为了得到更好的 TIM 性能，金属 TIM 被认为是一项重大改进。在各种金属中，在先前的研究中推举利用熔点低的铟或铟合金[2]。要利用金属 TIM，必须在硅 (Si) 芯片和盖板表面同时进行背面金属化 (BSM)，由于金属 TIM 通过金属间键合与 Si 芯片和金属盖板结合，如下图所示：
从凸点互连方法的角度来看，业内利用回流焊（MR）、热压键合（TCB）和激光赞助键合（LAB）。对付激光赞助键合（LAB），技能和键合机制已有宣布，键合方法的一样平常比较如下表 1 所示 。这项新研究的重点是用于 BSM 芯片凸点互连的 激光赞助键合（LAB） 技能。引入下一代 激光赞助键合（LAB） 技能以战胜现有 激光赞助键合（LAB）技能的局限性。此外，还根据优化的关键 激光赞助键合（LAB）参数检讨了 激光赞助键合（LAB）工艺余量。此外，器件是在 激光赞助键合（LAB）记录过程 (POR) 条件下制造的，并提交了可靠性测试，并针对可靠性后的任何热退化进行了凸块接头横截面剖析。
键合（Bonding）可以将两个或多个材料（或构造）结合成为一体，是半导系统编制造过程中不可短缺的主要环节。纵不雅观近年高端系统级封装产品（尤其是手机射频前端模块）的发展趋势，不难创造，芯片/基板键合（Die-to-Substrate Bonding）技能及其制程创新可谓是居功至伟。
讲了那么多，那详细什么是激光赞助键合（LAB）技能呢？以下便是本期我要跟大家分享的内容了。
一、激光赞助键合（LAB）工艺技能的先容
激光赞助键合，英文全称：LaserAssistedBonding，简称LAB，是运用半导体集成电路后道封装制程领域的一项技能，是指将激光束照射到芯粒或须要焊接的器件上使芯粒及器件数秒内由室温升至焊接温度，将其焊接在基板、interposer或堆叠的其余一个芯粒上。该技能可用于对速率、精度和局部非常小区域的精确加热、掌握有高度需求的场合，例如芯片到基板、芯片到晶圆键合。相对付传统的回流焊、TCB，激光局部加热不须要额外的方法就避免热膨胀。激光赞助键合在键合温度、作业韶光、热影响区大小等方面具有明显的上风，是高精密芯片直接键合的最佳选择。
激光赞助键合（LAB）全体系统由高功率二极管激光源、光纤、准直仪、以及产生平顶激光束的均化器四部分组成。激光源在连续波模式中事情，采取近红外波长为980nm，其最大功率为2kW，光束大小为9至45毫米，焦距为240毫米，详细示意图如图1所示。
在全体工艺中，激光束的功率密度分布和空间特性非常主要。如下图2所示，如果功率分布不均则会导致温度不均一，从而产生BUMP 桥接或打仗不良的毛病。在部分区域由于没有吸收到足够功率的照射，会导致焊接温度不敷产生的打仗不良毛病。而在其余一部分区域由于吸收到过高功率的照射，则会产生BUMP桥接的毛病。在一些极度情形下，乃至可能将芯粒或设备烧坏。因此全体工艺的难点便是如何使需焊接部件均匀受热。当然在C4/DIE BUMP区域加热均匀也是激光赞助键合（LAB）工艺优于回流焊工艺之处。
既然能量的稳定性及可控性这么主要，那我们可以连续谈论到底当前业界可以做到什么样的水平。图3及图4便是某公司官方发布的实验数据，根据图中数字我们可以看到均匀度非常不错，在右下角芯片焊接区域的能量差异值非常眇小。
实在除了这家公司以外，很多业界领头公司也都做过类似的考试测验来办理焊接工艺中由于基板越来越薄，翘曲越来越严重等导致的焊接毛病。但是终极大部分都勾留在了理论研究中。而这家公司能够将该工艺量产实属不易！
末了根据专家Semicon Solutions的见地，为了更好的掌握芯粒及Substrate在焊接过程中的翘曲，未来最优的方案将是在激光赞助键合（LAB）的工艺中，激光即热的同时用透明的压盖给芯粒一定的压力，确保焊接过程中的翘曲得到外力的掌握。
