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挑戰Mega柱體均勻度/RDL導孔最佳化 ECD製程異質整合多方並進

為解決包括覆晶晶片、扇入型和扇出型晶圓級封裝(WLP)等現有技術面臨的挑戰,業界已開發多種新興方案,例如高密度扇出型(HDFO)WLP、矽穿孔(TSV)和矽中介層,以及相機影像感測器(CIS)所用的TSV。新的扇出型晶圓級封裝(FOWLP)技術會利用Mega柱體(Megapillar)、細線重新布線層(RDL)、堆疊式RDL或導孔RDL和微凸塊(Microbump)等特徵,為要電鍍這些特徵,需要製程、電鍍化學以及製造設備的全面創新。例如科技廠商科林研發(Lam Research)的SABRE 3D電鍍設備,即是整合這些創新技術的平台,旨在解決與特徵內(Within-feature, WiF)均勻度、共面性、缺陷、可靠度和生產量的相關問題。 Mega柱體電鍍製程迎三大挑戰 Mega柱體是高度為50µm至200µm以上的大直徑銅柱,通常用來連接FOWLP應用中的晶片。像這樣的大型結構需要較長時間進行電鍍。但是要在高溫浴中耗費更長的時間,就需要高完整性的密封,而Lam Research透過SABRE 3D的HDFO唇型油封(Lip Seal)滿足此一需求。 Mega柱體的電鍍製程須在控制柱體形狀的同時克服高電鍍速率,以及晶粒內(WiD)不均勻度的挑戰。以下將說明SABER 3D平台中能解決此問題的重要技術。 TurboCel高特徵內對流克服金屬離子傳遞限制 依照邏輯,增加電鍍電流,應該可以提高大型結構(如Mega柱體)的沉積速率。然而在質量傳遞(Mass Transport)限制條件下,Mega柱體容易變成不符需求的圓頂形狀。因此,大多數設備都包括某種形式的攪拌器或機械槳葉,以增加特徵內(Intra-feature)對流,來克服金屬離子傳遞的限制,並同時改善電鍍速率和柱型狀況。SABRE 3D使用一種稱為TurboCell的創新技術,實現高且均勻的特徵內流動(圖1)。 圖1 TurboCell裝置(左);兩個入口速度對四個不同特徵(右)產生的效應,特徵的深寬比從1:1到非常高的深寬比(HAR) TurboCell技術可在晶圓下方保持非常狹窄的通道,根據製程將其精確控制在1mm至5mm範圍內,並注入極高流量的電鍍液。這種橫向流動的電鍍液可在基板的鍍面上產生剪切力,而晶圓會在該剪切區內旋轉,以維持嚴格的均勻度控制。TurboCell的成功取決於實現極高的特徵內對流的能力,使金屬離子能夠深入特徵內部,達到比競爭技術高出50~100%的沉積率。 SAC/SamrtDose技術實現大量製造 要在大量製造(HVM)的環境中維持此效能還需要其他的技術。其中第一個是分隔的陽極腔(SAC)。SAC採用離子滲透膜來抑制電解質中某些成分的直接對流傳遞。例如,它可以分離有機添加劑,並允許離子傳遞。透過把陽極與添加劑隔離,SAC系統可把化學品的消耗降至最低,並防止某些會影響良率的缺陷。 另一個實現大量製造的促成技術是SmartDose系統,它主要包含以Lam Research軟體和控制系統為基礎的線上化學品監測和供給。這使SABRE 3D能夠預測電鍍條件以及需求,例如一段時間之後所需的添加劑數量,並有助於把電鍍過程保持在低缺陷範圍內(圖2)。 圖2 利用SmartDose維持穩定的電鍍化學品供給,並把陽極與添加劑和製程副產品隔離,是實現大量製造的關鍵因素 三管齊下減少不均勻度 與傳統的銅柱晶粒設計相比,Mega柱體晶粒的有效區域密度變異更大。這為電鍍帶來挑戰,因為此布局會造成非常不均勻的電流分布。另一項稱為Durendal的創新技術可克服這個挑戰。Durendal是Lam Research設備的電氧化製程。與平面化類似,該製程可同時修正Mega柱體的形狀(從圓頂形修正為平坦狀),同時產生均勻的Mega柱體厚度分布。Durendal技術還適用於其他應用,例如銅柱和微柱(Micro-pillar)(圖3)。 圖3 Durendal技術還適用於其他應用,例如銅柱和微柱 減少不均勻度的第三種方法是透過電鍍液的設計。雖然以前的電鍍液可用來全面地處理多種應用,但現在出現了鎖定特定應用領域的化學方法。