CN106876286A - 一种极薄柔性电子芯片封装方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极薄柔性电子芯片封装方法，包括以下步骤：(1)在硅片背面旋涂并热固化高分子层，得到柔硅片；(2)将柔硅片贴合在蓝膜上；(3)通过等离子刻蚀与机械划片完成柔硅片在蓝膜上的分离，得到柔芯片；(4)将柔芯片从蓝膜上剥离；(5)利用各向异性导电胶，通过热压完成柔芯片与系统基底的电连接。本发明实现极薄芯片在柔性电子系统中的封装，利用薄芯片增加柔性，同时又采取特殊工艺手段减少极薄硅片和芯片碎裂的可能。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子封装技术领域，具体涉及一种极薄柔性电子芯片封装方法及产品。
背景技术
近年来，由于在可穿戴电子、可延展电子、柔性显示等领域的广泛应用，柔性电子取得了蓬勃的发展。柔性电子特有的可延展性对材料选择、器件设计、加工工艺组织和系统集成提出了新的挑战。一方面，柔性、可延展性意味着系统集成需要在有机高分子材料基底上建立可延展性电气和机械连接，这颠覆了传统的基于坚硬的印刷电路板的集成方案。另外一方面，柔性电子系统中对运算、存储和能耗要求高的器件仍然需要通过传统的基于单晶硅材料的电子制造工艺手段来制作。因而，柔性电子制造要求在充分继承传统电子制造技术优势的基础上实现材料、工艺、器件和生产装备等领域的创新。未来电子器件是柔性系统和传统硅基电子制造技术的结合，构成了柔性混合电子系统。
为了减小柔性系统受弯曲载荷时的机械形变，器件的厚度需要减小并且整个器件要被放置在系统的中性面上。即使是基于硅材料的传统电子器件，为了控制材料成本和满足移动互联装置轻小便携的要求，芯片和基底材料都被要求做的越来越薄。目前市场上主要处理器芯片的厚度都在100微米左右，并且有更薄的趋势。极薄芯片对封装和集成的挑战是全方位的。从硅片的减薄和运输、芯片的分离到拾取以及贴装，极薄硅片和芯片碎裂的可能性大大增加。开发出优化的工艺手段从而减小薄硅片和芯片的碎裂即是传统电子制造工艺也是柔性混合电子系统开发亟待解决的问题。
传统的电子封装技术采用有机基底、基于焊料的倒封装、基于高分子材料的底料填充等工艺在与柔性器件集成的时候将面临巨大的挑战，表现在主要的几个方面：1)，鉴于对系统柔韧性和可延展性的要求，传统的坚硬的基底不再适用，柔性电子器件通常需要集成在基于柔性有机高分子的塑料材料上面，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,PET),聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalat,PEN)等。这些高分子基底材料的共同局限在于只能在较低温度下处理。PEN的最高处理温度在180-220℃之间而PET的最高处理温度只有150℃；2)，同时，目前电子封装常用的锡银铜(Sn-Ag-Cu,SAC)焊料的熔点在217℃左右。对低温工艺的要求将导致传统的基于锡银铜焊料倒封装工艺可能不再适用；3)，传统的芯片封装需要填充底料以减小芯片所受热应力带来的损伤。硅的热膨胀系数(2.6ppm/℃)远远小于衬底(PEN 18-20ppm/℃,PET 20-25ppm/℃)底料的存在仍然是必要的。对于基于有机基底材料的柔性系统，需要设计新的底料材料。
发明内容
为了同时实现系统的柔性和高性能，柔性混合电子系统的开发面临着众多方面的挑战，本发明提供一种柔性电子芯片封装方法及产品，实现极薄芯片在柔性电子系统中的封装，利用薄芯片增加柔性，同时又采取特殊工艺手段减少极薄硅片和芯片碎裂的可能。
本发明公开了一种极薄柔性电子芯片封装方法，包括以下步骤：
(1)在硅片背面旋涂并热固化高分子层，得到柔硅片；
(2)将柔硅片贴合在蓝膜上；
(3)通过等离子刻蚀和机械划片完成柔硅片在蓝膜上的分离，得到柔芯片；
(4)将柔芯片从蓝膜上剥离；
(5)利用各向异性导电胶，通过热压完成柔芯片与系统基底的电连接。
本发明还公开了一种产品，按照上述极薄柔性电子芯片封装方法制备所得。
本发明的有益技术效果体现在：本发明所需要解决的技术问题通过开发“柔硅片”的制造工艺、以及随之而诞生的“柔芯片”从“柔硅片”上分离的工艺，以及“柔芯片”与柔性基底的连接和集成方案来解决。
