BGA封裝規(guī)?；a(chǎn)。晶圓級微球植球機(jī)的技術(shù)源自基板植球機(jī)。我國內(nèi)資企業(yè)在2008年左右引入首套BGA基板植球機(jī)，2010年就開始了晶圓植球機(jī)的采購。

晶圓級微球植球機(jī)和BGA基板植球機(jī)是高端IC封裝設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備之一，可以和前后設(shè)備組成完整的3D芯片封裝生產(chǎn)線。隨著網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字電視、信息家電和3G/4G手機(jī)等產(chǎn)品大量需要高端IC電路產(chǎn)品，進(jìn)而對高引腳數(shù)的 MCM、BGA、CSP、SiP、PiP、PoP 等 3D 芯片封裝中高端產(chǎn)品的需求十分旺盛。

保守估計，2013年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場較2012年將萎縮6%左右;然而我國半導(dǎo)體專用設(shè)備市場將繼續(xù)增長，預(yù)計達(dá)到40億美元規(guī)模。封裝測試設(shè)備占國內(nèi)半導(dǎo)體專用設(shè)備市場在40%以上，超過16億美元。其中約10%為3D芯片封裝植球設(shè)備這樣的高密度高端IC封裝設(shè)備，而且逐年迅猛增長。晶圓植球機(jī)全球2013年銷售預(yù)期將達(dá)到20條線并將保持年均25%以上的增長。中國大陸封裝廠剛開始采用此類技術(shù)，設(shè)備需求持續(xù)強(qiáng)勁增長，預(yù)計中國大陸市場將保持30%以上的年均增長，具有良好的市場前景。

3 裝備設(shè)計目標(biāo)及技術(shù)工藝路線

裝備設(shè)計目標(biāo)是研究晶圓植球技術(shù)及設(shè)備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，具體研制用于3D芯片封裝的晶圓級微球植球設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計出簡潔而可靠的能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、高良率植球的機(jī)構(gòu)，完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)和多項(xiàng)專利技術(shù)的晶圓級微球植球機(jī)和并產(chǎn)業(yè)化，打破國外技術(shù)封鎖。設(shè)備技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界同期水平，并提供給國內(nèi)大型封測骨干企業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證生產(chǎn)。

晶圓級微球植球機(jī)主要產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)［4］如下。硅片尺寸:6/8/12 inch;最小端子間距:200 μm;錫球直徑:Ф100 μm ～ Ф500 μm;UPH:20;印刷和植球?qū)ξ痪?±30 μm;植球成功率:99.995%。

以上主要技術(shù)性能指標(biāo)為國際同期水平，上海微松公司針對該類設(shè)備的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)獲得多項(xiàng)授權(quán)專利，擁有發(fā)明專利的晶圓級微球植球用彈性體壓入裝置、微球自動收集及供球循環(huán)設(shè)備、BGA基板植球用焊球定位自動供給機(jī)構(gòu)等技術(shù)，克服了一些國外設(shè)備具有的缺點(diǎn)和不足，具有更高的性價比。

晶圓級微球植球機(jī)工藝和技術(shù)路線［5］如下。

(1)將晶圓盒放置到上料位后，機(jī)械手自動抓取晶圓進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)后放置到工作臺上;

(2)助焊劑和焊球的上料;

(3)圖像處理系統(tǒng)對晶圓和網(wǎng)板進(jìn)行認(rèn)識和處理，計算晶圓與印刷網(wǎng)板/植球網(wǎng)板的對位信息;

油墩子是將調(diào)稀的面糊，少許倒入橢圓形鐵勺中，加蔥花和咸的蘿卜絲，最后用箸挾上一條溪蝦，再復(fù)以面糊入油鍋炸，出鍋的油墩子擱在油鍋上端的鐵絲網(wǎng)里“嘀溜溜”地瀝著殘油，香味早已讓百米之內(nèi)的人折服。演變后的油墩子省去了蝦的原料，餡料就是清香的蘿卜絲。

(4)根據(jù)視覺認(rèn)識的處理結(jié)果把晶圓和印刷網(wǎng)板對位，執(zhí)行助焊劑印刷;

(5)自動清洗機(jī)構(gòu)對印刷網(wǎng)板進(jìn)行清洗;

