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12 吋晶圓接合模組熱固耦合模擬與驗證

刊登日期：2021/10/01

摘要

電子封裝技術及設備不僅關係到整體IC的運作效能，生產線良率的穩定性更是影響甚大。以封裝設備中的晶圓接合設備而言，除了加工誤差外，由於結構部件不平均的熱源分布、冷卻、熱變形影響的熱誤差可能導致晶圓貼合相對位置偏差，而合理的熱平衡設計可以最大限度地減少溫度場對熱變形的影響。本文即針對先進封裝技術說起，接著說明晶圓級接合技術種類及方法。藉由目前開發的熱壓接合設備平台，導入熱-結構耦合有限元數值方法，分析熱壓接合模組的溫度分佈，同時在高溫條件下加入高壓合力以得到模組的變形和應力。

Abstract

Advanced package technology and equipment are not only related to the IC efficiency, but also the production yield rate. In addition to machining errors, thermal deformation of the structure component in wafer bonding equipment may also cause bonding position misalignment during the wafer bonding process. Therefore, optimization of thermal balance design can minimize the impact of thermal deformation. This article starts from introducing advanced package technology and followed by types and methods of wafer bonding technology. We will then focus on the wafer bonder developed by MMSL/ITRI, in which the finite element numerical method is used to obtain thermal-structure coupling analysis. Not only the temperature distribution of the module is analyzed, but also the pressing force is added under the condition of temperature load to obtain the deformation and stress of the module.

晶圓接合平台架構介紹
晶圓接合設備，最基本功能在於提供了接合時所需的各項要素包含:接合溫度、壓力、真空度、氣體環境維持的機構系統，而最具挑戰的就是如何在複雜系統下，讓晶圓接合區域整體的溫度(升溫、持溫、降溫)偏差最小及壓力分佈均勻符合規範需求，並保持兩片晶圓的對位精度，以維持晶片生產良率[1,2]。因此，現階段設備在設計上都會導入模擬手法，來修正經驗法則上的偏差及材料選材上的差異。此外，現在的模擬工具也導入智能化設定，包含材料特性，溫度控制，環境設定等，當設定越完整在實體的表現與模擬的誤差也會越小，以下就由目前主流供應商的晶圓接合架構說起，並說明目前熱壓平台開發現況。
目前晶圓接合設備主要供應商(EVG &SUSS)的整機架構區分五大部分:1.壓力控制單元、2.溫度控制單元、3.晶片夾持單元、4.真空/氣氛控制單元、5.軟體控制單元。其設備主要可以使用6吋~8吋晶圓，也可依前述的接合方法搭配須要的功能模組。
壓力控制單元:主要依製程需求的壓合力來決定硬體的使用型式，一般使用氣壓或液壓做為媒介，藉由控制氣壓/液體壓力導入氣/液壓缸內產生推力，壓力控制方法上利用封閉迴路(close-loop)設計，如圖1所示為工研院開發熱壓接合設備之壓力控制迴路架構，將平台的感壓原件(load cell)受力後，由主控制器取得壓力訊號，輸出訊號至比例閥調整氣壓力，再藉由氣缸輸出推力，藉此達到穩定壓力控制，而為在300 mm的晶圓接合面上壓力能更均勻，機構上有設計壓力分散裝置(WEC機構)使單點柱塞壓力可以擴散到整面，進一步使用軟性石墨做為均溫及均壓的緩衝層。另外，設備中還有壓力傳遞板設計，主要是與晶圓直接接觸，這部分平板比需要求平板的平面度(Ra<0.05，平面度<5 um)，讓晶圓平整貼合，在材料選用上也必需考量高導熱性及基板膨脹係數相近的材料，例如鈦合金或是陶瓷材料做為乘載平板，減少熱膨脹造成的壓力偏差。
溫度控制單元:設備包含了上下兩組加熱器及上下兩組冷卻器，觀察300 mm加熱模組範圍內的均溫性，上下加熱模組均有對應的溫控器及溫度計，如同壓力控制也是採用封閉迴路控制，其加熱絲的配置上考慮晶片的升降機構及使用對稱形式設計，來達到較高均溫性，另外，加熱模組的材質選用及加熱加壓變形時的因應方法，也必須要考慮，在與加熱器廠商討論下，為有效達到大面機控溫，加熱絲的分配及溫度偵測點，工研院開發熱壓接合設備之加熱模組也由單一模組改成多模組形式，如圖2所示，再配合軟體修正各別溫控器，來達到升降溫曲線一致的效果。
晶片夾持單元:夾具的功用在於兩片晶圓對位後的固定裝置，必須保持兩片晶圓在進入接合裝置前，接合面不能產生接觸，接合後又不能產生偏差。因此，各家設備商均在晶圓夾持與間隙片的放置機構上有不同的設計方法，並佈局專利保護。設計上常見夾具與下壓力傳遞板會整合為一，如同前述壓力傳遞板與晶圓面接觸需要考慮要素相當多，如高平面度的基座，避免平面度影響晶圓貼合效果等，再加上需要在有限空間下放入固定及間隙片計構，還有溫度因素等，由此可見夾具的設計上也是相當繁瑣。

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