薄型封装硅芯片的机械特性

摘要：无论是用于智能卡或堆栈式封装，薄型封装都变得日渐流行，同时也对晶圆减薄技术提出了更高的要求。本研究提出了关于芯片抗断强度和柔韧性的各种影响。

作者：W. Kroinger and L. Schneider, Infineon Technologies; Gerald Wagner, SEZ AG

　　最近几年，晶圆减薄已成为半导体工业的一种关键技术。它有助于开发诸如智能卡和视频识别（RFID）器件等技术，并已成为在最新型的移动电话、个人数字助理（PDA）和其他小型、轻便且功能强大的电子设备中日趋流行的堆栈式芯片封装的一种重要方法。

　　在晶圆减薄到100 mm以下时， 制造商必须利用一种超出机械背面磨削以外的减薄新方法，他们也必须更多地关心诸如晶圆的抗断强度、柔韧性、粗糙度和切片质量等各种参数。本文将详细叙述晶圆减薄之后在机械特性方面的研究成果，同时讨论哪些参数对可行的薄型封装来说是最重要的。

　　从材料的观点来看，硅的特性是非常稳定的，但它很脆，以至于硅晶圆会显示出某种脆性。尤其是在晶圆减薄工艺过程中，晶圆需要进行机械的拉伸。晶圆级的稳定性是晶圆破损率的主要因素。不过，对后道工艺和产品应用来说，芯片级的稳定性才是最关键的。

　　有几种产品使用的芯片需要具有抗断强度或柔韧性，例如智能卡和其他类似的应用。其两个主要方面，即芯片的机械特性和封装的机械特性，他们之间会相互影响。本文则重点介绍硅芯片的机械特性。

　　芯片强度的测量

　　有许多测量芯片强度的方法，而且要对不同测量系统的结果进行比较是很困难的。确实没有对或错的测量方法，但是你必须记住你所使用的是哪一种系统。大体上，我们需要在晶圆减薄工艺的过程中以不同的工艺流程检查抗断强度。我们采用的更为理想的方法是滚环方法；另一种通用的技术则是三点弯曲度方法。

　　滚环方法（图1）是将一个球压在一个芯片上，并以1mm/min的速度慢慢向前滚动。持续测量力量和运动，直到芯片裂缝。由于芯片边缘离滚环足够远，这种方法受切片质量的影响较小。

　　有时我们采用三点弯曲度试验（图2），因为这更接近于芯片在现实世界应用中承受的类似压力。对于一些应用来说，柔韧性是芯片的最重要的特性。但是，还有一些可以导致实际应用中芯片失败或成功的其他参数。这种方法是用第三棒压在芯片上。再一次进行1mm/min速度的测量，其方法类似于滚环方法。该系统由一台PC进行控制，它继续不断地将所有芯片的数据存储起来。

　　如前所述，硅是一种非常脆的材料。众所周知，相对于平均力量其抗断强度的分布是不均匀的。最为通用的分布是韦伯（Weibull）分布（图3）：破损与抗断强度的概率（以双对数表示）。我们使用Faverage（算术平均值），有时使用Fmedian（芯片破裂力的63.2%）以得到更多关于分布的信息。

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　　了解一个应用很有可能出现的压力是至关重要的。例如，一张信用卡必须能够维持若干年的功能不变，同时必须对付来自日常生活和每日使用的力量。另一方面，行李标签很可能只在若干天内发挥作用。芯片的大小也是一个因素：一个面积为0.8 mm×0.9mm的芯片将不会受到诸如行李标签的弯曲度造成的许多压力。如果你把一个能够识别你的指纹的按钮芯片放在一张信用卡上，它就必须承受通常信用卡所带来的弯曲力。因此，在这里你就需要一定的稳定性和柔韧性。

　　我们认为，柔韧性是更重要的特性。使一张智能卡弯曲的力正是日常生活中的司空见惯的事情。你的信用卡会被弯曲。施加在你的上衣或口袋的力量总是大于芯片的抗断强度。因此，唯一的选择是芯片要具有柔韧性和能够弯曲。