二、激光赞助键合（LAB）与回流焊接（Mass Reflow）技能的比拟
一起走来，从常青树般的回流焊接（Mass Reflow）技能，到数年前异军突起的热压键合（Thermal Compression Bonding）技能，再到最近才开始发力的激光赞助键合（LAB）技能，前辈封测企业与设备方案厂商配合尽力，紧跟键合技能潮流，可谓“马首是瞻，不敢相背”。可以说，越是在前辈制程中，我们就越须要超精密的键合技能做事。
下图所示为激光赞助键合（LAB）和回流焊接（Mass Reflow）技能之间做的一个大略比较：
从图中我们不丢脸出，回流焊接 MR 技能随意马虎受到多种限定，包括由于板材变形所引发的 Non-wet bump、桥接与 ELK 层裂纹等引发的封装可靠性问题、模具和基板同时加热韶光过长的问题以及旧调重弹的 CTE 不匹配、高翘曲、高热机器应力等问题。而借助激光赞助粘合（LAB）技能，我们便可以轻松办理上述限定。激光赞助键合（LAB）技能借助红外（IR）激光源光束均化器，能够实现高升温速率下的局部加热。
三、激光赞助键合（LAB）技能的运用
目前普遍利用的是键合技能是：共熔键合技能和阳极键合技能。共熔键合技能已用到多种MEMS器件的制造中，如压力传感器、微泵等都须要在衬底上键合机器支持构造。硅的熔融键合多用在SOI技能上，如Si-SiO2键合和Si-Si键合，然而该键合办法须要较高的退火温度。阳极键合不须要高温度，但是须要1000-2000V的强电场才能有效的键合，这样的强电场会对晶圆的性能造成影响。于是很多研究者引入了激光赞助键合（LAB）的键合办法，其事理是将脉冲激光聚焦在键合的界面处，利用短脉冲激光的局部热效应实现局部加热键合。该键合办法具有无需压力、无高温残余应力、无需强电场滋扰等诸多上风。
由于晶圆尺寸逐渐增大厚度减薄，晶圆在流片过程中就随意马虎碎片，于是引入了载体层。将薄晶圆同载体层键合在一起，防止在流片过程中晶圆破损。相较于其他拆键合办法，激光拆键合可以利用聚酰亚胺作为键和剂，该办法键和可以耐受400℃以上的温度而一样平常的键合剂在200℃时候就会变性，这就使得一样平常键合剂在晶圆做高低温循环时候就已经失落效。由于激光拆键合技能须要将激光浸染于载体和晶圆中间的粘连剂上以是须要载体能够透过相应波长的激光，目前利用较多的激光为紫外激光，载体为玻璃晶圆衬底。激光拆键合技能多用于多种薄硅晶圆的剥离。
1、激光退火
激光退火技能紧张用于修复半导体材料，尤其是硅。传统的加热退火技能是把全体晶圆放在真空炉中，在一定的温度（一样平常是300-1200℃）下退火10-60min。这种退火办法并不能完备肃清毛病，高温却导致材料性能低落，掺杂物质析出等问题。因此从上世纪末开始，激光退火的研究就变得十分生动，发展出毫秒级脉冲激光退火、纳秒级脉冲激光退火和高频Q开关脉冲激光退火等多种激光退火方法。近些年来，激光退火已在国内外取得了一些成熟的运用。激光退火紧张上风表示在：
（1）加热韶光短，能够得到高浓度的掺杂层；
（2）加热局限于局部表层，不会影响周围元件的物理性能；
（3）能够能到半球形的很深的打仗区；
（4）由于激光束可以整形到非常细，为微区薄层退火供应了可能。
2、激光钻孔
激光钻孔广泛用于金属、PCB、玻璃面板等领域的钻孔，在半导体领域激光钻孔还是一个新兴的运用，由于半导体行业的高精度和高表面光洁度等哀求，目前我司采取的是短脉冲高速旋光钻孔的工艺。随著3D封装技能的兴起，硅通孔TSV(TSV)技能逐渐发展，对激光打孔的需求日益强烈。目前激光钻孔存在着明显的上风和劣势，上风表现在钻孔本钱低、无耗材、可以钻孔不同的材料等等；劣势紧张表现在孔内壁比较粗糙、密集钻孔效率低、对钻孔材料强度的损伤等等。当然研究职员也在研究新的钻孔技能来战胜现在钻孔的弊端，比如说激光结合化学的钻孔办法等等。
四、测试载体
