一種極薄柔性電子晶片封裝方法及產品與流程
2023-08-12 23:47:51 4
本發明涉及柔性電子封裝技術領域，具體涉及一種極薄柔性電子晶片封裝方法及產品。
背景技術：
近年來，由於在可穿戴電子、可延展電子、柔性顯示等領域的廣泛應用，柔性電子取得了蓬勃的發展。柔性電子特有的可延展性對材料選擇、器件設計、加工工藝組織和系統集成提出了新的挑戰。一方面，柔性、可延展性意味著系統集成需要在有機高分子材料基底上建立可延展性電氣和機械連接，這顛覆了傳統的基于堅硬的印刷電路板的集成方案。另外一方面，柔性電子系統中對運算、存儲和能耗要求高的器件仍然需要通過傳統的基於單晶矽材料的電子製造工藝手段來製作。因而，柔性電子製造要求在充分繼承傳統電子製造技術優勢的基礎上實現材料、工藝、器件和生產裝備等領域的創新。未來電子器件是柔性系統和傳統矽基電子製造技術的結合，構成了柔性混合電子系統。
為了減小柔性系統受彎曲載荷時的機械形變，器件的厚度需要減小並且整個器件要被放置在系統的中性面上。即使是基於矽材料的傳統電子器件，為了控制材料成本和滿足移動互聯裝置輕小便攜的要求，晶片和基底材料都被要求做的越來越薄。目前市場上主要處理器晶片的厚度都在100微米左右，並且有更薄的趨勢。極薄晶片對封裝和集成的挑戰是全方位的。從矽片的減薄和運輸、晶片的分離到拾取以及貼裝，極薄矽片和晶片碎裂的可能性大大增加。開發出優化的工藝手段從而減小薄矽片和晶片的碎裂即是傳統電子製造工藝也是柔性混合電子系統開發亟待解決的問題。
傳統的電子封裝技術採用有機基底、基於焊料的倒封裝、基於高分子材料的底料填充等工藝在與柔性器件集成的時候將面臨巨大的挑戰，表現在主要的幾個方面：1)，鑑於對系統柔韌性和可延展性的要求，傳統的堅硬的基底不再適用，柔性電子器件通常需要集成在基於柔性有機高分子的塑料材料上面，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET),聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalat,PEN)等。這些高分子基底材料的共同局限在於只能在較低溫度下處理。PEN的最高處理溫度在180-220℃之間而PET的最高處理溫度只有150℃；2)，同時，目前電子封裝常用的錫銀銅(Sn-Ag-Cu,SAC)焊料的熔點在217℃左右。對低溫工藝的要求將導致傳統的基於錫銀銅焊料倒封裝工藝可能不再適用；3)，傳統的晶片封裝需要填充底料以減小晶片所受熱應力帶來的損傷。矽的熱膨脹係數(2.6ppm/℃)遠遠小於襯底(PEN 18-20ppm/℃,PET 20-25ppm/℃)底料的存在仍然是必要的。對於基於有機基底材料的柔性系統，需要設計新的底料材料。
技術實現要素：
為了同時實現系統的柔性和高性能，柔性混合電子系統的開發面臨著眾多方面的挑戰，本發明提供一種柔性電子晶片封裝方法及產品，實現極薄晶片在柔性電子系統中的封裝，利用薄晶片增加柔性，同時又採取特殊工藝手段減少極薄矽片和晶片碎裂的可能。
本發明公開了一種極薄柔性電子晶片封裝方法，包括以下步驟：
(1)在矽片背面旋塗並熱固化高分子層，得到柔矽片；
(2)將柔矽片貼合在藍膜上；
(3)通過等離子刻蝕和機械劃片完成柔矽片在藍膜上的分離，得到柔晶片；
(4)將柔晶片從藍膜上剝離；
(5)利用各向異性導電膠，通過熱壓完成柔晶片與系統基底的電連接。
本發明還公開了一種產品，按照上述極薄柔性電子晶片封裝方法製備所得。
本發明的有益技術效果體現在：本發明所需要解決的技術問題通過開發「柔矽片」的製造工藝、以及隨之而誕生的「柔晶片」從「柔矽片」上分離的工藝，以及「柔晶片」與柔性基底的連接和集成方案來解決。
