摘要

在先进封装领域，包括晶圆减薄、圆片级封装、三维封装、晶圆背面加工以及多芯片封装体的晶圆重构等关键工艺中，临时键合技术发挥着至关重要的作用。针对该技术在异质热压键合中引发的翘曲进行了深入分析，并提出了解决方案，包括衬底和临时键合胶的优选、旋涂工艺的优化以及键合参数的调整，以满足先进封装对低翘曲临时键合工艺的需求。

引言

随着半导体产业的快速发展，先进封装技术已成为提升集成电路性能的关键因素之一。特别是在人工智能、5G 和物联网等新兴领域的推动下，业界对高性能、小尺寸、低功耗电子产品的需求日益增长。这些需求促使集成电路制造工艺不断追求更高的性能和集成度[1-2]。临时键合 / 解键合技术在器件制造、先进封装工艺中扮演着至关重要的角色，尤其是在晶圆级封装（WLP）、倒装焊封装、2.5D/3D 封装、扇出型晶圆级封装以及高带宽存储器等技术中[3-4]。

热压键合时临时键合胶在高温高压条件下发生塑性变形，再经过后固化，完成对产品和衬底的黏接，并对器件起到支撑和保护作用。在半导体制程工艺中，晶圆的翘曲程度具有重要的影响。翘曲也称弯曲，在半导体领域中是指晶圆发生形变而不平整的现象。在半导体制程工艺中，翘曲会影响晶圆的品质及半导体制程工艺如减薄抛光、光刻等步骤，晶圆的翘曲是一个需要严格控制的问题。晶圆在临时键合后翘曲过大，可能会带来以下影响：1）降低加工精度，在进行减薄抛光和光刻等步骤时，翘曲的晶圆可能导致加工精度下降，良品率降低；2）内应力释放，翘曲的晶圆蕴含着巨大的内应力，加工中应力的释放会导致晶圆破裂、器件隐裂以及铜柱的断裂问题；3）影响制程能力，封装尺寸的增大以及芯粒（Chiplet）异质集成的发展对翘曲提出了更加苛刻的要求，翘曲控制是极其关键的指标之一；4）成本的升高，翘曲过大会造成设备报警或者停机，影响生产效率，而且需要额外的优化翘曲步骤如特殊的退火处理或物理矫正，这会增加加工时间和成本。因此，如何降低晶圆键合的翘曲变得非常重要。

前人的研究主要集中在临时键合材料的开发、键合工艺的优化以及解键合技术的提升，通过调整键合温度、压力和时间等参数，探索了不同材料体系下的键合特性和翘曲控制方法。此外，对于临时键合材料的黏弹性、热膨胀系数（CTE）匹配以及耐化学性等方面的研究，也为临时键合 / 解键合（TBDB）技术的发展提供了坚实的理论基础[5-6]。

本文进一步探讨了 TBDB 技术在不同封装制程、介质类型、晶圆尺寸的热压键合应用中出现的键合对翘曲问题。采用系统研究方法，包括理论分析、实验验证和工艺优化，通过正交试验设计，对键合关键参数进行研究以确定最优的工艺条件。此外还引入仿真模拟技术以预测和控制翘曲现象，从而为低翘曲临时键合需求提供工艺解决方案。

实验方法和手段包括但不限于：1） 衬底选材，确保 CTE 匹配以减少热应力；2）涂布键合胶，控制胶层厚度和均匀性；3）键合参数优化，包括温度、压力和时间的精确控制；4）后处理技术，如退火工艺，以进一步降低翘曲。通过这些方法，我们预期能够显著降低晶圆键合过程中的翘曲现象 ，提高封装 质 量和 生 产效率。

1.异质热压临时键合的典型应用

临时键合主要应用在微机电系统（MEMS）微纳加工 、IGBT 芯片 制造 和 高 密 度 扇 出（HDFO） 封装 、2.5D/3D 封装、PLP、PoP 等先进封装中。表 1 列举了深圳市化讯半导体材料有限公司（简称“化讯半导体”）临时键合解决方案，可满足不同材质基底、不同尺寸晶圆的临时键合[7-10]。键合面用临时键合材料对晶圆进行热压键合，后续将从衬底和临时键合胶的优选、旋涂工艺的优化以及键合参数的调整展开讨论，对异质热压键合产生翘曲问题进行研究。

