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KLA:實現高良率異構封裝組裝 將需更多檢測和量測步驟
 

【CTIMES/SmartAuto 王岫晨 報導】   2020年07月27日 星期一

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5G、IoT、人工智能和自動駕駛等市場持續增長,其動力是不斷提升的半導體含量。CTIMES特地專訪了KLA ICOS部門總經理Pieter Vandewalle,以及KLA營銷高級總監Stephen Hiebert,來為讀者釐清先進封裝測試設備的技術需求與市場挑戰。

KLA的ICOS F160系統可進行裂痕檢測和晶片分類
KLA的ICOS F160系統可進行裂痕檢測和晶片分類

先進封裝在全新晶片設計中的作用不斷提高,而在這些先進封裝中檢測到所有的缺陷則變得更加困難。 目前在提升製程檢測方面有什麼進展? 檢測設備在先進封裝中的作用和重要性是什麼?

5G、IoT、人工智能和自動駕駛等市場持續增長,其增長的動力是其內部不斷提升的半導體含量。儘管異構封裝已經問世多年,但是該技術的應用在過去兩年中急速增長,以滿足功能更加複雜和功耗不斷降低的需求。異構整合允許IC製造商在單個封裝中堆疊更多的矽,從而提高晶體管的密度。將各種不同技術和功能的晶片組合在一起,可以實現強大的功能。這些變化影響了封裝的最終設計,和封裝內部的晶片組裝,這其中包括了2.5D和3D晶片堆疊以及扇出封裝等技術在內的多種當前使用的技術。

隨著封裝內的晶片數量不斷增加,封裝的整體價值也隨之提高,已知良好晶片就變得越來越關鍵。在多晶片封裝中添加每個晶片之前,必須對其進行檢測和測試並驗證其功能。因此,實現高良率的異構封裝組裝需要更多的檢測和量測步驟。

總體而言,檢測和量測技術可以為製程控制提供所需的資訊,這對於客戶實現先進封裝創新和定位差異的目標越來越重要。這些先進的封裝製程的複雜性和價值不斷地增加(製程步驟更多,圖案和互連尺寸更小,更多器件整合),因此製程控制解決方案對於良率學習、製程偏移控制和品質保證至關重要。那些過去沒有嚴格公差的製程步驟現在需要更高的精度來維持器件的性能水準。例如,封裝尺寸和厚度的總體縮減導致晶片位置的公差變得更小,這進一步導致組裝模組採用精密封裝技術,而非傳統的表面貼裝技術(SMT)。對於高價值的先進封裝,必須盡快檢測出製程偏移,並對器件和封裝在出入組裝製程之際就做出認證。

KLA提供一流的檢測和量測技術,結合其強大的偵測及分類算法,形成完整的製程控制解決方案。這些解決方案涵蓋了封裝製程中的所有關鍵步驟,其中包括:使用Zeta 5xx和6xx系統對晶圓和麵板上進行高端3D輪廓分析,使用Kronos和CIRCL-AP系統進行晶圓級檢測和量測製程控制,使用ICOS F160系統進行可靠的裂痕檢測和晶片分類,以及使用ICOS 組件檢測系統進行組件級別的檢測和量測。 KLA擁與客戶合作解決新封裝挑戰的豐富經驗,協助客戶成功開發新產品生產,並以成本效益高的方式提高整體良率。

對於覆晶晶片、WLP和TSV,其特徵尺寸更小,結構更複雜。 為了快速準確地獲得檢測結果,KLA做了哪些工作?

隨著RDL線、TSV或微凸塊的特徵尺寸變得更小,關鍵或影響良率的缺陷尺寸也不斷縮減。針對這些更細小的缺陷,需要更為精細先進的光學檢測系統對其進行檢測。更加複雜的封裝製程包含著更多的製程步驟,而且每個製程步驟可能有著不同的缺陷類型或機制。最後,如上所述,先進的封裝方案通常將許多半導體器件以異構整合的方式組合在一起,這讓封裝的價值越來越高。對於這樣的多晶片封裝,必須採用先進的檢測硬件和軟件解決方案以對優劣晶片做出正確的分類。這些因素合在一起增加了檢測的工作量,因此高度先進的檢測技術十分必要,可以同時滿足產量和缺陷檢測的需求。

