硅埋置型毫米波系統級封裝中光敏BCB工藝改進*

陳雯芳,孫 浩,方 針,孫曉瑋*

(1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所,上海 200050;2.上海大學通信與信息工程學院,上海 200070)

硅埋置型毫米波系統級封裝中光敏BCB工藝改進*

陳雯芳2,孫 浩1,方 針2,孫曉瑋1*

(1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所,上海 200050;2.上海大學通信與信息工程學院,上海 200070)

硅埋置型毫米波系統級封裝中,傳統光敏BCB工藝常在溝槽處引入氣泡及凹陷,導致上層金屬線不連續。為減少氣泡與凹陷的產生,提出一種新型涂覆工藝——“雙型三次涂覆工藝”,即在使用大厚度BCB的基礎上,引入低粘滯性BCB,并三次涂覆BCB。采用此工藝對Ka波段低噪聲放大器進行封裝,發現氣泡數量及凹陷程度大大減小,證明了此工藝的可行性及有效性。在25 GHz～37 GHz頻段內,封裝后比封裝前增益減少1dB,滿足高性能封裝要求。

系統級封裝;氣泡缺陷;雙型三次涂覆;毫米波;硅埋置

隨著深空探測、空間遙感和高速寬帶通信技術[1-2]的飛速發展,人們對微波毫米波模塊和系統的高集成度、多功能、小型化和低成本等方面提出了更高要求[3-7]。基于硅基埋置技術的三維系統集成技術是毫米波三維高密度封裝中一個重要的研究方向[8-10]。

苯并環丁烯BCB(Benzocyclobutene)介電常數和介電損耗低,同時具備吸濕率低,化學特性穩定,熱力與機械穩定等優點,因此被廣泛用做三維系統集成的介質層材料。BCB分為非光敏與光敏兩種。本文將采用工藝步驟簡單、成本較低的光敏BCB作為介質層[10-11]。

傳統基于光敏BCB的硅埋置三維封裝工藝易在芯片埋置引入的溝槽處產生氣泡及凹陷,嚴重影響溝槽處上層金屬互連,造成金屬布線的不連續。本文將分析氣泡及凹陷產生機理,研究減少氣泡及凹陷產生的改進方法。

1 封裝過程中氣泡和凹陷產生原因分析

硅埋置三維系統集成工藝的基片采用N<100>的硅片,埋置的芯片厚度為100 μm。為了滿足系統封裝性能的要求,需要涂覆20 μm大厚度的BCB[6]。基于光敏BCB的硅埋置型系統級封裝的基本工藝方法極易引入氣泡以及凹陷.了解基本封裝工藝的流程以及封裝結構,有助于分析氣泡以及凹陷的產生機理。

1.1 基本工藝方法

傳統工藝流程如圖1。具體工藝步驟如下:(1)氧化硅基板,形成雙面二氧化硅,如圖1(a);(2)腐蝕二氧化硅腔,如圖1(b);(3)空腔制備,如圖1(c);(4)地層金屬布線,如圖1(d);(5)埋置芯片,如圖1(e);(6)BCB層制備;(7)上層金屬布線如圖1(g)。

圖1 傳統工藝流程

圖1中BCB層工藝的具體流程如下:首先旋涂一層增粘劑AP3000;再旋涂20 μm的BCB(轉速900 rad/min,旋轉30 s),如圖1(f);其次進行前烘、曝光、顯影前烘、顯影、顯影后烘一系列步驟;放入回流爐中,在N2環境下進行固化,固化溫度240 ℃,50 min;最后用O2/SF6(8∶2)在深反應離子刻蝕機中刻蝕去除顯影殘余物,完成BCB通孔制作,如圖1(g)。

