การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการและอุปกรณ์ในการติดแม่พิมพ์เซมิคอนดักเตอร์

การศึกษาเรื่องแม่พิมพ์เซมิคอนดักเตอร์กระบวนการพันธะรวมถึงกระบวนการติดกาว กระบวนการพันธะยูเทคติก กระบวนการประสานแบบอ่อน กระบวนการประสานการเผาผนึกเงิน กระบวนการประสานแบบกดร้อน กระบวนการเชื่อมฟลิปชิป มีการแนะนำประเภทและตัวบ่งชี้ทางเทคนิคที่สำคัญของอุปกรณ์การเชื่อมแบบเซมิคอนดักเตอร์ วิเคราะห์สถานะการพัฒนา และคาดการณ์แนวโน้มการพัฒนา

 

1 ภาพรวมของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และบรรจุภัณฑ์

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นต้นน้ำ การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นกลาง และการใช้งานขั้นปลายน้ำ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในประเทศของฉันเริ่มต้นช้า แต่หลังจากเกือบสิบปีของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ประเทศของฉันได้กลายเป็นตลาดผู้บริโภคผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกและเป็นตลาดอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในรูปแบบของอุปกรณ์รุ่นเดียว กระบวนการรุ่นเดียว และผลิตภัณฑ์รุ่นเดียว การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นแรงผลักดันหลักสำหรับความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของอุตสาหกรรมและการรับประกันสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมและการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์

 

ประวัติการพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์คือประวัติศาสตร์ของการปรับปรุงประสิทธิภาพของชิปอย่างต่อเนื่องและการย่อขนาดระบบอย่างต่อเนื่อง แรงผลักดันภายในของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ได้พัฒนาจากสาขาสมาร์ทโฟนระดับไฮเอนด์ไปสู่สาขาต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงและปัญญาประดิษฐ์ การพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์สี่ขั้นตอนแสดงไว้ในตารางที่ 1

ในขณะที่โหนดกระบวนการพิมพ์หินเซมิคอนดักเตอร์เคลื่อนไปทาง 10 นาโนเมตร, 7 นาโนเมตร, 5 นาโนเมตร, 3 นาโนเมตร และ 2 นาโนเมตร ต้นทุนด้านการวิจัยและพัฒนาและการผลิตยังคงเพิ่มขึ้น อัตราผลตอบแทนลดลง และกฎของมัวร์จะช้าลง จากมุมมองของแนวโน้มการพัฒนาอุตสาหกรรม ซึ่งปัจจุบันถูกจำกัดโดยขีดจำกัดทางกายภาพของความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์และการเพิ่มขึ้นอย่างมากของต้นทุนการผลิต บรรจุภัณฑ์กำลังพัฒนาไปในทิศทางของการย่อขนาด ความหนาแน่นสูง ประสิทธิภาพสูง ความเร็วสูง ความถี่สูง และการบูรณาการสูง อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้เข้าสู่ยุคหลังมัวร์ และกระบวนการขั้นสูงไม่ได้มุ่งเน้นไปที่ความก้าวหน้าของโหนดเทคโนโลยีการผลิตเวเฟอร์อีกต่อไป แต่ยังค่อยๆ หันมาใช้เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงไม่เพียงแต่ปรับปรุงการทำงานและเพิ่มมูลค่าผลิตภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งกลายเป็นเส้นทางสำคัญในการสานต่อกฎของมัวร์ ในด้านหนึ่ง เทคโนโลยีอนุภาคหลักใช้เพื่อแยกระบบที่ซับซ้อนออกเป็นเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์หลายอย่างที่สามารถบรรจุในบรรจุภัณฑ์ที่ต่างกันและต่างกันได้ ในทางกลับกัน เทคโนโลยีระบบบูรณาการใช้เพื่อรวมอุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุและโครงสร้างที่แตกต่างกันซึ่งมีข้อได้เปรียบด้านการทำงานที่เป็นเอกลักษณ์ การบูรณาการฟังก์ชันและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้วัสดุต่างกันเกิดขึ้นได้โดยใช้เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และการพัฒนาจากวงจรรวมไปสู่ระบบรวมก็เกิดขึ้นจริง