本发明首先将完成所有前端和后端工艺的极薄硅片与柔性高分子衬底材料集成在一起，形成“柔硅片”。这个“柔硅片”的优点在于：1)脆硬性硅材料的厚度被减小到最大程度，通过柔性高分子衬底材料的附着可以更大地提高硅片和芯片的柔韧性，这是因为高分子层与柔性基底相结合，在芯片的位置形成“中性层”(系统弯曲时应变和应力为零的曲面)，从而减小在弯曲变形时作用在芯片上的应变，防止了转移和封装工艺中的碎裂，极大地提高整个混合电子系统的柔性；2)可以较容易地在“柔硅片”进行硅片级工艺或测试，或者把“柔硅片”切割分离，形成单个的“柔芯片”进行封装；3)“柔硅片”的工艺可以扩展到所有基于脆硬性半导体材料的电子产品中，从而为实现高性能芯片的高柔韧性提供有效的解决方案。
本发明将传统的坚硬的硅片变为“柔硅片”将会对下游的芯片分离和拾取工艺产生提出截然不同的要求。由于传统的金刚石切割造成的裂纹和损伤是芯片破裂和系统可靠性问题的首要原因，本发明采用等离子体切割实现芯片的分离，从而能够大大提高芯片的机械强度。
本发明还利用各向异性导电胶通过热压的方式实现在柔性基底上的贴装，在避免采用底料的同时可以通过调控导电胶材料属性减小芯片所受热应力。
作为优化，所述硅片的厚度为15～30微米，所述高分子层的厚度为20～100微米。
作为优化，所述步骤(3)等离子刻蚀的具体实现方式为：
首先刻蚀硅片，反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率10～20MHz。电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)功率200～400W，气压15～30Pa，气体流量30～50sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间7～13分钟。本发明采用六氟化硫(SF6)为刻蚀气体，这种气体在刻蚀硅时具有各向异性好、刻蚀速率大的优点。
接着刻蚀高分子材料层，采用专用机床搭配多刀头钢质材料刀具，刀刃厚度为10～60微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切割深度比高分子材料层厚度大5～20微米，从而保证高分子层可以被完全切除。本发明在分割PI层时采用机械划片的方法，采用刀刃厚度为10～60微米的超薄刀片，不仅分割效果好，无损伤，还具有成本低的优点。
按照一种最佳实施方式，硅片厚度20～30微米，高分子层厚度20～30微米；刻蚀硅片过程中，气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率12～16MHz；电感耦合等离子体功率280～320W，气压23～27Pa，气体流量38～42sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间8～12分钟；刻蚀高分子材料层中，刀刃厚度为10～40微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深比高分子材料层厚度大5～10微米。由于硅片背面高分子层的存在，使得硅片所受应力被高分子层所分担，避免了应力集中现象，提高了硅片的柔韧性，在纯弯曲条件下曲率半径最小可达2毫米。
作为优化，按照如下方式对硅片进行减薄处理：在源硅片正面塑封一层背磨胶带，对源硅片进行减薄，得到预定厚度的硅片。在所述步骤(2)之前将柔硅片与背磨胶带分离。使用背摩胶带的目的包括减薄过程中保护电路，以及充当硅片减薄后运输和转移的载体。
作为优化，所述高分子层采用聚酰亚胺、铂催化硅橡胶(ecoflex)，聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDM中的任意一种，尤其以聚酰亚胺最佳。
作为优化，所述步骤(4)的具体实现方式为：通过紫外光照射蓝膜降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取柔芯片。
作为优化，各向异性导电胶需要具备一定的柔性与可拉伸性，从而避免应力集中，影响这些特征的主要是导电胶中的聚合物基体，可以采用高分子基体材料如环氧树脂(epoxy resin，EP)、聚酰亚胺和聚氨基甲酸酯(Poly Urethane，PU)等。)，各向异性导电胶的材料设计需要考虑到芯片材料(硅和铜等)的热膨胀系数与基底(PEN和PET等)膨胀系数，从而在芯片发热时有效减小热应力。
附图说明
图1为本发明柔性电子芯片封装工艺流程图。
图中：1—晶圆(减薄前) 2—背面减薄胶带(背磨胶带) 3—晶圆(减薄后) 4—PI薄膜 5—蓝膜 6—掩膜 7—分离后的“柔芯片” 8—连接基底 9—各向异性导电胶 10—热压焊头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