1.2 產生氣泡和凹陷的機理

在硅埋置工藝中,埋置芯片的空腔通常是采用50 ℃的40 wt%的KOH溶液腐蝕N<100>的普通硅襯底制備而成。腐蝕為各向異性的,因此埋置空腔的側壁形成了1個54.74°的傾角,如圖2所示。當芯片埋入空腔后,空腔的邊緣與芯片邊緣之間形成了上寬下尖的楔形溝槽,空腔深度為110 μm,楔形溝槽上寬為78 μm。這樣的結構很容易在BCB涂覆過程中引入氣泡以及凹陷問題。

圖2 楔形溝槽

1.2.1 氣泡產生機理

粘滯性是衡量光刻膠流動特性的參數。粘滯性隨著光刻膠中的溶劑的減少而增加;高的粘滯性會產生厚的光刻膠;粘滯性越小,光 刻膠厚度越均勻[10]。陶氏公司生產的幾種不同型號的BCB的粘滯性以及涂覆厚度如表1,其中型號為3000系列的是非光敏型BCB,4000系列的是光敏型BCB,可以看到4026-46型BCB的粘稠度是非常高的,室溫下為1100cSt。

表1 不同型號BCB粘滯性

為滿足封裝性能的需要,傳統工藝采用陶氏公司提供的4026-46光敏型BCB,流動性較差。此種BCB旋涂時,極易在溝槽底部封存氣體,如圖3(a)。旋涂后,進行后續的曝光前烘,氣體受熱膨脹。由于BCB流動性差且BCB中的溶劑揮發快,很快凝固成型,使氣體無法溢出,于是BCB表面形成氣泡,如圖3(b),氣泡高度最高可達90 μm。

圖3 氣泡的產生

1.2.2 凹陷產生機理

凹陷在封裝過程中經常會產生,直接影響到系統封裝的可靠性。在BCB旋涂時在溝槽底部沒有封存氣體的情況,以陶氏公司生產的4026-46型號的光敏BCB為例,對固化前后BCB厚度的變化進行探討,如表2所示。其中,變化率為固化后與固化前厚度的比值。

表2 固化前后BCB厚度變化

根據表2得知,BCB固化后,厚度會減小為固化前時的76%左右。也就是說,即使旋涂時BCB將110 μm深的楔形溝槽全部填滿,在固化后,BCB在楔形溝槽處的深度也會有26.4 μm的凹陷。實際上,旋涂BCB時,因為離心力,BCB無法填充滿110 μm深的溝槽。BCB固化后,厚度會進一步的減小,使得凹陷加深。所以BCB在楔形溝槽處的凹陷深度遠大于26 μm,使得上層金屬在此處斷裂,圖4(a)與圖4(b)是固化前后凹陷加深示意圖。

圖4 凹陷的產生

圖5 顯微鏡下的氣泡與凹陷

圖5(a)與圖5(b)分別表示,實際操作過程中光敏BCB的涂覆工藝在楔形溝槽處產生的氣泡與凹陷。氣泡以及凹陷將導致頂層金屬線的不連續,封裝的失敗。

1.3 工藝改進

已有相關文獻提出了工藝改進的方案。針對氣泡問題,有人提出了靜置法[13](常溫常壓),即在涂覆BCB后,靜置2 h,再進行曝光前烘等后續步驟。這種方案對于采用非光敏型BCB的硅埋置工藝效果明顯,但是對于光敏型BCB,收效甚微,氣泡仍明顯存在[11-13]。因為相同涂覆厚度所用的光敏型BCB比非光敏型BCB的粘滯性高,流動性差。另有文獻建議采用真空靜置法[12]來處理氣泡問題。這種方法試圖利用內外壓強差,使被封存的氣體沖破上層光敏BCB,快速溢出。經過實驗表明,這種方法對解決氣泡問題無效。因為,在真空中,光敏BCB內的溶劑極易揮發,封存在溝槽處的氣體還未溢出,光敏BCB就已凝固成型,使得光敏BCB表面形成了非常明顯的凸起。針對凹陷問題,有人針對涂覆非光敏型BCB時產生的凹陷問題提出了二次涂覆法[14]。這種方法對解決光敏型BCB的凹陷問題同樣十分有效,但未能解決氣泡問題。目前,將靜置法與二次涂覆法相結合是常用的涂覆方法,在本文中命名為A工藝。