循環伏安法(Cyclic Voltammetry)和其他電化學特徵化技術正用於設計具有電導率和極化特性的電解質,以為TurboCell技術提供最佳的共面性。 最後,Lam Research基於軟體的預測性晶粒建模可用來模擬特定晶粒布局的共面性。它把電鍍條件納入考慮,包括一次、二次和三次電流分布,以預測凸塊高度分布。經過測試的模擬誤差低於1.5%,證明該軟體具備足夠的穩定性,可推動新的布局設計,以把共面性問題降至最低。 TurboCell實踐薄晶種電鍍 銅底切(Undercut)是電鍍細線RDL(重新布線層)的關鍵挑戰。由銅晶種(Seed)蝕刻製程所造成,該製程會腐蝕RDL線的底部(圖4),同時也給微柱帶來問題。由於大多數一般的RDL會使用約1,000-2,000埃 圖4 鍍條件與晶粒工程技術的結合,有助於克服底切問題 的銅晶種,因此利用標準蝕刻製程極具挑戰性。儘管市場上在新材料方面出現了一些進展,但Lam Research提供的解決方案聚焦於提供薄晶種(<600A)電鍍能力、TurboCell、晶粒工程以及替代的整合方法。實現薄晶種能力的主要挑戰是終端效應(Terminal Effect),這主要是指當晶種的電阻起主導作用時,會使晶圓中心相對於邊緣的電流分布有明顯變異,進而造成邊緣鍍層變厚。TurboCell裝置實現了薄晶種電鍍,這已在細線RDL應用中得到證明,可達到小於2%的晶圓內(WiW)均勻度測量值。 三條件整合達成BKM 傳統的RDL有正常或標稱的深寬比(1:1),而細線RDL有較高的深寬比(4:1)和更精細的特徵。較高的深寬比特徵通常更難潤濕,因此可能會在電鍍後造成缺失金屬的缺陷。另一個挑戰是,光阻比一般的RDL圖案更脆弱,而且在電鍍之前甚至電鍍過程中很容易損壞。 SABRE 3D整合了另一項稱為先進預處理(APT)製程模組的創新技術,該模組利用柔和的噴霧,可在電鍍之前以多種液體在真空中進行潤濕製程。此製程已取得專利,能生成均勻、且無缺陷的1.5×1.5µm細線。然而由於矽、聚醯亞胺(PI)和銅之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配,因此細線RDL還有其他的機械可靠性問題。CTE不匹配會導致在隨後的熱處理過程中破裂或剝離(Delamination)。 Lam Research聚焦於晶粒工程來解決這個問題。傳統的銅鑲嵌製程對電遷移(EM)的挑戰已透過晶粒工程和各種銅化學配方解決。Lam Research還與客戶合作,透過使用蝕刻製程和晶粒工程技術,把10×10µm RDL的底切和線消耗降至最低。 針對細線RDL,Lam Research一直在最佳化ECD裝置和電鍍化學品,以影響晶粒尺寸和分布以及沉積雜質的數量。雖然這是一種有用的方法,但Lam Research正在考慮使用奈米雙晶銅(nt-Cu)作為替代方案。 採用nt-Cu是一項具吸引力的方案,因為它有高強度、良好的導電性和較高的銅原子擴散率。這些特性使nt-Cu成為銅-銅直接鍵合的促成因素,也是異質整合的重要鍵合方法。它還開啟了另一個機會,可與Durendal製程結合使用。Durendal可以產出具有高度平滑表面的平面晶粒,而nt-Cu可用來創建高度紋理化的奈米雙晶(Nano-twinned)結構。 電沉積nt-Cu薄膜需要適當地組合化學配方和波形最佳化,以及TurboCell條件(圖5)。Lam Research已展示了此三個條件的整合,以為細線RDL、微柱以及標準柱體實現具再現性、強韌的已知最佳方法(BKM)。 圖5 利用TurboCell最佳化、波形調變、以及開發特殊的化學品,科林研發已為沉積nt-Cu建立了最佳的製程範圍 堆疊式RDL管理鍍液抗老化 堆疊式RDL應用很容易受到導孔電鍍的挑戰,亦即未填充和空隙(圖6)。導孔的未填充會導致形狀變異,並把問題向下帶到微影步驟,因為景深(DoF)限制,而使微影出現聚焦的困難。就電鍍機制而言,小導孔比大導孔更容易填充,而未填充問題通常是低深寬比(LAR)的導孔填充。對於較小的導孔,較容易在特徵的底部角落提供加速生長,而獲得良好的超級填充條件。但若導孔較大,沉積物開始堆積的角落距離較遠,因此頂部中心容易出現填充不完全的現象。 圖6 堆疊式RDL的主要電鍍挑戰與導孔的未填充以及空隙形成有關 Lam...