(6)根據(jù)視覺認(rèn)識的處理結(jié)果把晶圓和植球網(wǎng)板對位，執(zhí)行植球;

(7)自動清洗機(jī)構(gòu)對植球網(wǎng)板進(jìn)行清洗;

(8)機(jī)械手自動將晶圓從工作臺上抓取，放回晶圓盒中。具體流程如圖2所示。

圖2 晶圓級植球流程示意圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

3D芯片封裝植球裝備技術(shù)的研發(fā)解決了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)急需的關(guān)鍵技術(shù)，形成了如下創(chuàng)新點(diǎn)。

4.1 超精密絲網(wǎng)印刷技術(shù)

晶圓級植球工藝中，絲網(wǎng)印刷用網(wǎng)板是微米級的薄板，晶圓和刮刀與網(wǎng)板的接觸都會造成印刷網(wǎng)板的彈性變形。需要對這種變形加以控制、尋找合適的工藝參數(shù)并最終實(shí)現(xiàn)精確的助焊劑印刷量控制并實(shí)現(xiàn)微米級的印刷精度，如圖3所示。

圖3 超精密絲網(wǎng)印刷原理示意圖

4.2 自動網(wǎng)板清潔技術(shù)

圖4 自動網(wǎng)板清潔機(jī)構(gòu)照片

4.3 晶圓級微球搭載技術(shù)

通過研究球徑、晶圓尺寸和壓力的關(guān)系曲線，研究測量反饋系統(tǒng)的誤差校正算法，設(shè)計實(shí)現(xiàn)Z軸壓力的精確控制以實(shí)現(xiàn)良好的植球效果。研究焊球流量與植球效果的匹配關(guān)系，設(shè)計實(shí)現(xiàn)焊球的自動供球、回收和循環(huán)系統(tǒng)。原理示意圖，如圖5所示。

圖5 晶圓級植球搭載技術(shù)原理示意圖

4.4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件

一個大系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，需要為操作人員提供各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，也需要為生產(chǎn)中的各項(xiàng)指標(biāo)提供可追溯和分析數(shù)據(jù)庫;因此生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件也是核心技術(shù)。

4.5 精密定位系統(tǒng)與算法

0.1 μm 的分辨率，1μm的絕對定位精度，2m的有效行程，定位技術(shù)的成熟與否決定了系統(tǒng)的可靠性［6］。本裝備的X－Y－θ植球平臺是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，下面將用一個章節(jié)分析其特點(diǎn)與選型。最多50軸(電機(jī))同時控制，在控制各種電機(jī)(直線，伺服，步進(jìn))的同時，采集傳感器過來的I/O信號。運(yùn)動控制算法也是系統(tǒng)研發(fā)的核心技術(shù)［7，8］。

5 X－Y－θ植球平臺的選型

X－Y－θ三自由度植球平臺是晶圓級微球植球機(jī)核心工作單元，主要由直線電機(jī)、DD(直接驅(qū)動)電機(jī)、內(nèi)外圈同步帶起升機(jī)構(gòu)、網(wǎng)板支撐平臺和精密支撐治具組成，可分別對6英寸、8英寸和12英寸晶圓進(jìn)行高精度定位，完成印刷和植球動作，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其對應(yīng)的搭載建模技術(shù)是晶圓植球機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。下面詳細(xì)分析X－Y－θ植球平臺搭載建模過程以及重復(fù)定位與絕對定位誤差計算。

圖6 X－Y－θ植球平臺結(jié)構(gòu)示意圖

精密支撐治具上等徑陣列出若干小孔，真空吸住晶圓，由θ向DD電機(jī)驅(qū)動，其技術(shù)參數(shù)如下。

根據(jù)軸向載荷Fa、力矩M和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T選用和校核θ向DD電機(jī)。

