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Hybrid Bonding到来前,还有一种封装能为HPC续命

上篇文章,我们谈到了K&S(Kulicke & Soffa)面向mini LED与micro LED的激光转移技术,及Luminex设备。实际上,这家公司作为半导体上游设备/装备供应商,还有个强项在先进封装技术上——今年SEMICON China上,在先进封装技术上秀肌肉的厂商还真是不少,即便大家的发力点及在供应链上所处的位置可能不同。

如前文提到的,K&S作为半导体设备供应商,技术和产品不仅在先进封装上,如球焊、楔焊等都属于其业务范围——K&S在这个领域本身就已经相当知名。展会期间,K&S还特别发布了新一代球焊机(POWERCOMM与POWERNESS)和数款耗材产品。不过我们还是更关心K&S在先进封装技术上的储备,和未来的规划。

这就要谈到K&S拿手的fluxless TCB技术了。要知道华为就曾在手机芯片上尝试过TCB工艺。

Kulicke & Soffa执行副总裁兼总经理 张赞彬

过去一年,我们谈到过不少先进封装技术,从flip chip芯片倒装,到hybrid bonding混合键合。台积电、Intel、三星、日月光的先进封装技术,我们多少都有触及。

不过从相对底层技术的角度来说,TCB(Thermo-Compression Bonding)热压键合倒真的没怎么聊过。其实Intel对于TCB技术的采用算得上痴迷。而且在包括HBM存储互联与封装上,TCB也用得不少。就普罗大众所知的终端角度,华为、高通其实也都在手机芯片上用过TCB。

未来有机会,我们会专门撰文来谈一谈TCB技术,毕竟据说Intel后续要推的Foveros Omni封装技术中,TCB将占据很重要的位置。这篇文章,我们暂且稍微谈一谈TCB工艺。其实TCB技术上游设备供应商的市场玩家主要就三家,而K&S就是其中之一。

如果不了解先进封装,及封装技术从传统封装到先进封装的进化史,建议先阅读这篇文章《先进封装时代,那些传统OSAT封测厂怎么办?》。而要了解TCB,首先还是要搞清楚flip chip——《Intel 4004聊到苹果M1:聊聊摩尔定律的续命》一文详细解释了flip chip的流程,建议阅读。

常规的flip chip封装流程,有这样一步:封装在回流焊炉(reflow oven)加热到一定温度,致焊料熔化来完成键合,后续会有移除助焊剂(flux)残留之类的步骤,如下图——留意这里的“flux”助焊剂,后文还会提到。

这套流程有个比较大的问题,即不同材料的CTE热膨胀系数是不同的。在回流焊炉加热的时候,不同材料的膨胀程度就会有差异,就可能导致翘曲(warpage)之类的问题;焊球也可能无法充分接触铜垫;die也可能做不到平整放置…这些问题加起来,都可能导致芯片电特性变差或无法正常工作。

TCB则能够很好地解决这类问题:一般TCB键合会用单独的工具放置die,并施加压力,然后加热来做锡球的回流焊。加热仅应用于芯片顶部,加热的也就只有芯片和C4焊球。这样一来也就极大程度缓解了基板(substrate)翘曲问题,施加压力也确保了die能够平整放置、连接充分接触。另外据说TCB流程中的快速震动,是可以很大程度避免空隙与污染的。

相比于一般的flip chip,相同IO pitch,TCB能够达成更好的电特性,也就能做更小的pitch;另外还能做到更薄的封装。当然TCB相比一般flip chip,也有弱势,当然就是吞吐和成本。不过这不是本文要探讨的重点。

 

从K&S的产品路线图来看(下图),除了hybrid bonding混合键合设备尚在研发中,这家公司在flip chip、TCB封装工艺上都有对应的设备产品——而且在TCB之后,还有个“fluxless TCB”,直译中文应该叫“无助焊剂TCB”。K&S在宣传资料中直接称其为Fluxless Bonding,无助焊剂键合——也就是过程中不需要助焊剂。

而且从flip chip到fluxless TCB,IO pitch也是在逐渐缩小的,从100μm一路到70μm、50μm、20μm…这里的fluxless TCB是可以达成更小的互联间距和精度的。

Kulicke & Soffa执行副总裁兼总经理张赞彬告诉我们,“甲酸fluxless bonding两年前已经开始量产。我们在这上面花了很多时间,因为它的密度比普通需要flux(助焊剂)的TCB方案更密。这几年疫情中,我们已经把这项技术做得很成熟,也已经有了一个大客户。”