测试载体是一个 FCBGA 封装。封装体尺寸为 45 mm x 45 mm，硅芯片尺寸为 19.2 mm x 19.2 mm。凸点间距为 165 µm，圆形凸点直径为 85 µm。带有 20 µm 锡银 (Sn-Ag) 焊帽的铜 (Cu) 柱状凸点的总凸点高度为 60 µm x 40 µm。芯片背面金属化层用金 (Au) 完成。有机基板有六个铜层，焊盘 (SoP) 表面处理，总厚度为 1.07 毫米。表 2 总结了测试载体的其他信息。
五、实验细节
1、非 BSM 芯片的现有 Top 激光赞助键合（LAB）的结果
在对 BSM 芯片进行评估之前，评估了具有非 BSM 芯片（即普通硅芯片）的现有正面激光赞助键合（LAB）条件。POR 条件显示凸点互连没有非常。如图 2 所示，X 射线检讨和凸块横截面均未显示非湿润或凸块短路情形。
2、BSM 芯片现有 Top 激光赞助键合（LAB） 的结果
最初，将非 BSM 芯片的 POR 激光赞助键合（LAB） 条件运用于 BSM 芯片。然而，凸块互连没有完备形成，并且芯片与基板分离。缘故原由是由于硅芯片的 Au 金属化表面的高激光反射率。如图 3 所示，Au 在红外 (IR) 波长处的反射率险些为 100%。接下来，在leg 1 到leg 3 中以相同的键合时间施加 3 倍到 4 倍的高功率。4 倍高功率（leg 3）显示没有非湿润，但基板表面由于非常高的功率而被烧毁。3 倍放大率（第 1 条）显示没有基材表面破坏，但通过横截面剖析不雅观察到凸块不湿润。中间点 3.5X（第 2 条腿）显示凸块非湿润和基板表面破坏。
下一步，以相同的功率施加更长的 激光赞助键合（LAB）韶光。Leg 4 到 Leg 6 利用了12X 到 16X 更长的韶光。所有 Leg 3 均未显示基板烧毁，但纵然在最长的粘合时间下也检测到突出非湿润横截面。汇总结果如表 3 所示。X 射线图像和凸块横截面图像如图 4 所示。
根据结果，很难找到适宜大规模生产的最佳激光赞助键合（LAB）条件和可接管的工艺余量。由于非润湿风险，不推举将现有的激光赞助键合（LAB）技能用于 BSM 芯片凸点互连。这匆匆使人们探求新的粘合方法。
六、下一代激光赞助键合（LAB）先容
为了避免BSM 金属化表面的高反射率，提出了一种反向型激光赞助键合（LAB），激光从底部 BGA 侧发射到凸点，通过级块传输。这个下一代激光赞助键合（LAB）该当战胜现有激光赞助键合（LAB）的局限性。目标运用是 BSM 芯片、高带宽存储器（采取环氧树脂模塑料 (EMC) 封装）和 2.5D 模块互连。图 5 详细显示了现有正面激光赞助键合（LAB）和下一代激光赞助键合（LAB）（反向激光赞助键合（LAB））的示意图。
七、下一代激光赞助键合（LAB）结果
经由几次调度功率和韶光的试验后，达到了最佳的激光赞助键合（LAB）条件。在这些 POR 条件下，通过施加 ±10% 的功率来研究激光赞助键合（LAB）参数余量。图 6 显示了却果。所有三个参数都显示出良好的互连，在 BGA 侧没有任何凸块非湿润、凸块短路或基板表面破坏。
接下来，丈量 BSM 模具表面的峰值温度。常日对付激光赞助键合（LAB），IR 摄像机用于丈量温度，但对付 BSM，凸块区域的芯片温度也通过热电偶 (TC) 丈量，由于 BSM 表面温度估量因高反射率而较低。如图 8 所示，热电偶插入芯片和基板之间的芯片角和芯片中央位置。由于金属的低发射率，BSM 芯片的 IR 峰值温度仅为65~75°C 旁边。在 POR 条件下，基板温度约为254~264°C。然而，凸点处的热电偶温度约为 254~259°C，超过了焊料熔化温度。IR 峰值图像、IR 温度和热电偶曲线分别如图 7 和图 8 所示。
八、回流焊的结果