本發明首先將完成所有前端和後端工藝的極薄矽片與柔性高分子襯底材料集成在一起，形成「柔矽片」。這個「柔矽片」的優點在於：1)脆硬性矽材料的厚度被減小到最大程度，通過柔性高分子襯底材料的附著可以更大地提高矽片和晶片的柔韌性，這是因為高分子層與柔性基底相結合，在晶片的位置形成「中性層」(系統彎曲時應變和應力為零的曲面)，從而減小在彎曲變形時作用在晶片上的應變，防止了轉移和封裝工藝中的碎裂，極大地提高整個混合電子系統的柔性；2)可以較容易地在「柔矽片」進行矽片級工藝或測試，或者把「柔矽片」切割分離，形成單個的「柔晶片」進行封裝；3)「柔矽片」的工藝可以擴展到所有基於脆硬性半導體材料的電子產品中，從而為實現高性能晶片的高柔韌性提供有效的解決方案。
本發明將傳統的堅硬的矽片變為「柔矽片」將會對下遊的晶片分離和拾取工藝產生提出截然不同的要求。由於傳統的金剛石切割造成的裂紋和損傷是晶片破裂和系統可靠性問題的首要原因，本發明採用等離子體切割實現晶片的分離，從而能夠大大提高晶片的機械強度。
本發明還利用各向異性導電膠通過熱壓的方式實現在柔性基底上的貼裝，在避免採用底料的同時可以通過調控導電膠材料屬性減小晶片所受熱應力。
作為優化，所述矽片的厚度為15～30微米，所述高分子層的厚度為20～100微米。
作為優化，所述步驟(3)等離子刻蝕的具體實現方式為：
首先刻蝕矽片，反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率10～20MHz。電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)功率200～400W，氣壓15～30Pa，氣體流量30～50sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間7～13分鐘。本發明採用六氟化硫(SF6)為刻蝕氣體，這種氣體在刻蝕矽時具有各向異性好、刻蝕速率大的優點。
接著刻蝕高分子材料層，採用專用工具機搭配多刀頭鋼質材料刀具，刀刃厚度為10～60微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切割深度比高分子材料層厚度大5～20微米，從而保證高分子層可以被完全切除。本發明在分割PI層時採用機械劃片的方法，採用刀刃厚度為10～60微米的超薄刀片，不僅分割效果好，無損傷，還具有成本低的優點。
按照一種最佳實施方式，矽片厚度20～30微米，高分子層厚度20～30微米；刻蝕矽片過程中，氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率12～16MHz；電感耦合等離子體功率280～320W，氣壓23～27Pa，氣體流量38～42sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間8～12分鐘；刻蝕高分子材料層中，刀刃厚度為10～40微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深比高分子材料層厚度大5～10微米。由於矽片背面高分子層的存在，使得矽片所受應力被高分子層所分擔，避免了應力集中現象，提高了矽片的柔韌性，在純彎曲條件下曲率半徑最小可達2毫米。
作為優化，按照如下方式對矽片進行減薄處理：在源矽片正麵塑封一層背磨膠帶，對源矽片進行減薄，得到預定厚度的矽片。在所述步驟(2)之前將柔矽片與背磨膠帶分離。使用背摩膠帶的目的包括減薄過程中保護電路，以及充當矽片減薄後運輸和轉移的載體。
作為優化，所述高分子層採用聚醯亞胺、鉑催化矽橡膠(ecoflex)，聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDM中的任意一種，尤其以聚醯亞胺最佳。
作為優化，所述步驟(4)的具體實現方式為：通過紫外光照射藍膜降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取柔晶片。
作為優化，各向異性導電膠需要具備一定的柔性與可拉伸性，從而避免應力集中，影響這些特徵的主要是導電膠中的聚合物基體，可以採用高分子基體材料如環氧樹脂(epoxy resin，EP)、聚醯亞胺和聚氨基甲酸酯(Poly Urethane，PU)等。)，各向異性導電膠的材料設計需要考慮到晶片材料(矽和銅等)的熱膨脹係數與基底(PEN和PET等)膨脹係數，從而在晶片發熱時有效減小熱應力。