1.1 MEMS 封装、化合物半导体、IGBT制程的临时键合

在 MEMS 封装和化合物半导体制程中，晶圆临时键合作为一种关键的加工步骤，在加工过程中提供临时支撑，保护器件免受损伤，并在后续步骤中实现晶圆的稳定处理[11]。如图 1 所示，在 MEMS 器件的晶圆级封装中，由于 MEMS 器件通常具有复杂的三维结构，临时键合用于将 MEMS 器件与封装基板或盖板临时结合，以保护脆弱的微结构；在化合物半导体制程中，临时键合起到支撑晶圆的作用，晶圆需要临时键合到一个更坚固的载体上，以防止在研磨、抛光刻蚀、湿法刻蚀、干法刻蚀、电镀、背金或其他机械操作中破裂。在 MEMS 器件或化合物器件加工完成后，通过局部加热、激光解键合或化学处理等方法解除键合，释放 MEMS 及相关结构。

1.2 2.5D 封装临时键合与解键合

如图 2 所示，在 2.5D 集成电路封装中，临时键合技术至关重要，它为超薄晶圆提供必要的机械支撑，保护晶圆免受加工过程中的损伤。临时键合胶的使用保证晶圆在进行诸如研磨、蚀刻 、化学气相沉积（CVD）、金属化及塑封等背面工艺时保持平整和稳定 ， 从而确保了工艺的精确性和器件的可靠性。

2.临时键合晶圆翘曲降低试验及讨论

为优化晶圆键合质量，本文主要从以下几个方面来降低翘曲：1）选择热膨胀系数及弹性模量合适的衬底；2）保证键合胶涂布厚度均匀合适；3）选择合适的键合温度、压力、时间，尽可能减小热应力；4）对键合后的晶圆进行热处理使键合胶释放内应力。实验涉及的临时键合材料包括热滑移临时键合材料（TB1120 或 TB1130）、紫外激光解键合材料（LB210、RL420、TB4130、TB4170、TB4172 或TB4180），以上材料均由化讯半导体提供。

2.1 衬底选材

在相同的键合条件下，研究不同厚度、型号的玻璃衬底及键合胶类型对 12 英寸晶圆键合对翘曲的影响，结果如表 2 所示。键合对的翘曲比值可以用来表示键合材料的相似程度，键合对翘曲比值越接近 1，两者越相似，否则，两者差异越大。样品 1 和 5、2 和 6所对应的键合对翘曲比值分别是 0.38 和 0.29，均与 1相差较大，说明衬底的CTE 对翘曲有明显影响。样品1 和 2、3 和 4 键合对翘曲比值分别是0.75 和 1.11，较接近 1，说明键合胶类型对翘曲影响相对较小。样品 3和 5、4 和 6 键合对翘曲比值分别是 1.43 和0.74，较接近 1，说明衬底厚度对翘曲的影响相对较小。综上所述，衬底的 CTE 是影响键合对翘曲的关键因素，衬底的厚度和键合胶的类型对键合对翘曲的影响相对较小。

通过选择合适的衬底材料可有效减少因 CTE 失配导致的翘曲，例如使用与硅片 CTE 更接近的材料。如图 3 所示，在同样的键合参数和临时键合材料中，8英寸碳化硅的 CTE（2.6×10-6 K-1）与硅片的 CTE（2.4×10-6 K-1）非常接近，因此两者之间的热膨胀差异较小，产生的热应力也相对较小，翘曲平均为 45 μm。肖特AF35G 型号玻璃的 CTE（3.3×10-6 K-1）比硅片的 CTE高，热膨胀差异较大，因此在键合过程中产生的热应力也更大，翘曲升高至 150 μm。蓝宝石的CTE（5.2×10-6 K-1）远高于硅片，过大的 CTE 差异会在键合对中产生显著的热应力，从而导致更大的翘曲（230 μm）。但碳化硅衬底因其成本较高、短波段光透过率低等问题限制了其应用，实际应用中使用肖特等特殊透光玻璃会更多。

表 3 所示为目前临时键合中常用的衬底类型、材质及 CTE 参数。表面结构复杂的硅基晶圆可以选择肖特玻璃 AF32 （CTE 为 3.2×10-6 K-1）、BF33 （CTE 为3.25×10-6 K-1）、AF35G 等；化合物半导体 GaN、GaAs基材 可 选择 蓝宝 石 、EX53 （CTE 为 5.3 ×10 -6 K -1）、NEX53（CTE为 5.45×10-6 K-1）等；POP、HDFO 封装存在大量塑封材料，可选择 CTE 稍大的 D263 （CTE 为7.2×10-6 K-1）、AS87（CTE 为 8.7×10-6 K-1）作为生长衬底。另外通过仿真模拟和 DOE 实验，搭配 CTE 匹配的衬底来有效控制翘曲，以确保晶圆级封装质量和可靠性[12]。