圖6 雙型三次涂覆法工藝流程

1.3.1 雙型三次涂覆法

為同時解決凹陷以及氣泡等缺陷問題,本文提出了一種“雙型三次涂覆法”。如圖6所示。(1)在芯片埋置完成后,先涂覆一種粘滯性極低的BCB(實驗采用的陶氏公司的3022-45型BCB,粘滯性為14 cSt @ 25°C),涂覆厚度為2 μm,如圖6(a)。因為此種型號的BCB流動性強,旋涂時,不易在溝槽處封存氣體。旋涂后,在80 ℃熱板上烘1 min。(2)涂覆大厚度光敏BCB,實驗所用型號為陶氏4026-46,涂覆厚度為10 μm,然后靜置兩天,使已封存的氣體充分溢出,再進行光敏BCB的固化,如圖6(b)。(3)涂覆第3層光敏BCB,同樣型號是4026-46,涂覆厚度20 μm,靜置1 h～2 h,再進行曝光前烘,曝光,顯影,顯影后烘,固化等標準步驟,如圖6(c)。(4)刻蝕光敏BCB,刻蝕厚度為第1層薄型BCB加上第2層光敏BCB的厚度,即刻蝕厚度為12 μm,露出地屏蔽層,如圖6(d)所示。

“雙型三次涂覆法”在使用大厚度BCB的基礎上,引入低粘滯性薄型BCB,目的是減少溝槽處氣體封存,并通過充分靜置,使已經封存的氣體充分溢出,同時三次涂覆,將會大大減輕溝槽處BCB的凹陷程度。這種方法理論上是可行的。

2 工藝試驗與結果分析

本文用圖6所示的雙型三次涂覆法對Ka波段的低噪聲放大器進行封裝,封裝后的結果如圖7(a)所示。而圖7(b)是采用工藝A實現的芯片封裝效果圖。對比中可以發現,兩圖均無明顯凹陷,采用雙型三次涂覆法實現的封裝,溝槽處氣泡無明顯氣泡,溝槽處金屬互連線連續。

圖7 雙型三次涂覆法與工藝A效果對比

圖8 封裝前后增益對比

最后,對使用改進工藝進行封裝的低噪聲放大器,即圖7(a)所示的放大器進行測試。測試電源電壓3 V,偏置電壓為0.4 V。封裝前后,增益S21隨著頻率f的變化如圖8所示。在25 GHz～37 GHz頻段內,封裝后的增益大于17.8 dB,而封裝前的增益大于18.8 dB。由此可以看出,增益退化在1 dB左右,封裝效果良好,滿足封裝的高性能要求。

3 結論

基于硅基埋置技術的三維系統集成技術是毫米波三維高密度封裝中一個重要的研究方向。本文就基于光敏BCB的硅埋置型封裝工藝中造成互連線不連續的氣泡以及凹陷等缺陷進行分析研究,發現光敏BCB的高粘滯性是溝槽中產生氣泡的誘因,并發現BCB固化前后厚度的變化是凹陷產生的主要原因之一。從而提出一種新方法“雙型三次涂覆法”,即在使用大厚度BCB的基礎上,引入低粘滯性薄型BCB,減少溝槽處氣體封存,并通過充分靜置,使已經封存的氣體充分溢出,通過多次涂覆,減弱由于固化前后BCB厚度減小引起的凹陷程度,最終獲得高平坦度的BCB,保證了溝槽處金屬線互連的可靠性。隨后,本文采用改進后的工藝,對Ka波段低噪聲放大器進行了封裝,經過鏡檢,發現氣泡數量以及凹陷程度大大減小,證明了改進工藝的可行性以及有效性。封裝前后增益退化約1dB,滿足高性能封裝要求。本文通過一系列的研究,為提高光敏BCB的硅埋置系統級封裝的可靠性進行了有益探索和技術積淀。

[1] 李建宇,張朝杰,金小軍,等. 適用于微小衛星的低功耗S波段發射機設計與實現[J]. 傳感技術學報,2013(8):1168-1172.

