BESI热压键合机: 9800TC next

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众所周知，高性能计算(HPC)和人工智能(AI)的进步促进了芯片和高带宽存储器(HBM)的3D集成，摩尔定律发展放缓，先进封装已经成为半导体封测各路兵家必争之地，大家都在半导体先进封装领域进行深入研究和探索。如下图1是Yole关于先进封装2023年-2029年的发展预测，包含了倒装封装、晶圆级封装、系统封装，扇出型封装，2.5D/3D封装等。 图1 先进封装发展预测(出自Yole 2024)这些半导体先进封装技术的发展也带来了很多对于芯片2D/3D封装中的互连技术工艺、关键设备、市场应用等方面的技术探索，结合了众多半导体

行业专家的文献资料和研究内容，相关研究机构

发布了异构集成技术线路图（Heterogeneous Integration Roadmap，HIR)，如下表1：

表1 2D/3D封装中的互连技术工艺、关键设备、市场应用等方面的技术探索 仔细研读上表会发现热压键合工艺（Thermal compression bonding, TCB)是一种主要的工艺技术方案，多种先进封装芯片互连技术采用这种方案。在当前多款先进封装芯片键合设备中，荷兰半导体设备公司BESI的先进封装设备阵营中的热压键合设备9800TC next是一款值得认真研究的半导体设备。该设备是专门针对先进封装的热压键合工艺, 作为微细间距应用的解决方案而出现，TCB使用配备铜(Cu)柱和焊帽的晶圆，限制了焊料的数量，从而允许Cu柱之间的间距更近，互连密度更高。TCB有多种类型，但主要方法是在保持模具和基板就位的同时进行局部焊料回流，然后冷却以固化焊料并将模具固定在基板上。通常只有在焊料部分或完全固化后，才会释放模具。这种方法实现了更高的精度，因为它不依赖于焊料的自定心效果，并且还通过在粘合过程中保持模具和衬底平坦来减轻翘曲问题。此外，TCB允许主动控制键合线厚度(BLT)，确保互连的均匀焊料形状，并促进下填充等后续工艺。 图 2 BESI的先进封装设备阵营 图3 BESI热压键合设备9800TC next

TCB的四种主要工艺类型是不导电浆料TCB (TC-NCP)、不导电膜TCB (TC-NCF)，毛细管下填料TCB (TC-CUF)和成型下填料TCB (TC-MUF)，如图4所示。然而，业界正在探索一种用于细间距应用的新型TCB方法，通常在10um至25um范围内，称为无焊剂TCB（TCB fluxless)，如图5所示。顾名思义，这种方法消除了任何形式的助焊剂的使用。在无焊剂TCB中，带有Cu柱和焊锡帽的模具直接粘合到基板上，没有任何中间介质。然而，氧化去除成为一个关键问题，因为氧化抑制焊料润湿性和与基材形成冶金键。该工艺必须确保在模具与衬底接触之前清除任何现有的氧化，并防止在TCB过程中随着温度升高而形成新的氧化物。

图4 TCB工艺类型 图5 键合I/O密度与I/O节距（出自BESI报告）针对如何实现氧化去除的问题，BESI在文中给了一些分析(如下表2），BESI 9800TC next倾向于是用Hydrogen-based的方法，这种方法类似于ASMPT给出的解决方案AOR，区别于K&S的甲酸方案。表2 Fluxless TCB技术分析
BESI 9800TC next也给出了设备的4点主要优势：1）超高精度(0.7um-0.5um)；2)最优的fluxless能力；3）实时工艺控制能力；4）优异的性能，UPH可到2K. 如下图6: 图6 BESI 9800TC next优势

TCB工艺通常会要求设备加热达到或者超过300°C的温度，在这些高温下，预计材料因为热胀冷缩的特性会膨胀，这可能会显著影响设备精度。BESI为了展示TC9800 next设备在这方面的优异性能，对焊头进行了一项测试，以监测芯片和吸嘴在XY平面方向上的4个角的升温过程中的膨胀情况。测试温度范围从50°C到350°C，测试结果如下图7所示：

图7 受热膨胀测试表明受热均匀性良好

图8 BESI热压键合机 9800TC next主要参数

尽管从一些公开文献中查到，BESI公司在混合键合领域耕耘很久，从其最新发布的关于BESI 9800TC next设备的主要参数看，这款TCB键合设备具备优异的性能，在TCB键合设备领域具备一定的市场竞争优势（如上图8）。

随着芯片互连键合技术的发展，Fluxless TCB领域已成为全球TOP级别半导体键合设备厂商的角斗场，BESI在文中也表示无焊剂TCB（Fluxless TCB)的发展是一个重大的进步，解决了助焊剂和薄膜在实现坚固可靠的粘合过程中所施加的限制。BESI公司的9800TC next给出fluxless解决方案，文末的视频是该设备关键技术的最为直观的介绍。

目前，正如异构集成技术线路图展示，芯片互连键合工艺还在朝着更细的节距发展，采用Cu-Cu键合，TCB技术和TCB fluxless技术必将成为更先进芯片键合技术的发展基石，国内半导体封装业内人士及芯片键合设备厂商也将开始在这个先进封装工艺及其设备领域进行研究和探索。

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