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下一代激光辅助键合 (LAB) 技术

2023-05-18 17:40:36  来源:激光网原创    

  在半导体市场,包括智能手机、平板电脑、中央处理器(CPU)、人工智能(AI)、数据云等在内的许多应用都有望快速增长。其中,CPU数据处理、人工智能和数据云对功耗的要求远高于智能手机或平板电脑。对于更高功率的应用,倒装芯片球栅阵列 ( FCBGA ) 或2.5D具有高热性能的封装有望成为合适的封装。对于 FCBGA 封装,散热器和热界面材料 (TIM) 用于增强热性能。目前,基于聚合物的材料通常用作 TIM1(裸片和散热器之间)用于导热 [1]。尽管基于聚合物的 TIM 广泛用于 FCBGA,但这种材料不足以涵盖高温应用。

  为了获得更好的 TIM 性能,金属 TIM 被认为是一项重大改进。在各种金属中,在先前的研究中推荐使用熔点低的铟或铟合金 [2]。要使用金属 TIM,必须在硅 (Si) 芯片和盖板表面同时进行背面金属化 (BSM),因为金属 TIM 通过金属间键合与 Si 芯片和金属盖板结合,如图 1 所示。

  从凸点互连方法的角度来看,工业上使用质量回流焊(MR)、热压键合(TCB)和激光辅助键合(LAB)。对于 LAB,技术和键合机制已有报道,键合方法的一般比较如表 1 所示 [3]。这项新研究的重点是用于 BSM 芯片凸点互连的 LAB 技术。引入下一代 LAB 技术以克服现有 LAB 技术的局限性。此外,还根据优化的关键 LAB 参数检查了 LAB 工艺余量。此外,零件是在 LAB 记录过程 (POR) 条件下制造的,并提交了可靠性测试,并针对可靠性后的任何热退化进行了凸块接头横截面分析。

  测试车辆

  测试车辆是一个 FCBGA 封装。封装体尺寸为 45 mm x 45 mm,硅芯片尺寸为 19.2 mm x 19.2 mm。凸点间距为 165 µm,圆形凸点直径为 85 µm。带有 20 µm 锡银 (Sn-Ag) 焊帽的铜 (Cu) 柱状凸点的总凸点高度为 60 µm x 40 µm。芯片背面金属化层用金 (Au) 完成。有机基板有六个铜层,焊盘 (SoP) 表面处理,总厚度为 1.07 毫米。表 2 总结了测试车辆的其他信息。

  实验细节

  非 BSM 模具的现有 Top LAB 的结果

  在对 BSM 芯片进行评估之前,评估了具有非 BSM 芯片(即普通硅芯片)的现有顶级 LAB 条件。POR 条件显示凸点互连没有异常。如图 2 所示,X 射线检查和凸块横截面均未显示非湿润或凸块短路情况。

  BSM 模具现有 Top LAB 的结果

  最初,将非 BSM 芯片的 POR LAB 条件应用于 BSM 芯片。然而,凸块互连没有完全形成,并且管芯与衬底分离。原因是由于硅芯片的 Au 金属化表面的高激光反射率。如图 3 所示,Au 在红外 (IR) 波长处的反射率几乎为 100%。接下来,在腿 1 到腿 3 中以相同的键合时间施加 3 倍到 4 倍的高功率。4 倍高功率(腿 3)显示没有非湿润,但基板表面由于异常高的功率而被烧毁。3 倍放大率(第 1 条)显示没有基材表面损坏,但通过横截面分析观察到凸块不湿润。中间点 3.5X(第 2 条腿)显示凸块非湿润和基板表面损坏。

  下一步,以相同的功率施加更长的 LAB 时间。Leg 4 到 Leg 6 使用了 12X 到 16X 更长的时间。所有 3 条腿均未显示基板烧毁,但即使在最长的粘合时间下也检测到凸起非湿润横截面。汇总结果如表 3 所示。X 射线图像和凸块横截面图像如图 4 所示。

  根据结果,很难找到适合大规模生产的最佳 LAB 条件和可接受的工艺余量。由于非润湿风险,不推荐将现有的 LAB 技术用于 BSM 芯片凸点互连。这促使人们寻找新的粘合方法。

  下一代实验室介绍

  为了避免 BSM 金属化表面的高反射率,提出了一种反向型 LAB,激光从底部 BGA 侧发射到凸点,通过级块传输。这个下一代 LAB 应该克服现有 LAB 的局限性。目标应用是 BSM 芯片、高带宽存储器(采用环氧树脂模塑料 (EMC) 封装)和 2.5D 模块互连。图 5 详细显示了现有顶级实验室和下一代实验室(反向实验室)的示意图。