[2] 袁鐵山,張朝杰,楊偉君,等. 新型S波段軟件無線電微型測控應答機的實現[J]. 傳感技術學報,2012,25(6):756-760.

[3] Wang H,Wu T L,Hsu P,et al. Recent Progress of Advanced Microwave and System-in-Package Integration Technologies at National Taiwan University[C]//Microwave Conference(APMC),2014 Asia-Pacific. IEEE,2014:640-642.

[4] Feger R,Stelzer A. Millimeter-Wave Radar Systems on-Chip and in Package:Current Status and Future Challenges[C]//Wireless Sensors and Sensor Networks(WiSNet),2015:32-34.

[5] Kamgaing T,Elsherbini A A,Oster S N,et al. Ultra-Thin Dual Polarized Millimeter-Wave Phased Array System-in-Package with Embedded Transceiver Chip[C]//Microwave Symposium(IMS),2015:1-4.

[6] Lan X,Changchien P,Fong F,et al. Ultra-Wideband Power Divider Using Multi-Wafer Packaging Technology[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2011,21(1):46-48.

[7] Chang K F,Li R,Jin C,et al. 77-GHz Automotive Radar Sensor System with Antenna Integrated Package[J]. Components Packaging and Manufacturing Technology IEEE Transactions on,2014,4(2):352-359.

[8] Wang T,Tang J,Luo L. A Wafer-Level Package of Wideband Microwave Transmission System Based on BCB/Metal Structure Embedded in Si Substrate[J]. Microsystem Technologies,2013,19(12):1953-1960.

[9] Wu L,Wang H,Tang J,et al. Research on Si-Based MEMS Process in Development 3D Millimeter-Wave Multi-Chip Module Package[C]//Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),2010 International Conference on. IEEE,2010:1049-1052.

[10] 呂文倩,吳亮,湯佳杰,等. K波段小型化收發前端的研制[J]. 電子器件,2013,36(5):623-626.

[11] Tang J,Sun X,Luo L. A Wafer-Level Multi-Chip Module Process with Thick Photosensitive Benzocyclobutene as the Dielectric for Microwave Application[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2011,21(6):65035-65042(8).

[12] 崔春芳. 新型電子化學品生產技術與配方[M]. 北京:化學工業出版社,2011:85-86.

[13] 湯佳杰. 硅基埋置型圓片級系統封裝及其在微波頻段應用的研究[D]. 中國科學院研究生院,2012:61-70.

[14] 耿菲. 硅基埋置型MMCM封裝研究[D]. 中國科學院研究生院(上海微系統與信息技術研究所),2010:60-63.

The Improvement for Photo-BCB Progress in Silicon Based Embedding Millimeter-Wave System-in-Package Technology*

CHENWenfang1,SUNHao2,FANGZhen1,SUNXiaowei1*

(1.School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200070,China;2. Shanghai Institute of Micro-System and Information Technology,Shanghai 200050,China)

In embedded silicon millimeter-wave system-in-package,the air bubbles and depressions in the gap lead to the open circuit of the upper metal lines.“The Double-Type Three-Coating Method”was proposed to promote the photosensitive benzocyclobutene(BCB)coating process. The thin BCB with low viscosity was used besides the thick BCB,to reduce the gas sealed at the gap. A Ka-band low noise amplifier was packaged in the new method. The number of bubbles and the degree of depressions are reduced. And the flatness of the metal lines is improved,which proves the feasibility and effectiveness of the Double-Type Three-Coating Method. The measurement results show that the gain after packaging is 1 dB lower than the gain before packaging,which meets the requirements of high-performance package.

SIP;air bubbles and depressions;the double-type three-coating method;millimeter;Silicon-based embedded

項目來源:國家重大儀器項目(2012YQ14003702)

2016-03-09 修改日期:2016-05-24

C:1350;0170J

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.001

TN705

A

1005-9490(2017)02-0267-05