2.2 TB 胶层的厚度均一控制

临时键合胶广泛应用于 MEMS 加工、化合物半导体、功率半导体、HDFO 封装、2.5D/3D 封装、PLP、PoP等领域。典型热压临时键合工艺中选用的临时键合胶见表 4。各制程因其对临时键合材料的成本效益、耐温、耐化、减薄制程能力、解键合清洗方式等方面有不同需求，所以市面上研发出很多不同的临时键合胶，但它们的厚度均一性都是保证键合质量的重要指标。

涂布厚度通常根据晶圆表面的凸块结构尺寸来设计。涂布厚度为芯片表面垂直维度的最高点和最低点高度差再加上 20 μm，这里的厚度指去除溶剂后的胶膜的厚度，遇到所需厚度远大于胶液适宜的涂布厚度的情况，需要有特殊的设计。例如，涂布厚度为50 μm的键合胶时均一性最佳，但是凸块高度为 70 μm，此时可以使用双面涂布方式，即晶圆面和衬底面各旋涂一层厚度为 50 μm 的胶膜即可满足需求。若晶圆表面凸块高度为 130 μm，可先采用 Double coating，即在凸块面旋涂厚度为 30 μm 的胶膜，烘烤去除溶剂，然后在厚度为 30 μm 的胶膜上旋涂厚度为 50 μm 的键合胶，再与衬底 50 μm 的胶膜键合，即可达到极优的厚度均一性键合胶层。

键合胶材料与硅片表面的润湿能力可以通过接触角来测量。接触角越大，表明材料的润湿能力越低；接触角越小，表明材料的润湿能力越大。大接触角的临时键合胶液相对容易保持液滴状的形貌，这种形貌有助于在旋涂过程摊平胶液，形成厚度均一性良好的胶膜，因此在旋涂此类临时键合胶时不建议采用很大的加速度破坏这种微观形貌。测试结果可以用来指导材料的选择和工艺参数的确定，以确保在旋涂过程中获得最佳的厚度均一性。

然而，此结论尚未广泛地普及和应用到半导体产业中。半导体行业内使用通用光刻胶操作的程序较多，一般光刻胶的润湿角＜25°，与基底的润湿性良好，无法保持原有的水滴状，因此需要很大的旋涂加速度（通常为 10 000 r·min-·1 s-1）。该程序应用到临时键合胶时，过大的加速度往往会破坏上述的水滴状微观形貌，同时放大在滴加胶液时出现的吸盘、晶圆、胶液三者圆心的同心度差异，导致胶面均一性变差。接触角测试仪以及键合胶 TB1136 旋涂效果如图 4 所示，经过加速度调整后，大接触角材料 TB1136 旋涂膜面总厚度变化（TTV）明显改善，因此建议临时键合胶的加速度控制在 500 r·min-·1 s-1 附近，旋涂时间可以控制在 30 s 左右。

2.3 键合工艺优化

在半导体晶圆临时键合过程中，翘曲受多种参数影响，包括临时键合材料的膜厚、键合温度、压力和时间等。通过采用正交实验法研究键合参数，可以有效地识别和优化晶圆键合翘曲的关键参数，从而改进晶圆键合工艺。

TB4170 不同键合参数测试数据和影响因子曲线分别如表 5、图 5 所示，采用正交试验法对TB4170 晶圆临时键合的膜厚、温度、压力、时间等进行了四因素三水平的实验测试与数据整理，得到了各因素在不同水平下翘曲变化的趋势、因素之间影响力的排序、最优翘曲的键合条件和可调试的翘曲窗口。对 TB4170而言，翘曲与温度呈负相关，在 190~220 ℃范围内，提高键合温度有助于提升材料流动性，较好的材料流动性有助于压平胶膜的 TTV 差异、弥补降温过程中衬底和晶圆的 CTE 差值；翘曲与键合时间呈正相关，长时间高温压合黏弹体 TB4170 材料，材料会向四周延伸较多，冷却过程中材料再向内部收缩，不利于翘曲的减小。各因素之间影响力排序为压力＞时间＞温度＞膜 厚 。 该键合工艺窗口下的翘曲可调节范围为1.516~2.157 mm，其差值为0.641 mm，与最大翘曲值2.157 mm 的比值约为 0.3，因此最优键合条件为压力20 kN、时间 5min、温度 220 ℃、膜厚 45μm。