据说这种fluxless TCB方案已经在HPC领域一展拳脚。我们猜测大概这个“大客户”是Intel或日月光:Intel在TCB方面的技术需求格外强烈;而日月光对于甲酸带来fluxless方案有着很大的兴趣和需求。张赞彬说,K&S的TCB技术主要用于chiplet和HI(异构集成)。

比较有趣的是,K&S倒是没有拿fluxless TCB和普通的TCB比较,而是和更高端定位的hybrid bonding去比,提到fluxless TCB在工艺流程上比hybrid bonding明显更复杂,并分析了双方的利弊:

“对于传统的backend(后道)工厂,hybrid bonding的投资会非常大。”张赞彬说,“Hybrid bonding加了很多新的工序,因此成本非常高。所以并不是每一家都能做hybrid bonding。”

实际就我们的观察来看,基于hybrid bonding对于前道到后道结合更紧密的技术需求,一般传统的OSAT封测厂的确是很难参与到这么高端的技术了,这一点我们在前不久的分析文章里也提过。所以这部分现阶段也仅有台积电、Intel这样有前道fab的厂商在做。

更重要的是K&S认为fluxless TCB未来能够将IO pitch推进到10μm——“10μm可以解决大部分HPC的问题了。”而且“2.5D、3D封装都可以用TCB的方法来做”。

下面还有两则fluxless TCB与hybrid bonding的比较图,分别是工艺成本和良率:尤其在大die下的对比,双方现阶段的性价比差距还是比较遥远,似乎仅是前道洁净间(front-end cleanliness)的要求,OSAT封测厂都很难做到。毕竟hybrid bonding现在也只有台积电才真正在用——AMD的3D V-Cache芯片卖得那么贵,也就可以理解了。

还有个问题没解决,就是所谓的“无助焊剂”究竟是怎么实现的。实际上针对这个自动化过程,张赞彬给我们演示了一个动画,似乎简单的文字描述很难将其说清楚。虽然全套流程在此无法演示,不过大致原理是基于在流程中用甲酸(formic acid)来实现所谓的fluxless。

前文谈到过传统flip chip的流程用了助焊剂之后,最终都是需要将助焊剂去除的。从直觉来看,无助焊剂的一大价值自然在于没有了助焊剂残留(residue)的问题——从K&S的介绍来看,这的确是fluxless TCB的优越性之一。

“用了甲酸之后,不需要flux,就消除了氧化的问题。而缓解氧化的问题,IO密度就能做得更高。”张赞彬解释说,“因为氧化会产生污染(contamination),污染就造成了良率问题。”

到具体的产品上,就是K&S的APTURA,如下图所示。其中涉及到装载甲酸、蒸汽输送、安全等在内的诸多自动化系统。尤其张赞彬介绍说这套方案在全球各地通过了一大堆的安全认证——到现如今“已经成熟了”。本文对具体产品就不多做介绍了。

不过这套系统有个亮点,就是对客户原有TCB封装基础设施只需要做升级即可,而不用全部换新。这对K&S的原有客户而言应该是个好消息。“升级的门槛就会比较低,而全新工艺流程的挑战总是比较大的。”张赞彬说,“这方面我们积累了大概7年的经验。”

最后值得一提的是, K&S在这套封装方案下已经尝试过copper-copper互联,“用铜跟铜,我们已经证明可以做到——不用胶、不用锡膏(solder),借助high force能够做得到。”

听起来倒是和hybrid bonding的铜键合有那么点相似的意思。Fluxless TCB借助copper-copper,“hybrid bonding的采用还可以再延后”,因为去掉锡球以后,能让封装厚度进一步减少,而且似乎电特性也会更好。张赞彬说,是成本和封装厚度的同时降低。

或许这对die之间的3D堆叠会有更大的价值。“2.5D、3D,TCB还是能用的到,因为大部分HPC还不需要hybrid bonding。”据说现有客户需要对此所做的生产设施改动也很小。虽然张赞彬并未提及这种copper-copper方案的TCB已经达成了多高的良率,以及量产情况如何,但听起来的确是很有前景的方案。

当然K&S本身也在开发hybrid bonding,但至少他们认为现阶段fluxless TCB是可以解决大部分问题的,而且从这些产品成果来看,K&S还在持续挖掘TCB的潜力。我们可以等一等看K&S接下来的营收变化,即可了解未来1-2年是否会有更多基于TCB工艺封装的产品上线,即可了解它现阶段与hybrid bonding的对垒情况如何。

文章来自:https://www.eet-china.com/

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