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歷史雜誌

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IC 載板電漿設備之電極模組設計與軟體開發

作者 林冠宇莊聰暉陳冠州陳家銘劉志宏

刊登日期:2024/09/02

摘要

因臺灣電路板產業客戶製程規格要求越來高,然而現有IC載板電漿處理設備,因整體電漿均勻度不佳(70~75%),導致單片良率僅50~70%,片與片之間差異大及製程均勻度不佳(僅50~60%),除造成整體材料成本提高外,唯有在製程均勻性的重新改善,才能實質提高循環經濟的價值。本文為IC載板電漿設備之電極模組設計與軟體開發,在電極模組設計上,透過特殊的流道設計及針對冷卻水路與氣流場進行分析模擬;在電控規劃設計上,主要包括系統主電源、訊號輸入與輸出、氣體流量、低頻電源、溫度傳感器、電磁閥等電控元件;在軟體開發上,其設備操作模式主要包含手動/自動模式、製程設定、各系統設定、資料查詢、異常紀錄、使用者管理功能等畫面。同時搭配技鼎的製程優化技術,進行高製程均勻性(>85%)的驗證,將有利推動IC載板電漿設備國產化,進而取代現有設備均勻度不佳及維修冗長困難等問題。

Abstract

The process specification requirements of customers in Taiwan's printed circuit board industry are increasing. The plasma uniformity of existing IC substrate plasma processing equipment is poor (70-75%), leading to low single-chip yield, significant differences between wafers, and poor process uniformity (only 50-60%). Improving the uniformity of the process is necessary to increase the value of the circular economy without increasing the overall material cost. The purpose of this article is to discuss the design and software development of electrode modules for IC carrier plasma equipment. In electrode module design, special flow channels are created, analyzed, and simulated for cooling water channels and air flow fields. In electronic control planning and design, the main focus is on the main power supply, signal input and output, gas flow, low-frequency power supply, temperature sensor, solenoid valve, and other electronic control components. Manual and automated modes, process settings, system settings, data queries, exception records, user management functions, and other screens are among the equipment operation modes in software development. At the same time, by combining Premtek's process optimization technology, the verification of high process uniformity (>85%) will aid in the localization of IC substrate plasma equipment. Our objective is to substitute the current equipment problems of poor uniformity and lengthy and difficult maintenance with new ones.

前言
IC載板材質[1]主要分為BT與ABF,BT主要用在記憶體、手機等,ABF則是應用在客製化IC(ASIC)、顯示卡(GPU)、中央處理器(CPU)、FPGA等。其主要功能為:承載IC作為載體之用,並提供保護電路、固定線路、散熱…等,以IC基板內部線路連接晶片與PCB之間訊號,是封裝製程中的關鍵零件,占封裝製程約35~55%的成本。近年來隨著晶圓製程技術演進對於晶圓布線密度、傳輸速率、訊號干擾效能等需求提高,帶動IC基板需求逐漸增加。其IC載板的規格也跟著提高,使得電漿設備的製程均勻性要求更高。且由於IC載板皆大量處理為主,因此電漿設備也需更大的腔體空間,以對應大量的IC載板進行處理,因此不穩定的蝕刻均勻性常是IC載板所需面對之問題。然而,通常影響蝕刻均勻性的因素為:
‧電極均溫性不佳:IC載板上的附著物會因溫度高低與電漿產生不同反應,而溫度分布不均,導致各片IC載板清潔品質不一。
‧氣流均勻性不佳:因腔體空間較大,導致氣流分布不均勻,當電漿生成時,因各處氣體分子密度不同,導致電漿特性不同,影響IC載板各片的清潔品質。
綜合以上因素影響蝕刻均勻性,間接導致IC載板各片清潔品質不一,而目前僅能在設備生產完成後,以實機測試方式確認蝕刻均勻性來進行電漿模組的優化,導致開發成本過高且開發時程過長。因此,如何有效縮短設備開發時程與減少開發成本且保證IC載板清潔的品質,一直是IC載板電漿設備最關注的議題。圖1為本文IC載板電漿腔體與電極模組相對位置示意圖,在IC載板電漿設備之電極模組設計上,透過特殊的流道設計,並藉由Ansys Fluent軟體數值模擬(熱傳導[2]與氣流場[3])分析技術進行電極均溫分析,同時搭配各式氣體進出口的設計,使得設備生產前得知各設計的流場均勻性[4][5],並以優化氣體進出口分布、數量、尺寸等重要參數,進而縮短設備開發時程與開發成本。

圖1 IC載板電漿腔體與電極模組相對位置示意圖


電極模組設計與模擬分析研究
1. 電極模組設計
本文在IC載板電漿設備所使用之電極模組,是由多片電極板與氣體流道設計所組成,目前市面上的電極模組都以各設備廠商自行開發為主。因此,其產生之電漿均勻性效益也因設計不同而有所落差,其影響電漿均勻性的因素多以電極溫度與氣流均勻性為主。因IC載板多以大量清潔為主,需較大的腔體空間(寬深高均會超過1米),使電極板也以大尺寸為主(長高超過0.8米),然而大尺寸的電極板在溫度分布上不易控制,間接影響電漿特性。

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