黃月娟、張佩貞、林志浩、陳凱琪 / 工研院材化所
我國半導體構裝產業鏈完整，先進半導體構裝技術亦居全球領導地位，唯獨欠缺高信賴性的自主封裝材料，近幾年來所使用的材料大多數都仍以日、美及少數韓系廠商供應為主。本文將介紹目前工研院材化所建置的高密度覆晶構裝材料驗證平台技術，配合構裝廠所需的驗證條件，建立封裝材料驗證流程與評估方法，包括進行底部填充膠的材料特性分析、封裝製程評估、高密度覆晶構裝元件驗證、信賴性測試與失效分析等，在新材料導入構裝製程前先進行α-site的驗證評估，可縮短材料導入驗證期的時間，提升量產之加工性、可靠度，增加廠商競爭力，完整國內半導體構裝產業材料供應鏈。
【內文精選】
前 言
本技術所建置之「高密度覆晶構裝材料驗證平台」，包含底部填充膠材料特性評估、細間距填充製程評估與高密度覆晶構裝評估驗證，除了建立可信賴且具不同I/O數之覆晶構裝測試載具之外，亦解決國內封裝材料廠商在開發高性能封裝材料時，缺乏高階半導體構裝之製程加工性及封裝信賴性驗證的問題。
高密度覆晶構裝材料驗證技術
1. 底部填充膠材料特性評估
分別將材料配方進行硬化前材料製程之加工性及反應性等特性分析，以及硬化後封裝材料特性分析。膠材硬化前特性評估包括：材料配方黏度、儲放安定性、DSC分析—反應起始溫度和反應熱焓(ΔH)；膠材硬化後特性評估則包括：TMA分析—玻璃轉移溫度(Tg )和熱膨脹係數(CTE)、DMA分析—玻璃轉移溫度(Tg)和儲存模數(Storage Modulus)，以及三點彎曲法進行彎曲強度(Flexural Strength)和彎曲彈性模數(Flexural Modulus)測試。藉由這些分析數據，可以先判斷出所評估的膠材是否適用於高密度覆晶構裝中。
3. 高密度覆晶構裝評估驗證
底部填充膠經過上述之流動特性評估過後，篩選出具填充性佳、流動性良好的膠材，進一步將其導入高密度覆晶構裝中進行封裝與驗證。底部填充膠構裝評估驗證的方法與項目包括：高密度覆晶構裝載具建置、製程加工性、封裝品質驗證、元件可靠度驗證與失效分析，流程如圖五所示。
圖五、底部填充膠構裝評估驗證流程及方法
(1) 高密度覆晶構裝載具建置
高密度覆晶構裝載具的建置包含覆晶構裝晶片與基板的設計、載具的組裝製備，本技術目前為了符合應用端使用的需求，已分別建置三種不同規格的覆晶構裝測試載具來進行底部填充膠的封裝製程評估。首先所建置的數百I/O數之覆晶構裝測試載具，以錫球(Solder Bump)進行組裝導通；接著朝向更高密度，則使用銅導柱(Cu Pillar)進行組裝，建置數千I/O數之覆晶構裝測試載具；為了朝更高階封裝材料技術開發，建立大尺寸晶粒及上萬I/O數的覆晶構裝載具。所有構裝元件組裝完成後經電性量測與穿透式影像檢測(X-ray)分析來確認組裝的品質是否符合規格所需。
(2) 製程加工性與封裝品質驗證
元件封裝以MUSASHI點膠機進行點膠封裝。首先確認覆晶構裝點膠製程參數的設定是否完善，包含點膠溫度、點膠路徑、點膠量等參數，後續再執行製程加工，並以電性量測及超音波掃描顯微鏡(SAT)分析等方法來進行封裝品質的驗證。其中電性量測的方式，可評估覆晶構裝載具是否在底部填充膠封裝過程中，因應力或氣泡而造成電性失效的問題。SAT分析中可評估底部填充膠在封裝過程中是否充填完整，元件中是否存在有氣泡(Voids)、脫層(Delamination)及裂縫(Crack)等現象發生。
(3) 元件可靠度測試與失效分析
覆晶構裝元件由載具與膠材封裝所得，雖已經過材料特性評估與品質的檢測，但由於使用環境與時間諸多條件的限制，所開發之產品是否能夠在常規與特殊環境中按照預期的方式工作，則需透過可靠度測試，來協助製造商針對各種環境因素加以評估並進行設計改善，以期在最短的試驗時間內，確定故障可能會發生的原因，以提升產品整體的品質與壽命週期的保證。
透過可靠度測試之後，找出失效之元件，依其可能造成問題之處進行分析，分析方式分為非破壞性及破壞性兩種。非破壞性分析先從詳細的電性量測結果，標定失效位置，再以Soft X-ray進行分析，初步瞭解封裝元件內部的影像情形；破壞性分析則是將失效元件進行冷鑲埋，切片研磨至失效位置，以SEM或TEM等電鏡技術進行橫截面(Cross-section)分析，找出造成元件失效的原因，如圖八 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、失效樣品分析
★本文節錄自《工業材料雜誌》440期，更多資料請見下方附檔。