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效率提升帶動新架構搶灘 48V系統翻轉車用電源設計

車輛發展超過百年,近來正逐漸由機械為主的架構轉向電氣化架構,1918年汽車首次導入蓄電池,隨著起動機的誕生,1920年蓄電池獲得了廣泛應用,當時蓄電池的電壓等級是6V,並且正極接地。由於內燃機排氣量持續增加以及高壓縮比內燃機的出現,1950年電壓等級開始向12V進化,直到現在,12V電壓系統已經使用超過60年。 1988年,美國SAE(Society of Automotive Engineers)曾提議把標準電壓提高至42V,由於當時的技術水平,以及電氣零組件替換的高昂費用,此方向未獲得車商廣泛支持。2011年,Audi、BMW、Daimler、Porsche、Volkswagen等歐系車廠聯合推出48V系統,以滿足日益成長的車載電子負載需求,更重要的是為了滿足2020年嚴格的排放法規,並在隨後發布了48V系統規範LV148。 48V系統可以應用在所有包括內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車、油電混合車與電動車,因為車輛電控系統越來越多,電源管理的需求提升,以基本電學公式來看,在功率不變的狀況下,電壓提升為12V的四倍,電流就會降低為1/4,電流變小整個傳輸電路安全性也因此提高,而損耗降低,傳輸產生的廢熱也變小。藉由將車電系統的電壓提高,汽車製造商得以在電力系統足以負擔的情況下將許多傳統的機械、液壓系統轉換為電子式的系統,藉此減少引擎負擔、改善排放。另一方面,48V車電系統也能夠驅動過去12V車電系統無法支援的大功率電動馬達,打造微型油電形式的混合動力系統。 48V車用電源效率大幅提高 48V相對於12V,優勢除了更大的電壓能實現更多功能之外,成本僅是高壓混合動力系統的1/3,能夠利用電氣化降低排放,卻能達到其2/3的節能效果,使整車燃油經濟性提高10%~18%。省油效果相對明顯,對現有整車結構改變不大,不會大幅度更改車輛設計或者增加重量,是一種車廠最容易上手、用戶接受度最高的混合動力方案。 整體而言,現今汽車供電有多項趨勢,Vicor應用工程師張仁程(圖1)指出,高輸入範圍與電壓、高輸出功率、高效率、高能量密度(High Power Density)、小體積、低能量/重量比(Power to Weight)、散熱效率(Thermal Dissipation)、遠端管理(Telemetry)、低雜訊等都是發展重點。以750W的供電實例而言,12V系統電流達63A,傳輸使用2AWG電源線,每公尺重量約273公克,3公尺線路損耗約13.6W;而48V系統電流降到16A,使用12AWG電源線,每公尺線路重量僅27公克,3公尺線路損耗8.6W,重量剩下1/10,損耗降低37%。 圖1 Vicor應用工程師張仁程 車輛電源48V系統的技術重點在提升電壓轉換效率。 雖然48V系統在傳輸與應用上有諸多優勢,但在技術上卻帶來許多設計挑戰,張仁程表示,過去12V要轉換到更小的系統應用,通常是降到5V,但是48V降壓到5V,降壓的幅度更大,就降壓效率來看損失必定更大,也就需要透過架構的調整盡量縮小轉換損失(Switching Loss),因此這些技術就成為接下來新興電源設計的發展重點。 新興ZVS與SAC架構設計將成明日之星 電源轉換效率其實是錙銖必較的領域,對於數位技術來說,每個不同的產品世代效能提升兩倍是家常便飯,但是在類比電源世界,1%的電源轉換效能提升就是一個新世代產品了。目前一般的電壓轉換IC效率大概97%~98%,努力的目標是提升轉換效率到99%,甚至零耗損轉換,升壓轉換又比降壓轉換困難,要做到雙向升降壓都具備高效率更是一大挑戰。 零電壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)是一種將電流引導到開關中以在開關打開之前均衡任一側電壓的技術,張仁程進一步說明,這有助於減少切換損耗,使切換頻率提高四倍或更多,並縮小元件尺寸,減少大幅壓降的耗損。ZVS利用箝位開關和電路諧振,通過柔性切換有效地操作高端和同步MOSFET,避免了其在常規PWM操作和定時期間產生的損耗。 另一種正弦振幅轉換器拓撲(Sine Amplitude Converter, SAC)是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。基於變壓器的串聯諧振拓撲結構,在等於初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率,在零交叉點開關,可消除開關中的功耗,提高效率,顯著減少高階雜訊諧波的產生。初級諧振迴路是純正弦曲線,可減少諧波內容,提供更乾淨的輸出雜訊頻譜。由於SAC的高工作頻率,可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。 採用SAC的架構因為雜訊少,張仁程提到,該架構也具有容易濾波、減少EMI、容許使用最高規格的零件、沒有開關損耗、低峰值/平均電流或電壓比例、可以進行雙向傳輸、快速瞬變響應、純電阻及低阻抗輸出、沒有能量儲存等優點。 電源晶片與處理器整合設計為趨勢 另外在電路模組的設計上,就算電源管理晶片本身的效率極佳,在系統設計上也可能因為線路的耗損導致效率降低,這俗稱為「最後一吋(Last Inch)」問題,為了解決類似問題,張仁程解釋,整合電源管理晶片的Power on Package設計越來越受重視,可以縮減90%的pin腳,不過這類設計需要與晶片電路設計整合,加上半導體封裝廠商的專業協助,同時考量電源晶片與處理器晶片互相干擾的問題,預計還要二~三年發展時間。 已經被提出的Power on Package架構有橫向(Lateral Power...
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