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WLP/RDL電路的可靠性、成本和處理方面的改進(jìn)

YES?制造的固化爐專門設(shè)計(jì)用于解決制造商對(duì)晶圓級(jí)封裝(WLP)/再分布層?(RDL)?電路中多個(gè)聚酰亞胺層的固化特性的?擔(dān)憂。聚酰亞胺是高溫工程聚合物，具有優(yōu)異的機(jī)械、熱和?電性能。該工藝最重要的步驟是聚酰亞胺前體的固化，這可以在大氣或真空工藝條件下完成。本文將比較這兩種條件下固化的聚酰亞胺薄膜的特性。正確的固化過程的目標(biāo)是：

1. 完成酰亞胺化過程，
2. 優(yōu)化薄膜附著性能，
3. 去除所有殘留溶劑和外來(lái)氣體，
4. 去除感光元件。

為了將聚酰亞胺前體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的聚酰亞胺薄膜，需要高溫（~250℃ 至 450℃）長(zhǎng)時(shí)間烘?烤以實(shí)現(xiàn)完全酰亞胺化；它還可以去除N-甲基吡咯烷酮(NMP) 澆鑄溶劑，并使聚合物鏈定向以獲得最佳的電氣和機(jī)械性能。

YES-PB12（圖1）

YES–VertaCure（圖2）

圖 1：手動(dòng)裝載 YES-PB12 烘箱（左上）配備了垂直層流預(yù)熱和過濾的 N2 吹掃裝置。?它還配備強(qiáng)制風(fēng)冷以提高工藝吞吐量；?室排氣口處易于操作的一次性過濾器安裝和外殼組件，用于過濾和洗滌過程排氣：圖 2：（右中）自動(dòng)垂直版本?(VertaCure)

正確固化的聚酰亞胺薄膜的工藝條件：

1. 聚酰亞胺薄膜的受控升溫速率

需要控制聚酰亞胺前體的酰亞胺化速率，以考慮聚酰亞胺薄膜和下面的基板之間的熱膨脹系數(shù)的差異。

如果酰亞胺化速率控制不當(dāng)，晶圓上可能會(huì)出現(xiàn)局部機(jī)械應(yīng)力變化。?此外，如果澆鑄溶劑在晶圓上不均?勻地演變，則由于不均勻的酰亞胺化可能會(huì)出現(xiàn)膜厚度不均勻性。?機(jī)械應(yīng)力變化可以觀察為聚酰亞胺薄?膜起皺或聚酰亞胺層下方結(jié)構(gòu)中扭曲的金屬線。?由于薄膜粘合性能尚未優(yōu)化，聚酰亞胺薄膜也會(huì)分層。?由于機(jī)械應(yīng)力變化會(huì)影響工藝的產(chǎn)量和可靠性，因此使用受控的升溫速率來(lái)為聚酰亞胺薄膜的正確固化?提供更大的工藝窗口至關(guān)重要。

不均勻的加熱會(huì)導(dǎo)致固化過程中聚酰亞胺薄膜表面形成結(jié)皮。?該表皮可以防止鑄造溶劑和其他揮發(fā)性氣?體的有效逸出。?如果固化的聚酰亞胺薄膜仍然有殘留溶劑或其他揮發(fā)性氣體，則聚酰亞胺薄膜的局部區(qū)?域可能會(huì)破裂，出現(xiàn)稱為“爆米花”?的現(xiàn)象。?這些破裂發(fā)生在工具的后續(xù)工藝步驟中，這些工具具有高真??空或高溫環(huán)境。?這種破裂是由于未正確固化的聚酰亞胺薄膜中捕獲的氣泡/溶劑突然釋放造成的。?此外，?當(dāng)下一個(gè)工藝步驟是高真空工藝（例如金屬化）時(shí)，“無(wú)溶劑”?聚酰亞胺薄膜將最大限度地減少除氣所需的?排隊(duì)時(shí)間。