回流焊是可能的，由于 165 µm 的凸点间距在 120 µm 的 MR 能力范围内。利用无铅焊料的标准回流曲线封装器件。结果，如图 9 所示，在 X 射线检讨和截面剖析中没有凸点短路。但是，MR 显示焊料侧壁蠕变（芯吸）比激光赞助键合（LAB）多，估量 MR 将难以适用于细凸点间距器件。换句话说，为了实现高生产率，Next Gen 激光赞助键合（LAB）可能是采取 BSM 芯片的密集凸点间距器件的唯一办理方案。
九、下一代激光赞助键合（LAB）可扩展性
除了 BSM die 运用，DRAM attach 和 2.5D module attach 将须要 Next Gen 激光赞助键合（LAB）技能。这两种运用的开拓仍在连续，迄今为止，已经取得了具有良好互连性的可喜成果。表 4 显示了下一代激光赞助键合（LAB）运用程序的示意图。
十、可靠性测试
零件是在 POR 激光赞助键合（LAB）条件下制造的，并经由标准的 JEDEC 可靠性测试。忽略盖子和焊球附着，测试集中在凸块互连上，看是否有任何后期可靠性非常。在每次读数时，都会检讨 SAT 和凸点横截面。遗憾的是，由于没有 O/S 测试套件，未实行开路/短路 (O/S)测试。末了，通过Unbiased Highly Accelerated Stress Test (UHAST) 192小时，Temperature Cycle, Condition B (TCB) 1000X和高温存储(HTS) 1000小时，所有读取点均未涌现SAT非常，凸块横截面也未涌现非常，如图所示在表 5 中。
本研究证明了利用激光赞助键合（LAB）技能实现 BSM 裸片凸点互连的可行性。由于 BSM 在激光赞助键合（LAB）的 Au 金属化的高反射率，正常的激光赞助键合（LAB）条件是不可行的，由于缺少对凸块的热通报。纵然激光赞助键合（LAB）功率增加 4 倍或激光赞助键合（LAB）韶光延长 16 倍，仍检测到基板表面破坏或凸块不润湿。结论是，优化激光赞助键合（LAB）条件非常困难，工艺裕度非常窄。不建议将现有的 Top LAB 用于 BSM 芯片互连。
为了提高质量，开拓了 Next Gen 激光赞助键合（LAB）。这是一种反向型激光赞助键合（LAB），个中从底部 BGA 侧到凸点的激光发射通过阶段真空块传输。新的激光赞助键合（LAB）工艺在 165 µm 凸块间距测试车辆中没有不雅观察到基板BGA 侧表面破坏、凸块未润湿和凸块短路的情形下显示出令人鼓舞的结果。此外，±10%的参数窗口也没有显示非常。在POR 激光赞助键合（LAB）条件下构建的部件在 SAT 上没有显示非常，并且凸点互连通过了 UHAST 192 小时、HTS 1000 小时和 TCB 1000X 的所有 JEDEC 可靠性测试。
回流焊对付 165 µm 凸点间距测试车辆也显示出可喜的结果，没有不雅观察到凸点短路和凸点不润湿。然而，MR比 激光赞助键合（LAB）显示出更多的焊料侧壁蠕变（芯吸），因此很难运用于风雅凸点间距器件。
下一代激光赞助键合（LAB）的开拓是为了战胜现有激光赞助键合（LAB）的局限性，它可能是BSM 芯片风雅凸点间距互连的唯一办理方案。这也将为高带宽内存绑定和2.5D模块互连供应办理方案。
总结一下
目前大部分的焊接都采取传统的回流炉，但激光赞助键合（LAB）能够超越很多回流炉的局限。由于在有序的基板级或晶圆级键合工艺中，每颗芯片只能被加热一次。与区域加热相反，激光局部加热不须要额外的方法避免热膨胀。芯片可以在仅500微米间距情形下键合，相邻的焊点不会涌现（重新）融化的征象。而激光赞助键合（LAB）便是可用于对速率、精度和局部乃至非常小区域的精确加热掌握有高度需求的场合，尤其是快速温度循环可减少表面氧化的风险，并缩短韶光优先的生产环境中的工艺周期，大大提高产品质量和生产效率。
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