a在4英寸的硅片正面(带有集成电路和电连接的一面)塑封一层50微米厚的背磨胶带。
b对硅片进行减薄工艺，得到20微米厚度的硅片。
c在减薄后的硅片背面旋涂一层聚酰亚胺Polyimide(PI)溶液并热固化；聚酰亚胺Polyimide(PI)的厚度通过调节溶液的粘度和旋涂速度决定，度为20微米。
d完成硅片与背磨胶带的分离，同时将极薄硅片和高分子层(“柔硅片”)贴合在蓝膜上，为芯片分离做准备。
e通过等离子刻蚀的方式实现“柔硅片”的分离，得到“柔芯片”。
反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率13.56MHz。首先刻蚀硅片，电感耦合等离子体功率300W，气压25Pa，气体流量40sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间9分钟。
接着是PI层，采用专用机床搭配多刀头刀具，刀刃厚度为40微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深30微米。
f将芯片从蓝膜上剥离。通过紫外光照射蓝膜，降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取芯片，实现极薄硅片和高分子层(“柔芯片”)从蓝膜上的分离。
g利用各向异性导电胶，通过热压的方式实现“柔芯片”与系统基底的电连接。导电胶中的聚合物基体采用环氧树脂，导电填料采用银颗粒。
本实例所得的产品厚度为40微米，在纯弯曲条件下最小曲率半径为2.00毫米。
实施例2：
a在6英寸的硅片正面(带有集成电路和电连接的一面)塑封一层45微米厚的背磨胶带。
b对硅片进行减薄工艺，得到30微米厚度的硅片。
c在减薄后的硅片背面旋涂一层聚酰亚胺，厚度30微米。
d完成硅片与背磨胶带的分离，同时将极薄硅片和高分子层(“柔硅片”)贴合在蓝膜上，为芯片分离做准备。
e反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率12MHz。
首先刻蚀硅片，电感耦合等离子体功率320W，气压23Pa，气体流量50sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间7分钟。
接着是PI层，采用专用机床搭配多刀头刀具，刀刃厚度为60微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深40微米。
f将芯片从蓝膜上剥离。通过紫外光照射蓝膜，降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取芯片，实现极薄硅片和高分子层(“柔芯片”)从蓝膜上的分离。
g利用各向异性导电胶，通过热压的方式实现“柔芯片”与系统基底的电连接。g导电胶中的聚合物基体采用聚酰亚胺，导电填料采用银颗粒。
本实例所得的产品厚度为60微米，在纯弯曲条件下最小曲率半径为3.00毫米。
实施例3：
a在8英寸的硅片正面(带有集成电路和电连接的一面)塑封一层52微米厚的背磨胶带。
b对硅片进行减薄工艺，得到25微米厚度的硅片。
c在减薄后的硅片背面旋涂一层聚酰亚胺，厚度25微米。
d完成硅片与背磨胶带的分离，同时将极薄硅片和高分子层(“柔硅片”)贴合在蓝膜上，为芯片分离做准备。
e反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率16MHz。
首先刻蚀硅片，电感耦合等离子体功率280W，气压27Pa，气体流量30sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间13分钟。
接着是PI层，采用专用机床搭配多刀头刀具，刀刃厚度为20微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深35微米。
f将芯片从蓝膜上剥离。通过紫外光照射蓝膜，降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取芯片，实现极薄硅片和高分子层(“柔芯片”)从蓝膜上的分离。
g利用各向异性导电胶，通过热压的方式实现“柔芯片”与系统基底的电连接。g导电胶中的聚合物基体采用聚氨基甲酸酯，导电填料采用银颗粒。
本实例所得的产品厚度为50微米，在纯弯曲条件下最小曲率半径为2.5毫米。
实施例4：
a在4英寸的硅片正面(带有集成电路和电连接的一面)塑封一层45微米厚的背磨胶带。
b对硅片进行减薄工艺，得到18微米厚度的硅片。
c在减薄后的硅片背面旋涂一层聚酰亚胺，厚度35微米。
