倒装芯片切割用胶粘材料的类型

2020-01-14庄晓莎徐玉祥国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东广州510700

化工管理 2020年19期

关键词：焊料保护膜晶片

庄晓莎徐玉祥(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州 510700)

0 引言

倒装芯片键合技术[1]，是将芯片倒扣在封装基板上，通过芯片上的凸点直接与基板电极焊盘互联。倒装芯片键合技术的优点是使高密度组装成为可能，倒装芯片键合的引线可以做到最短，电抗最小，因此可以获得最高的工作频率和最小噪声。

研究低成本的倒装芯片键合技术是重要方向之一，利用有机导电聚合物代替合金焊料、研究各向异性导电胶及其互连技术等，这些都有利于进一步降低成本，减小引线间距，防止引线间电信号相互干扰，增强封装可靠性。

倒装芯片键合技术工艺涉及以下主要工序，在芯片和基板上制备焊点、芯片分类(剔除坏芯片)、切割芯片、贴装芯片、封装。为同时满足切割、贴装的要求，对多功能的胶粘材料提出了更高的要求。本文介绍倒装芯片切割用胶粘材料的主要类型。

1 单层胶粘材料

倒装芯片技术的关键制造芯片引脚凸点。常见的芯片凸点形成技术有焊料凸点、聚合物凸点和机械形成凸点等。传统使用焊料的连接工艺涉及焊剂助焊剂涂覆，芯片/电路板布置，焊料凸点回流，助焊剂去除，底部填充物填充和固化过程，工艺复杂、生产效率差、成本高。为了减少这些复杂的过程，采用聚合物将芯片结合至半导体部件上是有效的替代手段，单层胶粘材料主要起到将芯片接合到半导体部件的作用。

US6518097A[2]提供一种使用各向异性导电粘合剂来制造晶片级倒装芯片封装的方法，该方法包括以下步骤：在I/O 模块上形成低价的无焊料凸点，晶片的每个芯片的O 焊盘，将各向异性导电粘合剂涂覆在晶片上，通过使用晶片切片机将涂有各向异性导电粘合剂的晶片切割成单个芯片，并使各个芯片经受倒装芯片键合。开发了一种新的电连接，替代传统的焊接连接以追求环保工艺以及降低生产成本，同时满足切割需要，及在低温条件下形成键合。

倒装芯片涉及一整套连续工艺，切割、贴装所采用的材料均影响最后的封装质量。对于封装质量的研究，例如JP2004315688A[3]提供一种半导体的粘合膜，含有具有芴骨架的苯氧基树脂，环氧树脂，微胶囊化的咪唑衍生物-环氧化合物和填料作为基本组分。其通过热压粘合附着到具有凸块电极的半导体晶片的电极侧，并且切割晶片后分离成分立的半导体芯片，将倒装芯片直接接合电极并牢固地固定基板，从而能够提供高的封装可靠性。

单层胶粘材料是焊料连接的替代方案，具有环保、低成本、低温的特点，对于连接部件的耐热性要求不高，适用于倒装芯片安装。由于倒装芯片安装还涉及在前的芯片切割、在后的封装，是环环相扣的工艺步骤，所以满足切割、贴装、封装要求的一体型薄膜则应运而生。

2 一体型薄膜

为了适应芯片切割、倒装工艺，以及在焊料连接中对半导体芯片进行有效的保护，可以在半导体芯片上设置背面保护膜以防止半导体芯片损坏等情况[4-5]。因此必须新增加将背面保护膜粘附至在切割步骤中得到的半导体芯片背面保护膜的步骤。结果，步骤数量增加，这导致生产成本等升高。为降低生产成本，保证切割、倒装、封装的连续性，将背面保护膜与传统切割带结合，构造了倒装芯片切割用背面保护一体型薄膜。

一体型薄膜通常依次包括背面保护膜、切割膜和基材。倒装芯片切割用背面保护一体型薄膜的基材的性能要求与传统的切割带的基材相似，下面主要对背面保护膜和切割膜的性能和应用进展进行介绍。

2.1 背面保护膜

倒装方式中将电极与基板接合时，存在芯片的电路面的相反侧的背面裸露的情况。在该裸露的芯片背面形成有由有机材料构成的树脂膜作为背面保护膜。利用保护膜的的目的在于防止于切割步骤或封装之后晶片产生龟裂。背面保护膜除了保护的作用，还进一步要求其具有多功能性，以利于提高加工型、封装性能等。