 

บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการผลิตชิปและเป็นสะพานเชื่อมระหว่างโลกภายในของชิปและระบบภายนอก ในปัจจุบัน นอกเหนือจากบริษัททดสอบและบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม เซมิคอนดักเตอร์เวเฟอร์โรงหล่อ บริษัทออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ และบริษัทส่วนประกอบครบวงจรกำลังพัฒนาบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงหรือเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่สำคัญที่เกี่ยวข้องอย่างแข็งขัน

 

กระบวนการหลักของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมคือเวเฟอร์การทำให้ผอมบาง การตัด การติดแม่พิมพ์ การติดลวด การซีลพลาสติก การชุบด้วยไฟฟ้า การตัดซี่โครง และการขึ้นรูป ฯลฯ กระบวนการติดแม่พิมพ์เป็นหนึ่งในกระบวนการบรรจุภัณฑ์ที่ซับซ้อนและสำคัญที่สุด และอุปกรณ์กระบวนการติดแม่พิมพ์ก็เป็นหนึ่งใน อุปกรณ์หลักที่สำคัญที่สุดในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ และเป็นหนึ่งในอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ที่มีมูลค่าตลาดสูงสุด แม้ว่าเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจะใช้กระบวนการส่วนหน้า เช่น การพิมพ์หิน การแกะสลัก การทำให้เป็นโลหะ และการวางระนาบ แต่กระบวนการบรรจุภัณฑ์ที่สำคัญที่สุดยังคงเป็นกระบวนการเชื่อมด้วยแม่พิมพ์

 

2 กระบวนการพันธะเซมิคอนดักเตอร์

2.1 ภาพรวม

กระบวนการติดแม่พิมพ์เรียกอีกอย่างว่าการโหลดชิป การโหลดแกน การเชื่อมด้วยแม่พิมพ์ กระบวนการติดด้วยชิป ฯลฯ กระบวนการติดด้วยแม่พิมพ์จะแสดงในรูปที่ 1 โดยทั่วไปแล้ว การเชื่อมด้วยแม่พิมพ์คือการหยิบชิปจากแผ่นเวเฟอร์โดยใช้หัวเชื่อม หัวดูดโดยใช้สุญญากาศและวางไว้บนพื้นที่แผ่นที่กำหนดของโครงตะกั่วหรือพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ภายใต้การนำทางด้วยภาพ เพื่อให้ชิปและแผ่นติดกันและยึดติดกัน คุณภาพและประสิทธิภาพของกระบวนการเชื่อมด้วยแม่พิมพ์จะส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของการเชื่อมด้วยลวดในภายหลัง ดังนั้นการเชื่อมด้วยแม่พิมพ์จึงเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญในกระบวนการแบ็คเอนด์ของเซมิคอนดักเตอร์

 

สำหรับกระบวนการบรรจุภัณฑ์ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกัน ปัจจุบันมีเทคโนโลยีกระบวนการติดแม่พิมพ์หลักหกเทคโนโลยี ได้แก่ การเชื่อมด้วยกาว พันธะยูเทคติก การเชื่อมประสานแบบอ่อน การเชื่อมด้วยการเผาผนึกเงิน การเชื่อมด้วยการอัดร้อน และการเชื่อมแบบฟลิปชิป เพื่อให้เกิดการติดชิปที่ดี จำเป็นต้องทำให้องค์ประกอบกระบวนการที่สำคัญในกระบวนการติดกาวด้วยแม่พิมพ์ทำงานร่วมกัน ซึ่งส่วนใหญ่รวมถึงวัสดุที่ใช้ติดกาว อุณหภูมิ เวลา ความดัน และองค์ประกอบอื่นๆ

 