  下一代实验室的结果

  经过几次调整功率和时间的试验后,达到了最佳的实验室条件。在这些 POR 条件下,通过施加 ±10% 的功率来研究 LAB 参数余量。图 6 显示了结果。所有三个参数都显示出良好的互连,在 BGA 侧没有任何凸块非湿润、凸块短路或基板表面损坏。

        接下来,测量 BSM 模具表面的峰值温度。通常对于 LAB,IR 摄像机用于测量温度,但对于 BSM,凸块区域的芯片温度也通过热电偶 (TC) 测量,因为 BSM 表面温度预计因高反射率而较低。如图 8 所示,热电偶插入芯片和基板之间的芯片角和芯片中心位置。由于金属的低发射率,BSM 芯片的 IR 峰值温度仅为 65~75°C 左右。在 POR 条件下,基板温度约为 254~264°C。然而,凸点处的热电偶温度约为 254~259°C,超过了焊料熔化温度。IR 峰值图像、IR 温度和热电偶曲线分别如图 7 和图 8 所示。

  大量回流的结果

  大规模回流是可能的,因为 165 µm 的凸点间距在 120 µm 的 MR 能力范围内。使用无铅焊料的标准回流曲线组装零件。结果,如图 9 所示,在 X 射线检查和截面分析中没有凸点短路。但是,MR 显示焊料侧壁蠕变(芯吸)比 LAB 多,预计 MR 将难以适用于细凸点间距器件。换句话说,为了实现高生产率,Next Gen LAB 可能是采用 BSM 芯片的精细凸点间距器件的唯一解决方案。

  下一代实验室可扩展性

  除了 BSM die 应用,DRAM attach 和 2.5D module attach 将需要 Next Gen LAB 技术。这两种应用的开发仍在继续,迄今为止,已经取得了具有良好互连性的可喜成果。表 4 显示了下一代 LAB 应用程序的示意图。

  可靠性测试

  零件是在 POR LAB 条件下制造的,并经过标准的 JEDEC 可靠性测试。忽略盖子和焊球附着,测试集中在凸块互连上,看是否有任何后期可靠性异常。在每次读数时,都会检查 SAT 和凸点横截面。遗憾的是,由于 O/S 测试套接字不可用,未执行开路/短路 (O/S)测试。最后,通过Unbiased Highly Accelerated Stress Test (UHAST) 192小时,Temperature Cycle, Condition B (TCB) 1000X和高温存储(HTS) 1000小时,所有读取点均未出现SAT异常,凸块横截面也未出现异常,如图所示在表 5 中。

  概括

  本研究证明了使用 LAB 技术实现 BSM 裸片凸点互连的可行性。由于 BSM 在 LAB 的 Au 金属化的高反射率,正常的 LAB 条件是不可行的,因为缺乏对凸块的热传递。即使 LAB 功率增加 4 倍或 LAB 时间延长 16 倍,仍检测到基板表面损坏或凸块不润湿。结论是,优化 LAB 条件非常困难,工艺裕度非常窄。不建议将现有的 Top LAB 用于 BSM 芯片互连。

  为了提高质量,开发了 Next Gen LAB。这是一种反向型 LAB,其中从底部 BGA 侧到凸点的激光发射通过阶段真空块传输。新的 LAB 工艺在 165 µm 凸块间距测试车辆中没有观察到基板 BGA 侧表面损坏、凸块未润湿和凸块短路的情况下显示出令人鼓舞的结果。此外,±10% 的参数窗口也没有显示异常。在 POR LAB 条件下构建的部件在 SAT 上没有显示异常,并且凸点互连通过了 UHAST 192 小时、HTS 1000 小时和 TCB 1000X 的所有 JEDEC 可靠性测试。

  质量回流对于 165 µm 凸点间距测试车辆也显示出可喜的结果,没有观察到凸点短路和凸点不润湿。然而,MR 比 LAB 显示出更多的焊料侧壁蠕变(芯吸),因此很难应用于精细凸点间距器件。

  下一代 LAB 的开发是为了克服现有 LAB 的局限性,它可能是 BSM 裸片的精细凸点间距互连的唯一解决方案。这也将为高带宽内存绑定和2.5D模块互连提供解决方案。

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