日东电工在CN101794723A[6]中披露了切割背面保护一体型薄膜，赋予了背面保护的标识性。背面保护膜形成于切割带的切割膜上，晶片背面保护膜是有色的，并且有色晶片背面保护膜具有特定的弹性模量，以起到标识和抑制芯片通过背面保护膜粘贴到支承体上。该专利通过有色晶片背面保护膜，利用各种标识方法如打印方法和激光标识方法进行标识，从而赋予芯片形工件的非电路面或使用芯片形工件的半导体器件的非电路面各种信息如文字信息和图形信息。切割带和有色晶片背面保护膜可以容易地彼此区分，因而可改进加工性等。

近年来朝向薄型化的发展趋势，半导体芯片在拾取步骤中容易被损坏，这要求提高机械强度，从而增强半导体芯片。另一方面薄型化的半导体芯片容易产生翘曲，因此抑制或防止翘曲的产生是更进一层的性能要求。在面临薄型化的技术需求，CN102376615A[7]提出一种可以抑制或防止在倒装芯片连接至被粘物的半导体元件上产生翘曲的倒装芯片型半导体背面保护一体型薄膜，通过在背面保护膜中含有指定量或更多的无机填料来完成。为了提高背面保护膜的导热性，CN102344646A[8]提出在背面保护膜中使用特定量的导热性填料，同时，相对于背面保护膜的厚度，选择特定粒径的导热性填料，获得低表面粗糙度。

多功能化的背面保护膜的研发不仅仅在于组成上，对于背面保护膜结构改进也是一种重要的手段。在倒装芯片连接的典型步骤中，为了焊料凸块的清洁或防止氧化、焊料润湿性的改进等目的，在焊接时使用焊剂，从而构建半导体芯片和基板之间良好的电连接。而焊剂在加工过程中容易附着在背面保护膜的表面上从而引起劣化外观性或激光标识性的问题。基于此，CN102382587A[9]提出对背面保护膜的结构进行改进，在背面保护膜上增设保护层，由具有玻璃化转变温度为200℃以上的耐热性树脂或包括金属组成，从而实现倒装芯片接合时，焊剂组分最终蒸发而不进入保护层，抑制污染。

2.2 切割膜

半导体芯片切割背面保护一体型薄膜要求保证在切割步骤中半导体背面保护膜对半导体芯片有良好的粘合力。另一方面，要求支持半导体背面保护膜的切割膜满足对环框良好的保持力，半导体背面保护膜良好的粘附力可以防止切割时半导体芯片的飞散，同时起到阻隔能够，防止切割期间产生的切割屑直接粘贴到半导体芯片形成表面污染。

此外，在切割步骤之后的拾取步骤中，还要求切割膜在延伸时不会产生基材的破裂、破损或塑性变形等，并还显示良好的剥离性，以使得切割后的半导体芯片能够与半导体背面保护膜一起从切割膜分离。然而，以平衡的方式实现这些特性并非易事。

针对性能平衡的问题，CN102373019A[10]提出一种半导体背面用切割带集成膜，通过对切割膜进行改进，在基材层上设置第一压敏粘合剂层和第二压敏粘合剂层作为切割膜，和堆叠在切割膜的第二压敏粘合剂层上的半导体背面用膜，通过设置第一压敏粘合剂层与第二压敏粘合剂层之间的剥离强度大于第二压敏粘合剂层与半导体背面用膜间的剥离强度，及特定的剥离强度。该专利能够实现即使当半导体芯片很薄时，也能保证保持力和剥离性的平衡，同时实现低污染。

在半导体芯片切割背面保护一体型薄膜中，存在由于在倒装芯片型半导体背面保护膜上贴合晶圆时的加热等，导致切割膜与倒装芯片型半导体背面保护膜之间的剥离力上升、无法拾取的问题。CN105086865A[11]提出通过控制切割膜和背面保护膜的表面自由能，从而实现抑制由加热导致的切割带与倒装芯片型半导体背面用薄膜之间的剥离力上升。

出于抑制底部填充材料在倒装芯片安装半导体芯片时容易爬上半导体芯片的背面的目的，JP2014123728A[12]提出一种粘合片，通过控制粘合剂层的接触角，从而防止底部填充材料在倒装芯片封装期间上升到半导体芯片的背面。

切割膜的改进主要在于性能参数的控制，以期获得剥离性与拾取性平衡、低污染等性能。