2. 2 กระบวนการติดกาว

ในระหว่างการติดกาว ต้องใช้กาวจำนวนหนึ่งกับลีดเฟรมหรือซับสเตรตของบรรจุภัณฑ์ก่อนที่จะวางชิป จากนั้นหัวดายบอนด์จะหยิบชิป และด้วยการนำการมองเห็นด้วยเครื่อง จะทำให้ชิปถูกวางลงบนการติดอย่างแม่นยำ ตำแหน่งของโครงตะกั่วหรือพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ที่เคลือบด้วยกาว และแรงยึดเหนี่ยวบางอย่างถูกนำไปใช้กับชิปผ่านหัวเครื่องเชื่อมแบบตายตัว สร้างชั้นกาวระหว่างชิปและโครงตะกั่วหรือพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ เพื่อให้บรรลุ วัตถุประสงค์ในการยึดติด ติดตั้ง และซ่อมแซม ชิป กระบวนการติดแม่พิมพ์นี้เรียกอีกอย่างว่ากระบวนการติดกาว เนื่องจากต้องใช้กาวที่หน้าเครื่องเชื่อม

 

กาวที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น อีพอกซีเรซิน และเพสต์เงินนำไฟฟ้า การติดกาวเป็นกระบวนการติดตายด้วยชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดเนื่องจากกระบวนการนี้ค่อนข้างง่าย ต้นทุนต่ำ และสามารถใช้วัสดุได้หลากหลาย

 

2.3 กระบวนการพันธะยูเทคติก

ในระหว่างการยึดติดยูเทคติก โดยทั่วไปวัสดุยึดติดยูเทคติกจะถูกติดไว้ล่วงหน้าที่ด้านล่างของชิปหรือโครงลีด อุปกรณ์พันธะยูเทคติกจะจับชิปและได้รับการนำทางโดยระบบวิชันซิสเต็มเพื่อวางชิปในตำแหน่งพันธะที่สอดคล้องกันของลีดเฟรมอย่างแม่นยำ ชิปและลีดเฟรมก่อให้เกิดส่วนต่อประสานยูเทคติกระหว่างชิปและซับสเตรตของบรรจุภัณฑ์ภายใต้การทำงานร่วมกันของการทำความร้อนและแรงดัน กระบวนการพันธะยูเทคติกมักใช้ในโครงตะกั่วและบรรจุภัณฑ์ซับสเตรตเซรามิก

 

โดยทั่วไปวัสดุประสานยูเทคติกจะถูกผสมด้วยวัสดุสองชนิดที่อุณหภูมิหนึ่ง วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ทองและดีบุก ทองและซิลิคอน ฯลฯ เมื่อใช้กระบวนการเชื่อมยูเทคติก โมดูลส่งกำลังรางซึ่งมีลีดเฟรมอยู่จะทำความร้อนเฟรมล่วงหน้า กุญแจสำคัญในการทำให้กระบวนการพันธะยูเทคติกเกิดขึ้นก็คือวัสดุที่ใช้พันธะยูเทคติกสามารถหลอมละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบทั้งสองมากเพื่อสร้างพันธะ เพื่อป้องกันไม่ให้เฟรมถูกออกซิไดซ์ในระหว่างกระบวนการพันธะยูเทคติก กระบวนการพันธะยูเทคติกมักใช้ก๊าซป้องกัน เช่น ก๊าซผสมไฮโดรเจนและไนโตรเจน เพื่อป้อนเข้าไปในรางเพื่อปกป้องลีดเฟรม

 

2. 4 กระบวนการเชื่อมประสานแบบอ่อน

เมื่อทำการบัดกรีแบบอ่อน ก่อนที่จะวางชิป ตำแหน่งการติดบนลีดเฟรมจะถูกกระป๋องและกด หรือกระป๋องสองชั้น และลีดเฟรมจะต้องได้รับความร้อนในราง ข้อดีของกระบวนการบัดกรีอ่อนคือการนำความร้อนได้ดี และข้อเสียคือง่ายต่อการออกซิไดซ์และกระบวนการค่อนข้างซับซ้อน เหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ลีดเฟรมของอุปกรณ์กำลัง เช่น บรรจุภัณฑ์โครงร่างทรานซิสเตอร์