附圖說明
圖1為本發明柔性電子晶片封裝工藝流程圖。
圖中：1—晶圓(減薄前) 2—背面減薄膠帶(背磨膠帶) 3—晶圓(減薄後) 4—PI薄膜 5—藍膜 6—掩膜 7—分離後的「柔晶片」 8—連接基底 9—各向異性導電膠 10—熱壓焊頭。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
實施例1：
a在4英寸的矽片正面(帶有集成電路和電連接的一面)塑封一層50微米厚的背磨膠帶。
b對矽片進行減薄工藝，得到20微米厚度的矽片。
c在減薄後的矽片背面旋塗一層聚醯亞胺Polyimide(PI)溶液並熱固化；聚醯亞胺Polyimide(PI)的厚度通過調節溶液的粘度和旋塗速度決定，度為20微米。
d完成矽片與背磨膠帶的分離，同時將極薄矽片和高分子層(「柔矽片」)貼合在藍膜上，為晶片分離做準備。
e通過等離子刻蝕的方式實現「柔矽片」的分離，得到「柔晶片」。
反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率13.56MHz。首先刻蝕矽片，電感耦合等離子體功率300W，氣壓25Pa，氣體流量40sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間9分鐘。
接著是PI層，採用專用工具機搭配多刀頭刀具，刀刃厚度為40微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深30微米。
f將晶片從藍膜上剝離。通過紫外光照射藍膜，降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取晶片，實現極薄矽片和高分子層(「柔晶片」)從藍膜上的分離。
g利用各向異性導電膠，通過熱壓的方式實現「柔晶片」與系統基底的電連接。導電膠中的聚合物基體採用環氧樹脂，導電填料採用銀顆粒。
本實例所得的產品厚度為40微米，在純彎曲條件下最小曲率半徑為2.00毫米。
實施例2：
a在6英寸的矽片正面(帶有集成電路和電連接的一面)塑封一層45微米厚的背磨膠帶。
b對矽片進行減薄工藝，得到30微米厚度的矽片。
c在減薄後的矽片背面旋塗一層聚醯亞胺，厚度30微米。
d完成矽片與背磨膠帶的分離，同時將極薄矽片和高分子層(「柔矽片」)貼合在藍膜上，為晶片分離做準備。
e反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率12MHz。
首先刻蝕矽片，電感耦合等離子體功率320W，氣壓23Pa，氣體流量50sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間7分鐘。
接著是PI層，採用專用工具機搭配多刀頭刀具，刀刃厚度為60微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深40微米。
f將晶片從藍膜上剝離。通過紫外光照射藍膜，降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取晶片，實現極薄矽片和高分子層(「柔晶片」)從藍膜上的分離。
g利用各向異性導電膠，通過熱壓的方式實現「柔晶片」與系統基底的電連接。g導電膠中的聚合物基體採用聚醯亞胺，導電填料採用銀顆粒。
本實例所得的產品厚度為60微米，在純彎曲條件下最小曲率半徑為3.00毫米。
實施例3：
a在8英寸的矽片正面(帶有集成電路和電連接的一面)塑封一層52微米厚的背磨膠帶。
b對矽片進行減薄工藝，得到25微米厚度的矽片。
c在減薄後的矽片背面旋塗一層聚醯亞胺，厚度25微米。
d完成矽片與背磨膠帶的分離，同時將極薄矽片和高分子層(「柔矽片」)貼合在藍膜上，為晶片分離做準備。
e反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率16MHz。