键合对及其翘曲测量结果如图 6 所示，采用低凸块的 12 英寸结构晶圆和更匹配的衬底再次验证前文给出的最优测试结果数据，得到了拥有极低翘曲（43 μm）的临时键合对，成功验证了TB4170 的最优临时键合条件。施加过大的压力可能导致晶圆过度压缩，从而在材料内部引入额外的应力，这些应力在冷却过程中会释放，引起晶圆形状的变化，进而增加翘曲。此外，过大的压力还可能改变晶圆与键合材料之间的接触面积，导致应力分布不均，从而在键合过程中产生不均匀的形变。相反，施加过小的压力可能无法提供足够的黏着力来抵抗晶圆在键合和后续工艺过程中可能出现的各种应力，如热应力和机械应力。这种应力的不平衡分布可能会导致晶圆在冷却或储存过程中发生翘曲。适当的压力可以确保晶圆与键合材料之间的良好接触，同时避免引入额外的内部应力。

本文从材料学的角度分析当键合温度从 180 ℃升高到 200 ℃后翘曲降低的现象。首先，键合过程中的热应力是导致翘曲的主要原因。热应力是由于材料在温度变化过程中热膨胀系数不匹配而产生的内部应力。硅片与玻璃的热膨胀系数通常不同，在冷却过程中会产生热应力，这种应力可能导致硅片翘曲。升高键合温度可能会降低翘曲的原因如下。1）应力松弛：在更高的键合温度下，材料的黏弹性增加，使得内部应力更容易松弛，降低了冷却过程中的残余应力，从而减少了翘曲。2）键合界面改善：更高的键合温度可能促进了硅片与玻璃之间更均匀地键合，改善了界面的黏附性，使得应力分布更为均匀。3）材料特性变化：温度的升高可能会影响材料的塑性变形，使得在键合压力下硅片更容易达到应力平衡状态，减少了应力集中导致的翘曲。4）热处理效果：在某些情况下，更高的键合温度可能有助于消除材料内部的微观缺陷，如空洞和气泡，这些缺陷在较低温度下可能会在应力作用下导致翘曲。综上所述，键合温度的优化是通过影响热应力的分布和材料的应力松弛行为，从而减少硅片与玻璃键合对的翘曲。然而，键合温度的提高也需在材料的热稳定性和工艺要求范围内进行，以避免过度热处理导致材料性能下降或其他工艺问题。

接下来分析冷却时间与翘曲的关系。键合结束氮气气压数值与翘曲呈正相关，是除 CTE 失配外产生翘曲最大的工艺制程。气压的主要作用是冷却键合对，使之从目标键合温度降低至 120 ℃，然后取出样品。氮气冷却气压数值越大，冷却速度越快，所获得键合对的翘曲越大。相反，调低氮气压或者关闭氮气冷却可以获得低翘曲的临时键合对。实验采用 0.6 MPa 的冷却气压，结束键合后温度从 200 ℃冷却到 120 ℃用时约 15 min，此时冷却气压为设备最大气压，理论冷却速度最快，此时键合对翘曲接近 700 μm，曝光机设备无法通过真空吸附晶圆，只能调低气压直至超出安全报警数值或者强行报废键合对。将冷却气压关闭至0MPa，循环水冷却，冷却总时长为 60 min，此时无冷却 气 压 ， 理 论 冷却 速度 最 慢 ， 样 品 翘 曲 很 小 ，为150~200 μm，可达到客户使用需求。键合结束冷却时气压与翘曲的关系如图 7 所示。

在硅片与玻璃键合对的工艺过程中，从 200 ℃降低到室温时，降温速度对翘曲有显著影响。当键合对从高温降低到室温时，如果降温过程缓慢，硅片和玻璃之间的热膨胀差异引起的热应力将有更多的时间通过材料的塑性变形或蠕变过程释放，减少了冷却到室温时的残余应力，从而降低了翘曲[13]。此外，缓慢冷却还可以减少由于温度梯度造成的内部应力集中，进一步降低翘曲的可能性。相反，快速冷却会导致热应力迅速固定，没有足够的时间来松弛[14]，因此在材料内部形成较大的残余应力，这些应力在冷却到室温后仍然存在，并可能导致较大的翘曲。综上所述，缓慢的降温过程有助于促进热应力的松弛和应力的重新分布，减少键合对的残余应力，从而减少硅片和玻璃键合对的翘曲。

