Вакуум в полупроводниковой упаковке: запуск процессов от нарезки пластин до сложной сборки 3D-ИС
Мир полупроводниковой упаковки переживает глубокую трансформацию, превращаясь из защитной «обертки» в основной фактор, обеспечивающий производительность. По мере замедления традиционного масштабирования гонка за скорость и плотность смещается в сторону самой упаковки за счет расширенной 3D-интеграции и гетерогенной сборки. В рамках этой революции вакуумная технология вышла далеко за рамки простой обработки деталей и стала критически важным параметром процесса, обеспечивающим надежность, производительность и возможность создания новых архитектур. В этой статье описывается упаковочная линия и выясняется, насколько необходим вакуум на каждом этапе — от первоначальной подготовки пластины до окончательного сложного соединения стопки 3D-ИС.
Этап 1: Подготовка и разделение пластин
Как только готовая пластина поступает на внешний объект сборки и испытаний (OSAT), роль вакуума начинается сразу же.
Утончение пластин (обратное шлифование): для удовлетворения требований к сверхтонкому профилю пластины стачиваются с обратной стороны. Прецизионный вакуумный патрон удерживает пластину идеально плоской и надежной, обеспечивая равномерное удаление толщины и предотвращая разрушение во время агрессивного механического процесса.
Нарезка пластин: внутри пилы для нарезки кубиками вакуумные патроны снова обеспечивают критическую иммобилизацию от вибрации при резке. Что еще более важно, высокопроизводительная система вакуумной экстракции немедленно удаляет кремниевый мусор и охлаждающую жидкость из точки резки. Это предотвращает попадание загрязнений на поверхность пластины или в прорезь (вырезанную дорожку), что может препятствовать последующему захвату кристалла или создавать скрытые риски короткого замыкания.
Этап 2: Основополагающие процессы в одноматрицной упаковке
В традиционной упаковке вакуум в первую очередь решает две основные проблемы: иммобилизацию и дегазацию.
Прикрепление штампа: независимо от того, используется ли эпоксидная смола или припой, машина для захвата и размещения опирается на вакуумную цангу, которая точно захватывает и устанавливает крошечный штамп. Во время отверждения эпоксидной смолы или оплавления припоя применение вакуумной среды имеет решающее значение для удаления летучих органических соединений (ЛОС) и пузырьков воздуха из клея, предотвращения образования пустот, которые приводят к термическому и механическому разрушению.
Формование: во время трансферного формования, когда пластиковый герметик формируется вокруг матрицы, рекомендуется применять вакуум к полости формы (вакуумное формование). Он вытесняет воздух перед вязкой формовочной массой, значительно снижая риск образования пустот, захлестывания проволоки и смещения лопастей, что напрямую повышает производительность и долгосрочную надежность от проникновения влаги.
Этап 3. Решающая роль в расширенной и 3D-упаковке
Здесь вакуум превращается из средства повышения качества в средство реализации технологий, которые в противном случае были бы невозможны.
Перевернутый чип и заполнение: после того, как выступы припоя оплавлены для прикрепления матрицы лицевой стороной вниз к подложке, процесс капиллярного заполнения должен идеально впитывать эпоксидную смолу в микроскопический зазор. Выполнение недостаточного заполнения и отверждение в частичном вакууме необходимы для устранения воздушных карманов, обеспечения полного заполнения зазоров и предотвращения расслоения — основного вида отказа при термоциклировании.
Термокомпрессионное соединение (TCB): это золотой стандарт для межсоединений с малым шагом и высокой плотностью при сборке 2,5D и 3D-ИС. TCB одновременно нагревает и оказывает давление для образования соединений микровыступов. Он всегда проводится в среде высокой чистоты, вакууме или формирующем газе (N2/H2), чтобы предотвратить окисление крошечных медных или припойных выступов во время критической фазы соединения, что жизненно важно для достижения высокого электрического выхода.
Гибридное соединение: новый этап 3D-интеграции, при котором диэлектрические слои и микроскопические медные площадки соединяются непосредственно при комнатной температуре. Этот процесс требует сверхчистой среды сверхвысокого вакуума (СВВ) во время подготовки поверхности и склеивания, чтобы предотвратить любые органические или оксидные загрязнения, которые могут нарушить ковалентные связи, необходимые для идеального интерфейса без пустот.
Заключение: от Закона о поддержке до звездного исполнителя
На пути развития полупроводниковых технологий вакуум в упаковке превратился из закулисного вспомогательного инструмента в звездного исполнителя на передовой упаковочной линии. Его последовательное применение — от обеспечения устойчивости пластины до создания идеальной среды для гибридной связи — напрямую коррелирует с производительностью, миниатюризацией и надежностью всего, от смартфонов до серверов искусственного интеллекта. Для компаний OSAT и IDM, инвестирующих в возможности упаковки нового поколения, партнерство с поставщиком вакуумных решений, который понимает весь спектр требований, от надежной экстракции до прецизионной сверхвысокого давления, больше не является обязательным; это является основой их дорожной карты.
Технические вопросы и ответы
Вопрос: Почему вакуумное формование считается критически важным для упаковок с открытыми медными теплоотводами или большими матрицами? Ответ: Эти особенности создают сложные, неравномерные пути потока формовочной смеси. Воздух может легко попасть в ловушку, что приводит к образованию больших пустот, которые нарушают механическую целостность и рассеивание тепла. Вакуумное формование активно откачивает воздух из полости, позволяя компаунду растекаться равномерно и полностью заполнять сложные геометрические формы, в результате чего получается упаковка без пустот с оптимальными тепловыми и структурными характеристиками.
Вопрос: Каковы конкретные последствия неиспользования вакуума или инертной атмосферы для термокомпрессионной сварки (TCB)? Ответ: Выполнение TCB на воздухе может привести к немедленному окислению открытой, нагретой меди или микровыступов припоя. Этот оксидный слой действует как изолятор, предотвращая правильное металлургическое плавление во время склеивания. Результатом будет высокое сопротивление межсоединений, серьезные потери электрического выхода и слабые механические соединения, которые выходят из строя под нагрузкой. Вакуумная/инертная среда необходима для поддержания первозданной чистоты металлических поверхностей, свободных от оксидов, до момента контакта и склеивания.
Вопрос: Чем отличаются требования к вакууму при стандартном процессе недостаточного заполнения флип-чипа и в среде, необходимой для гибридного соединения? Ответ: Разница заключается в степени и критичности. Для заливки флип-чипа обычно используется вакуум от грубого до среднего (например, 1–100 мбар), главным образом, для дегазации — для удаления пузырьков воздуха из жидкой эпоксидной смолы. Основное внимание уделяется удалению большого количества воздуха. Гибридное соединение, напротив, требует среды сверхвысокого вакуума (СВВ) (например, выше 10⁻⁷ мбар). Цель состоит не просто в удалении воздуха, а в создании атомарно чистой поверхности за счет десорбции водяного пара и углеводородов, что предотвратило бы прямое плавление диэлектрика и металла. Среда сверхвысокого напряжения является неотъемлемой частью самого механизма облигаций, а не просто качественной помощью.