首先刻蝕矽片，電感耦合等離子體功率280W，氣壓27Pa，氣體流量30sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間13分鐘。
接著是PI層，採用專用工具機搭配多刀頭刀具，刀刃厚度為20微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深35微米。
f將晶片從藍膜上剝離。通過紫外光照射藍膜，降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取晶片，實現極薄矽片和高分子層(「柔晶片」)從藍膜上的分離。
g利用各向異性導電膠，通過熱壓的方式實現「柔晶片」與系統基底的電連接。g導電膠中的聚合物基體採用聚氨基甲酸酯，導電填料採用銀顆粒。
本實例所得的產品厚度為50微米，在純彎曲條件下最小曲率半徑為2.5毫米。
實施例4：
a在4英寸的矽片正面(帶有集成電路和電連接的一面)塑封一層45微米厚的背磨膠帶。
b對矽片進行減薄工藝，得到18微米厚度的矽片。
c在減薄後的矽片背面旋塗一層聚醯亞胺，厚度35微米。
d完成矽片與背磨膠帶的分離，同時將極薄矽片和高分子層(「柔矽片」)貼合在藍膜上，為晶片分離做準備。
e反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率20MHz。
首先刻蝕矽片，電感耦合等離子體功率200W，氣壓30Pa，氣體流量35sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間10分鐘。
接著是PI層，採用專用工具機搭配多刀頭刀具，刀刃厚度為10微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深40微米。
f將晶片從藍膜上剝離。通過紫外光照射藍膜，降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取晶片，實現極薄矽片和高分子層(「柔晶片」)從藍膜上的分離。
g利用各向異性導電膠，通過熱壓的方式實現「柔晶片」與系統基底的電連接。g導電膠中的聚合物基體採用環氧樹脂，導電填料採用銀顆粒。
本實例所得的產品厚度為53微米，在純彎曲條件下最小曲率半徑為1.8毫米。
實施例5：
a在4英寸的矽片正面(帶有集成電路和電連接的一面)塑封一層45微米厚的背磨膠帶。
b對矽片進行減薄工藝，得到15微米厚度的矽片。
c在減薄後的矽片背面旋塗一層聚醯亞胺，厚度100微米。
d完成矽片與背磨膠帶的分離，同時將極薄矽片和高分子層(「柔矽片」)貼合在藍膜上，為晶片分離做準備。
e反應離子刻蝕的氣體採用六氟化硫(SF6)，射頻電源工作頻率20MHz。
首先刻蝕矽片，電感耦合等離子體功率200W，氣壓30Pa，氣體流量35sccm(標準狀態毫升/分)，刻蝕時間10分鐘。
接著是PI層，採用專用工具機搭配多刀頭刀具，刀刃厚度為40微米，橫向、縱向各切割一次或多次，直至所有晶片之間都被完全分割，切深110微米。
f將晶片從藍膜上剝離。通過紫外光照射藍膜，降低其粘性，之後採用頂針頂起藍膜底部，同時用真空吸盤從晶片頂部吸取晶片，實現極薄矽片和高分子層(「柔晶片」)從藍膜上的分離。
g利用各向異性導電膠，通過熱壓的方式實現「柔晶片」與系統基底的電連接。g導電膠中的聚合物基體採用環氧樹脂，導電填料採用銀顆粒。
本實例所得的產品厚度為115微米，在純彎曲條件下最小曲率半徑為1.5毫米。
在上述實例的基礎上，將聚醯亞胺先後替換為鉑催化矽橡膠(ecoflex)，聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)和聚二甲基矽氧烷，實驗結果表明所得產品柔韌性較好，最小曲率半徑在2～4毫米之間，但以聚醯亞胺效果最佳。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。