 

2. 5 กระบวนการเชื่อมประสานการเผาเงิน

กระบวนการเชื่อมประสานที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับชิปเซมิคอนดักเตอร์กำลังรุ่นที่สามในปัจจุบันคือการใช้เทคโนโลยีการเผาผนึกอนุภาคโลหะ ซึ่งผสมโพลีเมอร์ เช่น อีพอกซีเรซินที่รับผิดชอบในการเชื่อมต่อในกาวนำไฟฟ้า มีค่าการนำไฟฟ้า การนำความร้อน และลักษณะการบริการที่อุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้ยังเป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการพัฒนาเพิ่มเติมในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

 

2.6 กระบวนการเชื่อมด้วยความร้อนอัด

ในการใช้งานบรรจุภัณฑ์ของวงจรรวมสามมิติประสิทธิภาพสูง เนื่องจากการลดระยะพิทช์อินพุต/เอาท์พุตที่เชื่อมต่อระหว่างชิป ขนาดการกระแทก และระยะพิทช์ บริษัทเซมิคอนดักเตอร์ Intel ได้เปิดตัวกระบวนการพันธะเทอร์โมคอมเพรสชันสำหรับแอปพลิเคชันการติดพิทช์ขนาดเล็กขั้นสูง การเชื่อมพันธะขนาดเล็ก บัมป์ชิปที่มีระยะพิทช์ 40 ถึง 50 ไมโครเมตร หรือแม้แต่ 10 ไมโครเมตร กระบวนการเชื่อมด้วยการบีบอัดด้วยความร้อนเหมาะสำหรับการใช้งานระหว่างชิปกับเวเฟอร์และชิปกับซับสเตรต เนื่องจากเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่รวดเร็ว กระบวนการเชื่อมประสานด้วยความร้อนจึงต้องเผชิญกับความท้าทายในปัญหาการควบคุมกระบวนการ เช่น อุณหภูมิไม่สม่ำเสมอและการหลอมละลายของโลหะบัดกรีที่มีปริมาณน้อยที่ไม่สามารถควบคุมได้ ในระหว่างการติดประสานด้วยการบีบอัดด้วยความร้อน อุณหภูมิ ความดัน ตำแหน่ง ฯลฯ จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการควบคุมที่แม่นยำ

 

2.7 กระบวนการพันธะพลิกชิป

หลักการของกระบวนการฟลิปชิปติดกันแสดงในรูปที่ 2 กลไกการพลิกจะหยิบชิปจากเวเฟอร์แล้วพลิก 180° เพื่อถ่ายโอนชิป หัวฉีดหัวแร้งจะหยิบชิปจากกลไกการพลิก และทิศทางการชนของชิปจะลดลง หลังจากที่หัวฉีดหัวเชื่อมเคลื่อนไปที่ด้านบนของพื้นผิวบรรจุภัณฑ์แล้ว มันจะเคลื่อนลงด้านล่างเพื่อติดและยึดชิปไว้บนพื้นผิวบรรจุภัณฑ์

 

บรรจุภัณฑ์ชิปพลิกเป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อชิปขั้นสูงและได้กลายเป็นทิศทางการพัฒนาหลักของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง มีลักษณะของความหนาแน่นสูง ประสิทธิภาพสูง บางและสั้น และสามารถตอบสนองความต้องการการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต กระบวนการพันธะฟลิปชิปทำให้ต้นทุนบรรจุภัณฑ์ลดลง และสามารถรับรู้ชิปที่ซ้อนกันและบรรจุภัณฑ์สามมิติได้ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ เช่น บรรจุภัณฑ์รวม 2.5D/3D บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ และบรรจุภัณฑ์ระดับระบบ กระบวนการติดฟลิปชิปเป็นกระบวนการติดแม่พิมพ์แข็งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง