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IC載板製造面臨的挑戰及其重要性

  • 吳冠儀台北

(左)自動光學檢測解決方案、(右)自動光學成形解決方案。KLA
(左)自動光學檢測解決方案、(右)自動光學成形解決方案。KLA

半導體封裝載板(ICS 或 IC 載板)是整體晶圓封裝的基礎,在半導體晶圓的奈米世界與印刷電路板PCB的微米世界之間,建立了強大的連結。IC載板包含多層板,而且中央通常有一個支撐核心,可保護及支援封裝內的晶片,並在封裝晶片與下方的印刷電路板之間提供連結。ICS內的鑽孔與導體線路比印刷電路板密集,同時也是裝載所有模組與封裝的最終基板。

使用ABF(Ajinomoto Build-Up Film)材料和先進的SAP製程生產具有核心層的IC載板。從設計階段和優化製造程序開始,然後是核心層和增層之間建立互連,然後在每一增層到下一增層間建立互連的反覆製造過程。

2D/3D量測解決方案。KLA

2D/3D量測解決方案。KLA

IC載板面臨的機會

電子業紛紛追求更高的效能、更小的面積,以及更低的耗電量。這樣一來,前端的半導體晶片架構便更趨複雜,對於提高IC載板連接密度的新需求也應運而生。

更具體而言,帶動ICS需求的三大趨勢包括:一、對於消費性電子產品與行動通訊裝置的需求,因為電子產品製造商必須為此提供更輕巧且功能改良的可攜式產品。二、採用ICS技術的晶片封裝是5G問世的前提。隨著採用5G先進通訊技術的國家增加,5G基地台成長可期。三、對於高效能運算的需求愈來愈高,驅動自最先進的AI應用與注重於運算效能最大化的應用。

IC載板製造中最重要的因素正在發生變化

產品良率與可靠性是製造IC載板最重要的因素。前端晶片架構日趨複雜,為支援更優異的效能,IC載板將提供更多連接方式。ICS製造商必須在開發特徵較小的新整合方案時,兼顧高品質要求。IC載板通常用於高價值的小晶片封裝,封裝內只要有一個不良晶片或有問題的載板,就可能毀掉整部裝置。

因此,儘管複雜度愈來愈高,ICS製造商還是需要高良率和高可靠性,經濟層面才能實現效益、才能在市場維持競爭力,並且讓客戶滿意。

IC載板生產達到高良率與高可靠性的關鍵挑戰

先進IC載板用於各式各樣的封裝方案,包括將多種晶片類型結合為單一先進封裝的諸多方案。IC載板較厚、層數更多,為了支援較為複雜的封裝整合,體積也比較大;同時,線路與間距的尺寸愈來愈小。

以下5個挑戰使得ICS製造商難以實現高良率與高可靠性:

第一、獨特的昂貴材料和製程-製造商必須避免浪費及優化效率。利用先進的軟體解決方案,將所有工作類型的工作流程自動化,他們就能實現這項目標。另外,自動分析、優化與面板化對製造商也有好處,可充分利用材料,使製程更有效率。

第二、ABF製程維持介電層的品質-在 ABF 層壓過程讓膜厚度維持一致並不容易。ABF厚度不一,可能導致電效能不一致,電路可靠性降低。量測系統對於監測這類厚度至關重要,因為精確的度量有助於調校過孔鑽孔。封裝的層數愈來愈多,線距也愈來愈小,因此 ABF 的厚度將繼續變薄,連帶對量測要求也會造成影響。

第三、在不平坦的表面外形將最細的線路成形-IC載板電路設計的間距愈來愈小,因此可提供密度和效能愈來愈高的電路。較細的線路若要成形,必須使用更多板面分割達到極致的對位與疊合精確度,但生產量高時則難以實現。此外,將不一致的表面外形與非常小的間距值結合也伴隨諸多挑戰。低景深的微影系統無法處理締造高曝光品質所必須克服的表面變形。高景深且連續的直接成像系統,製程容許空間較大,可製造性較高,能夠實現更優異的線路品質。

第四、降低缺陷率-各種缺陷類型都會影響整個IC載板製造的良率。氣泡(基底材料內的空隙或氣泡)可能造成各種問題,例如電性特性下降、散熱性,以及機構完整性疑慮。在預固化階段之後,檢測較薄的基材內氣泡,對於維持品質與可靠性至關重要。銅缺陷率也可能帶來挑戰。普通IC載板採用ABF層壓板,而進階ICS,例如FC-CSP(ETS 製程)所使用的ICS,則是使用銅基材(底銅)。銅對銅檢測一詞是指,檢測銅基材(底銅)層上的銅圖形,旨在檢測各種圖形缺陷,例如短路、刮痕、斷開與凹陷(銅表面凹陷)。若要在ICS製造過程制定有效的製程控制策略,自動光學檢查系統提供的解決方案,是發現和減少缺陷不可或缺的一環。

最後第五點、在正確的位置鑽出微型的導通孔-IC 載板特徵日益複雜,精確度與產速皆在製程中扮演了重要角色。IC載板雷射孔鑽孔時,難以快速準確找到對的位置,快速準確在板子上確認靶點的位置,然後啓動鑽孔程序,才能在不影響相鄰電路結構的情況下,讓所有盲孔都打在焊盤上。

先進的製程技術搭配製程控制。整個半導體生態系統中互連圖案設計會愈來愈小,於是前端、封裝與載板這三個領域的製程與製程控制方法便有機會整合。IC載板製造商必須採用新的策略,提高良率,同時增加更複雜技術的IC載板產量。IC載板愈來愈複雜,製造商需要KLA先進的製程與製程控制系統。