　　在大多数情况下，主动面的抗断强度非常高，几乎像未处理的正面的抗断强度一样高。这就是为什么芯片稳定性的主要因素可以归结为背面处理的原因。因此，我们常常都不能达到一个极限。在芯片中可以达到的最高的抗断强度是多少呢？为了回答这个问题，我们必须首先看看不同厚度的晶圆可以达到的抗断强度。

　　厚度与强度的对比

　　为了显示与晶圆厚度有关的芯片抗断强度，我们使用初始厚度为675 mm的6英寸晶圆进行实验。我们使用了滚环方法（图4a）和三点弯曲度方法（图4b）测量抗断强度，两者都得到了类似的结果。

　　这个结果有两个值得注意的主要方面：

　　1. 通过去除初始厚度的7%，我们在抗断强度方面失去了60%以上。因此，不仅仅是厚度决定着抗断强度；最具决定性的影响来自背面处理。

　　2. 假定一个芯片对背面进行了研磨，随着厚度的减少抗断强度急剧减小。如果我们减少了30%（188 mm）的厚度，强度将减小4%-7%。

　　背面处理与强度的对比
　　芯片的背面稳定性是我们发现的最具决定性的参数，注意各种背面处理并对芯片稳定性值进行一下比较。在这些研究中，我们使用了下列工艺方法：粗研磨，精研磨，压力释放和切片。（注意：有若干能够进行压力释放的不同工艺。）

　　图5显示了各种背面处理的对比，及其所导致的抗断强度。作为基准的10 mm旋转蚀刻，通过化学机械抛光（CMP）和电浆蚀刻技术能够达到类似的强度。CMP显示了进一步的潜力，但是最高抗断强度是以25 mm旋转蚀刻工艺实现的。我们知道，进一步增加这个去除量是毫无意义的，而且这里的抗断强度已经达到饱和。达到饱度的足够的精确值也取决于所使用的研磨工艺。

　　湿法化学蚀刻是应用最普遍的减薄技术之一。旋转蚀刻可以用来蚀刻晶圆的一面，它是一种可在旋转晶圆表面形成薄膜的蚀刻方法。通过使用一种特殊的夹具，可以在没有表面保护层或边带的情况下保护晶圆的正面。通常，夹具的设计可以利用真空来抓住超薄型的晶圆。

　　用于硅蚀刻的方法由一种诸如HNO3或H2O2的氧化剂及配位剂组成；后者通常是HF。不同的混合物可以实现不同的蚀刻率，并利用对不同的掺杂水平（例如epi层）或硅氧化物的不同选择性实现不同的特性。用于硅蚀刻的旋转蚀刻速率的一个典型值是每分钟大约10 mm。硅蚀刻所得到的总厚度变化（TTV）值是一个跨晶圆表面的蚀刻剂的流动作用。后者可以利用诸如晶圆旋转参数和晶圆表面的介质分配器的回转运动进行优化。

　　采用SEZ的设备实现的旋转蚀刻能够用于两种根本不同的工艺：

　　1. 弯曲/破坏蚀刻：可以减少晶圆变形，足以去除几个微米，以增加稳定性；我们发现的饱和度最接近25 mm。

　　2.部分去除：这里我们使用了旋转蚀刻作为一种减薄工具，以避免在低厚度时有研磨作用的研磨，这样可以减少晶圆破损的风险。不直接研磨到50mm，而是研磨到100 mm，再进行50 mm的部分蚀刻。当芯片稳定性已经饱和时，有可能改变去除量而不改变诸如芯片稳定性或表面粗糙度等特性。这样就能够控制最终的厚度。通过瞄准目标厚度，旋转蚀刻的去除率能够适应实现想要的最终厚度。

　　粗糙度

　　我们也测量了背面的表面粗糙度，并把这个参数与抗断强度进行了比较。粗糙度和抗断强度之间有着某种相互关系（虽然我们也发现，最光洁的镜像曲面不一定会导致最高的抗断强度）。对于芯片粘合而言，背面的粗糙度也会影响粘合剂的分布并导致粘附。当对粗糙度进行测量时，我们使用了Raverage（Ra），这是在几个毫米的距离内测量的平均粗糙度。