負(fù)載和θ向DD電機(jī)由直線電機(jī)驅(qū)動，其工作模式如圖7所示;誤差分析示意圖如圖8所示。

根據(jù)設(shè)定的工作模式計算出有效行程Ls1和Ls2與峰值載荷Fb1和Fb2，分別選用合適的Y向和X向直線電機(jī)。

X－Y－θ植球平臺聯(lián)動時，每一向都存在著重復(fù)定位誤差和絕對定位誤差，重復(fù)定位誤差可以由程序原點(diǎn)復(fù)歸解決，而絕對定位誤差很難消除，X向、Y向和θ向絕對定位誤差的累積將導(dǎo)致植球機(jī)植球失敗。理論上X向進(jìn)給x0mm，Y向進(jìn)給y0mm，θ向旋轉(zhuǎn)θ0°，距離晶圓中心Q'點(diǎn)的r0處某一植球點(diǎn)坐標(biāo)為P(x0，y0，z0)。而實(shí)際上，X向和Y向進(jìn)給動作完成后，晶圓中心Q'點(diǎn)可能是C'點(diǎn)，這是由于X向和Y向絕對定位誤差的累積造成的。其實(shí)，晶圓中心是C'點(diǎn)只是其中一種可能，X向和Y向聯(lián)動的絕對定位誤差是整個矩形ABCD，那么晶圓中心可能是其對應(yīng)的矩形A'B'C'D'內(nèi)任意一點(diǎn)(包括邊界)，圖中未作出。θ向旋轉(zhuǎn)動作后，理想狀態(tài)下，植球點(diǎn)P只偏移到了P1點(diǎn)，事實(shí)上，由于θ向也存在著絕對定位誤差，這將導(dǎo)致點(diǎn)偏移到圓弧上任意一點(diǎn)。以極限位置P2，討論X－Y－θ植球平臺聯(lián)動累積絕對定位誤差 δ。設(shè)P2(x2，y2，z2)，旋轉(zhuǎn)矩陣為R，平移矩陣為T，植球允許誤差[δ]，錫球直徑 d，則

累積誤差δ在植球允許誤差[δ]內(nèi)，X－Y－θ植球平臺可以保證植球精度［8］。

6 結(jié)論與展望

通過詳細(xì)闡述3D芯片封裝植球裝備技術(shù)的總體工藝流程和技術(shù)要求，特別是對晶圓植球機(jī)和BGA基板植球機(jī)的原理和技術(shù)規(guī)格的重點(diǎn)介紹，希望對我國自主發(fā)展高端芯片封裝業(yè)具有指導(dǎo)意義。從工藝和裝備角度為國內(nèi)同行貢獻(xiàn)了詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶I(yè)知識。

(1)3D芯片植球是高端WLP/BGA封裝必備的裝備，此項(xiàng)技術(shù)是解決我國高端芯片不能自給局面的必要手段。

(2)上海微松公司聯(lián)合上海理工大學(xué)已經(jīng)掌握了該項(xiàng)技術(shù)，培養(yǎng)了一批開發(fā)設(shè)計人才，隨著8/12英寸晶圓級及BGA基板級的商品機(jī)的持續(xù)開發(fā)，我國在此領(lǐng)域的自主創(chuàng)新將進(jìn)入深水區(qū)。

(3)我國封裝設(shè)備市場巨大，關(guān)鍵技術(shù)卻控制在外國企業(yè)的手中，突破封鎖，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)是我們的重任。

歡迎國內(nèi)的其他機(jī)構(gòu)研發(fā)人員與我們協(xié)同合作，共創(chuàng)中國高端芯片制造裝備的春天。

［1］JOHN H LAU.Low Cost Flip Chip Technologies for DCA，WLCSP，and PBGA Assemblies［M］.New York:McGraw-Hill，2000.

［2］賴志明.先進(jìn)封裝技術(shù) FC/WLCSP的應(yīng)用與發(fā)展［C］//2010中國電子制造技術(shù)論壇論文集，2010.

［3］郭儉，等.晶圓微芯片檢測提取設(shè)備的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械制造，2012(9):5-8.

［4］WHIPPLE T，et al，IC-Package Co-design and Analysis for 3D-IC design，3D System Integration［C］//3DIC 2009.IEEE International Conference，2009:1-6.

［5］MICHAEL QUIRK，et al.半導(dǎo)體制造技術(shù)［M］.韓鄭生，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［6］劉勁松，郭儉.BGA/CSP封裝技術(shù)的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003(5):602-604.

［7］TU K N.Reliability Challenges in 3D IC Packaging Technology［J］.Microelectronics Reliability，2011，51(3):517-523.

［8］AHMED JOUBAIR，et al.A Novel XY-Theta Precision Table and a Geometric Procedure for Its Kinematic Calibration，Robotics and Computer-Integrated Manufacturing［J］.2012，28(1):57-65.