在晶圓級別,因為前段的臨界尺寸要小得多,前段檢測系統通常會提供比封裝檢測系統更高的分辨率和靈敏度。晶圓級封裝檢測系統通常包括諸如特殊的基板處理等功能,並且可以對封裝製程缺陷類型進行檢測。我們已經與合作夥伴一起,通過將前段分辨率和靈敏度應用於封裝特有的缺陷機制來解決新的製程控制要求,同時保持專門針對封裝的基板處理能力。隨著先進封裝中重分佈層(RDL)和互連的尺寸不斷減小,我們期望將前段技術應用到封裝檢測系統中的趨勢將繼續下去。

例如,我們推出了Kronos產品線,以滿足高靈敏度和批量生產產量的要求,同時也能解決晶圓翹曲、薄或厚基板,以及先進封裝製程中典型的多種製程變化的挑戰。

通常新的光學設備可以檢測5μm及以下的RDL。 KLA當前的檢測性能如何?

較小的RDL(重分佈層)線寬/線距尺寸用於整合兩個及以上具有高頻寬連接性的晶片。 批量生產中已經實現2微米的RDL金屬線寬,同時1微米及更小線寬現在處於開發階段。封裝製造商需要用於更小RDL的檢測解決方案,以實現線上製程控制並達到提升良率的目標。 KLA的晶圓檢測系統為行業提供了2微米RDL線上缺陷檢測的高靈敏度、高分辨率解決方案,並可以支持下一代小於2微米的RDL。

具有三或四層RDL的扇出型封裝可能需要10到15個線上檢測步驟。為了獲取檢測的準確性,是否必須犧牲檢測速度?

產線上缺陷檢測是一種在半導體製造前段中快速確定良率限制因素並改善學習週期的成熟方法。封裝技術的先進發展正導致著封裝製造商遵循類似的軌跡,需要更多的產線上檢測步驟以及更高的靈敏度,從而快速取得製程進步並且不斷提升良率。額外的檢測時間會加速學習週期,這會顯著提高利潤。通常,產線上製程控制用於提升良率,因此檢測和量測系統的重點是針對良率影響最大的製程步驟,同時對其採用高採樣率(高達100%),而智慧採樣則用於要求不高的製程步驟。這樣可以優化檢測覆蓋範圍和準確性,而不必權衡速度和準確性。隨著先進封裝生產中所採用的不同封裝技術的數量不斷增加,產線上檢測從根源上進行製程控制且提供了必要的資料,因此資料的準確性至關重要。

在垂直整合中,凸塊和柱狀結構的表面光澤度很高或呈鏡面狀,這給檢測帶來了新的挑戰。 KLA的光學檢測系統是否已為此做好準備?

材料和形狀的多樣性在增加,而尺寸卻在縮小。對於成品封裝,材料的光澤度是量測的另一個挑戰,因為需要在一個封裝上同時檢測有光澤和無光澤的物體。我們開發了針對高光澤度特徵量測功能的檢測系統。

另一個問題是,封裝成品中可能有晶片裸露在外,這讓它們更易碎並且更容易產生裂痕。在晶片組裝之前,由機械切割步驟引起的應力和激光刻槽製程中的熱應力會導致晶片內部出現看不見的致命缺陷。儘管從外部看不見這些裂痕,但它們會通過密封圈在矽中擴張並造成器件損壞。 ICOS F160晶片分揀和檢測系統可以採用其專利紅外技術檢測這些看不見的影響良率缺陷,從而在大批量生產中對內部裂痕進行可視化。在最終封裝組裝期間和功能測試等的製程中,晶片可能會因應力而破裂。 KLA ICOS檢測器上的晶片裂痕檢測模組能夠可靠地檢測最終封裝中的這些裂痕。

針對尺寸縮放、更為複雜的製程以及對品質的更高要求,KLA當前的研發重點是什麼?

我們與客戶緊密合作,以確保我們可以幫助他們實現當前和未來的品質目標。因此,我們需要了解他們發展的製程控制需求。我們預期將需要繼續提高檢測靈敏度,以滿足未來尺寸縮放的要求,同時確保我們能夠具有靈活度,可以為未來各種不同的複雜製程方案提供所需的良率提升的方法。

除了上述許多主題之外,我們正在針對一些特定領域開發封裝成品的功能,其中包括封裝內天線(AIP)的檢測和量測、隔室屏蔽、大型服務器和GPU封裝等。對於晶圓級,混合鍵技術,晶圓到晶圓和晶片到晶圓的變化形式的是另一個令人興奮的結構,它通過縮小互連間距至幾微米以提升性能。這一製程的複雜性帶來一系列挑戰,製程控制是至關重要的。

關鍵字: KLA 
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