1. 完全去除光敏元件

與標(biāo)準(zhǔn)的非光敏聚酰亞胺相比，光敏聚酰亞胺具有工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，不需要光致抗蝕劑。這減少了工藝步?驟的數(shù)量。固化工藝參數(shù)，如溫度，隨著聚酰亞胺薄膜中光敏前驅(qū)體的類型而變化。對(duì)于某些類型的前驅(qū)?體，光敏成分可能很難從聚酰亞胺薄膜中演化出來(lái)。與標(biāo)準(zhǔn)的聚酰亞胺薄膜相比，殘留的光敏性聚酰亞胺?前驅(qū)體會(huì)引起更大的內(nèi)部薄膜應(yīng)力。

一些光敏聚酰亞胺前體及其副產(chǎn)品也有在工藝室壁上形成沉積物的趨勢(shì)。如果在固化過程中不能有效地將?副產(chǎn)品從腔體中移除，則很難去除大量的沉積物。此外，當(dāng)這些副產(chǎn)品從腔室中排出時(shí)，它們也需要從排?氣氣流中大量去除，因?yàn)楦碑a(chǎn)品可能會(huì)沿排氣管路重新沉積。總而言之，光敏成分必須從聚酰亞胺薄膜中?去除，并有效地從工藝腔中去除。

1. 氧氣水平< 20?ppm

加工室中氧氣的存在抑制了聚酰亞胺前體與聚酰亞胺薄膜的適當(dāng)交聯(lián)性。結(jié)果是不完全的亞胺化，這導(dǎo)致?了基片上的聚酰亞胺薄膜的脆性和可變的應(yīng)力。此外，環(huán)境中的氧氣會(huì)使聚酰亞胺薄膜變暗。當(dāng)在后續(xù)加?工過程中使用多個(gè)聚酰亞胺層時(shí)，這種薄膜透明度是至關(guān)重要的。對(duì)于多層工藝，工藝序列的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記可能會(huì)被低透明度聚酰亞胺薄膜層遮擋。總而言之，需要純氮?dú)猸h(huán)境來(lái)降低工藝室中的氧氣水平。

常壓硫化工藝和真空硫化工藝綜述

圖?3：常壓固化工藝圖。?測(cè)試在常壓烘箱中進(jìn)行。?數(shù)字?1-8?是溫度節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn) 1 到節(jié)點(diǎn) 6 – 溶劑蒸發(fā)速率受到流過流動(dòng)邊界層的蒸汽擴(kuò)散的限制。因此，需要低溫停留步驟以允許溶 劑蒸發(fā)。?隨著溶劑的釋放，聚酰亞胺前體發(fā)生酰亞胺化。?酰亞胺化速率還受到工藝升溫速率的影響。由于 大氣中的氧氣含量約為 23%?，因此需要高流量的氮?dú)鈦?lái)降低氧氣含量。

節(jié)點(diǎn)6至節(jié)點(diǎn)7-該過程保持在聚酰亞胺膜完全酰亞胺化所需的溫度下。?此時(shí)可能仍需要高流量的氮?dú)庖跃S持低氧氣水平。

節(jié)點(diǎn) 7 到節(jié)點(diǎn) 8 – 過程溫度逐漸下降。固化過程完成。

圖 4：Yield Engineering Systems 的真空固化工藝圖。?測(cè)試在 YES-PB12 系統(tǒng)上運(yùn)行。?點(diǎn) A、B、C 是壓力圖上真空/氮?dú)獯祾?循環(huán)的高節(jié)點(diǎn)。D、E、F、G 位于之后溫度圖上的所有節(jié)點(diǎn)上。?當(dāng)腔室與大氣連通時(shí)，該過程在節(jié)點(diǎn) H 處完成。

A 點(diǎn)到 D 點(diǎn)?–?三個(gè)短真空/熱氮?dú)獯祾哐h(huán)可快速降低氧氣含量，因?yàn)檠鯕庠谡婵罩腥コ酶臁MP 澆?注溶劑在 50 Torr 下的沸點(diǎn)為 135°C，因此，循環(huán)吹掃的第一次真空抽吸使聚合物凝固，這可以提高聚合物?厚度均勻性。