2.4 键合后退火工艺

退火工艺作为临时键合后的一种后处理手段，对于减少晶圆翘曲具有显著效果。通过对退火条件的精细调控，可以显著降低硅片与玻璃键合对的翘曲。实验结果发现，当退火时间从 30 min 逐步降低至 5min时，硅片的翘曲显著降低。这一现象可以归因于材料在不同退火时间下的应力松弛行为。在较长的退火时间内，硅片内部的热应力有更多时间进行松弛，但若时间过长，可能会导致应力重新分布，引起额外的翘曲，因此存在一个最佳的退火时间点，可以使硅片在 X方向上的翘曲接近于 0。

在退火过程中，晶圆在退火初期呈现中心下凹四周上翘的形状（呈现“碗”状），随着退火时间的延长，晶圆逐渐由“碗”状转变为“薯片”状最后变成“马鞍”状，即 X 方向不断下凹而 Y 方向不断上翘。退火过程晶圆翘曲形状示意图以及改善曲线如图 8 所示。

这种形貌变化揭示了键合对后烘烤过程的应力松弛和再分布的过程。通过调整退火时间，可以精确控制应力的松弛程度，使得向下凹的 X 方向在达到水平位置时停止烘烤，通过外界烘烤时间的调整将残余应力锁定在极小的程度，从而实现对翘曲的有效调控。

此外，退火温度的选择也至关重要。通常退火温度等于键合温度，例如 TB4130 的退火温度和键合温度同为 200 ℃，在此温度下，该材料的黏弹性有利于应力的松弛，同时避免了温度过高而引起的材料性能退化。通过可靠性测试发现退火 5min 时翘曲最小，9 次实验的平均翘曲约为 100 μm，表明该退火工艺能够有效降低硅片与玻璃键合对的翘曲，且具有良好的可重复性和可靠性。综上所述，通过精确控制退火时间，结合适当的退火温度，可以显著优化硅片与玻璃键合对的翘曲，为晶圆级封装工艺提供了一种有效的后处理方法。

2.5 TBDB 技术的问题及发展方向

TBDB 技术主要存在的问题如下：晶圆在键合和解键合过程中的翘曲问题，影响封装质量和生产效率；缺乏能够满足所有封装需求的单一材料解决方案，尤其是在 CTE 匹配和黏弹性方面；需要更精确地控制键合参数，如温度、压力和时间，以实现最佳的键合效果并减少翘曲；如何在不损伤晶圆的情况下有效释放晶圆，也是 TBDB 技术中的一个挑战；TBDB 技术需要与不同的设备和工艺流程兼容，增加了工艺开发的复杂性；在提高封装性能的同时，降低 TBDB 工艺的成本是工业界面临的现实问题。

随着技术的进步和市场需求的增长，TBDB 技术预计将在以下几个方面取得发展：新型耐高温临时键合胶的开发，以适应高温制程工艺；国产化高端封装设备的出现，可降低成本并提高国内产业竞争力；环保和可持续性材料的使用，可减少对环境的影响；智能化与自动化的结合，可提高生产效率和产品质量。

3.结论

本文针对 TBDB 技术中的晶圆翘曲问题进行了深入研究，通过实验和仿真模拟，揭示了翘曲产生的主要影响因素，并提出了有效的解决方案。研究表明，翘曲主要受衬底材料的热膨胀系数匹配、键合胶层厚度均匀性、键合参数（温度、压力、时间）以及冷却速率等因素的影响。通过优化衬底选材、控制胶层厚度、调整键合参数以及实施退火工艺，可显著降低晶圆翘曲，解决先进封装中因翘曲导致的加工精度下降、内应力释放和制程能力受限等问题。

本研究的创新点在于提出了一种综合的 TBDB工艺优化方案，结合正交试验设计和仿真模拟技术，实现了对翘曲现象的精确预测和控制。该方案不仅为低翘曲临时键合提供了有效的工艺指导，还为未来TBDB 技术的发展提供了新的思路，特别是在材料选择和工艺参数优化方面。后续研究将进一步探索多功能、多样化的临时键合材料，以应对更复杂的封装需求，推动先进封装技术的进一步发展。

总之，本研究为先进封装中的 TBDB 技术提供了理论支持和实践指导，有望为超薄芯片制造和晶圆级堆叠封装提供技术支持。

来源：《半导体封装工程师之家》

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