　　比较晶圆背面粗糙度的最强大的方法通常是肉眼。当 Ra<0.1um, 粗糙度是通过一个采用接触针的简单的机械系统进行测量的。除此之外，还需要一台光学测量系统或一台原子力显微镜（AFM）。

　　抗断强度的最显著改进之一是粗研磨（研磨工艺的第一步经常采用300-400目进行）和精研磨（研磨工艺的第二步经常采用1000-2000目）之间。如图6所示，通过精研磨可以去除20 mm，使抗断强度具有决定性的增加。

　　高去除率，尤其是第一个研磨步骤（粗研磨），会造成粗糙的表面。典型值大约是0.2 mm（Ra）。在第二个研磨步骤期间，粗糙度可以减少到几个纳米（例如使用一个2000目大小的砂轮，粗糙度减少到10nm的Ra，这要比一个抛光的裸硅晶圆高约10倍）。旋转蚀刻硅表面的粗糙度小于1nm（Ra），因此几乎可与CMP工艺相媲美。

　　利用精研磨从粗研磨晶圆上去除20 mm可改善抗断强度两个数量级。这能够通过一个典型的Hadamovsky模型来解释，它可以在任何厚度的芯片上形成10-25 mm的表层下破坏。对一个较薄的芯片来说，因为这个破坏层大于总体厚度，这种表层下的破坏当然是一个更重要的因素。

　　切片质量的影响

　　将晶圆分割成芯片的分离工艺对芯片边缘的质量是至关重要的。当芯片变得越来越薄时，边缘质量对芯片抗断强度的影响也在不断增加。在这里，减薄分离技术相比较传统工艺而言能够获得先进工艺的优势：减薄和切片。我们将在下面解释其原因，并对其相互关系进行一个评价。

　　在考虑抗断强度的切片时，令人感兴趣的主要课题是破片，尤其是背面破片。在分离过程中芯片边缘的极其小面积的硅片破损被称为破片。这种结果肯定与切片质量有关，不过，由于切片是一种机械切割工艺，某些破片是不可避免的。这些有时称为“壳裂痕”的很小深度的破坏仅有几个微米。对于厚度在200 mm的芯片来说，如果分离是在减薄之后进行，要发现任何在与切片质量有关的抗断强度方面的变化是很困难的。

　　芯片越薄，抗断强度试验的难度也越大。要在无破坏的条件下处理这些薄型芯片是很困难的。但是，我们通常看到的是，随着芯片变得越来越薄，破片就会产生影响。因此，应该利用一个视像系统对破片进行控制。如果你考虑了破片的深度，很明显：一个几微米的裂缝能使几十微米的芯片更不稳定，而对几百微米厚度的芯片就会好些。对一个厚芯片来说，壳裂痕的大小可以忽略不计。

　　芯片的柔韧性

　　随着芯片变得越来越薄，抗断强度已不是需要检查的唯一的重要参数。如前所述，柔韧性的重要性也在日趋增加。我们将说明在其断裂之前，能够实现弯曲/半径芯片。对于像信用卡等领域的应用来说，这个参数比抗断强度更为重要。了解芯片内部能够承受的曲率非常重要。

　　我们的用于测量抗断系统强度的也可以跟踪芯片弯曲度。如图7所示，在采用滚环方法的条件下，r是在其断裂之前芯片所能承受的弯曲半径。我们跟踪了破损试验的过程。基于芯片断裂时的程度我们计算出了r。一个芯片断裂之前能承受的弯曲半径与芯片厚度的平方成正比。

　　针对在背面旋转蚀刻过程中不同的蚀刻去除量，我们发现了如图8所示的一个厚度为185 mm的芯片的结果。通过蚀刻去除了3到25 mm即可增加该芯片的强度，但是它们没有得到很多柔韧性。柔韧性从粗研磨增加到精研磨，并以3 mm旋转蚀刻达到饱和。我们对120 mm厚的芯片进行了重复实验。在这种情况下，我们看到了同样的结果：在背面蚀刻了25 mm，我们获得了强度，但是我们没有看到柔韧性方面有所增加。