D 點(diǎn)到 E 點(diǎn)?–?熱氮?dú)鈱恿鞔祾吲c真空平衡，可提供 200?托的壓力水平，持續(xù)去除氧氣。?在此減壓下，NMP 溶劑被有效地除去，而不會(huì)在聚合物上形成任何皮層，從而能夠控制溫度升至酰亞胺化溫度。

E點(diǎn)到F點(diǎn)——該過程保持在聚酰亞胺薄膜完全酰亞胺化所需的溫度下。F 點(diǎn)到 H 點(diǎn)?–?過程溫度逐漸下降。?處理室與大氣連通。?固化過程完成。

為了評(píng)估聚酰亞胺薄膜參數(shù)，埃文斯分析集團(tuán)完成了第三方真空/大氣比較測(cè)試。?測(cè)試將 YES-PB12 真空烘?箱與常壓烘箱進(jìn)行比較。?該測(cè)試在每個(gè)烘箱中運(yùn)行了 5 微米 HD-4000?的工藝矩陣。

在進(jìn)一步處理之前，將樣品在真空熱板上軟烘烤以除去溶劑。?然后將樣品分為 350°C 的 YES 工藝和 350°C ?的常壓烘烤。?固化周期完成后，對(duì)裂片進(jìn)行三小時(shí)的氣相色譜處理，并對(duì)釋放的氣體進(jìn)行測(cè)量和分析。?結(jié)果?圖如下。?分析顯示，與真空烘烤工藝相比，常壓烘烤工藝中捕獲的溶劑和氣體量高出 5 倍。

圖 5：兩個(gè)固化樣品的色譜圖比較圖。X 軸是以分鐘為單位的保留時(shí)間，Y 軸是離子數(shù)計(jì)數(shù)（豐度）。?為了清晰起見，每個(gè)峰的頂部都標(biāo)有峰的保留時(shí)間。A) 真空工藝（YES-PB12 烘箱） B) 常壓工藝烘箱。

真空固化聚酰亞胺薄膜的觀察結(jié)果：

1、升溫至固化溫度的工藝時(shí)間縮短- 減壓使 NMP 溶劑能夠有效釋放，從而無(wú)需溫度停留步驟。

2、聚酰亞胺薄膜無(wú)皺紋——當(dāng)澆鑄溶劑有效地從薄膜中析出時(shí)，可以更好地控制酰亞胺化速率。因此，可以調(diào)節(jié)受控的升溫速率，以為聚酰亞胺薄膜的正確固化提供更大的工藝窗口。

3、不會(huì)出現(xiàn)爆米花現(xiàn)象- 在這種減壓下，NMP 溶劑會(huì)被有效地去除，而不會(huì)在聚合物上形成任何表皮。聚酰亞胺薄膜中不存在溶劑/外來(lái)氣體的氣泡。由于脫氣所需的排隊(duì)時(shí)間減少，薄膜中的溶劑含量非常低，因此有助于?提高生產(chǎn)率

4、 減少氧氣含量所需的氮?dú)饬?–?三個(gè)短真空/熱 N2 吹掃循環(huán)可快速降低氧氣含量，因?yàn)?氧氣在真空中去除得更快。

5、聚酰亞胺薄膜是透明的- 穩(wěn)定的熱 N2 吹掃流與真空平衡，可提供 200 托的壓力水平，持續(xù)去除氧氣并保持氧氣含量?< 10 ppm。

6、為了提高晶片的清潔度，預(yù)熱的 N 2 層流優(yōu)于來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)大氣烘烤爐的再循環(huán) N 2 流。

結(jié)論

聚酰亞胺前體的酰亞胺化速率的工藝控制是聚酰亞胺薄膜正確固化的重要因素。當(dāng)澆鑄溶劑可以有效地從薄?膜中逸出時(shí)，這種控制就會(huì)得到增強(qiáng)。?減壓環(huán)境能夠有效地釋放溶劑，而無(wú)需使用溫度停留步驟。因此，現(xiàn)在可以優(yōu)化升溫速率，為聚酰亞胺薄膜的正確固化提供更大的工藝窗口。