d完成硅片与背磨胶带的分离，同时将极薄硅片和高分子层(“柔硅片”)贴合在蓝膜上，为芯片分离做准备。
e反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率20MHz。
首先刻蚀硅片，电感耦合等离子体功率200W，气压30Pa，气体流量35sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间10分钟。
接着是PI层，采用专用机床搭配多刀头刀具，刀刃厚度为10微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深40微米。
f将芯片从蓝膜上剥离。通过紫外光照射蓝膜，降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取芯片，实现极薄硅片和高分子层(“柔芯片”)从蓝膜上的分离。
g利用各向异性导电胶，通过热压的方式实现“柔芯片”与系统基底的电连接。g导电胶中的聚合物基体采用环氧树脂，导电填料采用银颗粒。
本实例所得的产品厚度为53微米，在纯弯曲条件下最小曲率半径为1.8毫米。
实施例5：
a在4英寸的硅片正面(带有集成电路和电连接的一面)塑封一层45微米厚的背磨胶带。
b对硅片进行减薄工艺，得到15微米厚度的硅片。
c在减薄后的硅片背面旋涂一层聚酰亚胺，厚度100微米。
d完成硅片与背磨胶带的分离，同时将极薄硅片和高分子层(“柔硅片”)贴合在蓝膜上，为芯片分离做准备。
e反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫(SF6)，射频电源工作频率20MHz。
首先刻蚀硅片，电感耦合等离子体功率200W，气压30Pa，气体流量35sccm(标准状态毫升/分)，刻蚀时间10分钟。
接着是PI层，采用专用机床搭配多刀头刀具，刀刃厚度为40微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深110微米。
f将芯片从蓝膜上剥离。通过紫外光照射蓝膜，降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取芯片，实现极薄硅片和高分子层(“柔芯片”)从蓝膜上的分离。
g利用各向异性导电胶，通过热压的方式实现“柔芯片”与系统基底的电连接。g导电胶中的聚合物基体采用环氧树脂，导电填料采用银颗粒。
本实例所得的产品厚度为115微米，在纯弯曲条件下最小曲率半径为1.5毫米。
在上述实例的基础上，将聚酰亚胺先后替换为铂催化硅橡胶(ecoflex)，聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)和聚二甲基硅氧烷，实验结果表明所得产品柔韧性较好，最小曲率半径在2～4毫米之间，但以聚酰亚胺效果最佳。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种极薄柔性电子芯片封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在硅片背面旋涂并热固化高分子层，得到柔硅片；
(2)将柔硅片贴合在蓝膜上；
(3)通过等离子刻蚀与机械划片完成柔硅片在蓝膜上的分离，得到柔芯片；
(4)将柔芯片从蓝膜上剥离；
(5)利用各向异性导电胶，通过热压完成柔芯片与系统基底的电连接。
2.根据权利要求1所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述硅片的厚度为15～30微米，所述高分子层的厚度为20～100微米。
3.根据权利要求1所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述步骤(3)等离子刻蚀的具体实现方式为：
首先刻蚀硅片，反应离子刻蚀的气体采用六氟化硫，射频电源工作频率10～20MHz；电感耦合等离子体的功率200～400W，气压15～30Pa，气体流量30～50sccm，刻蚀时间7～13分钟；
接着刻蚀高分子材料层，采用专用机床搭配多刀头钢质材料刀具，刀刃厚度为10～60微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切割深度比高分子材料层厚度大5～20微米。
4.根据权利要求3所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，
所述硅片厚度20～30微米，高分子层厚度20～30微米；
刻蚀硅片过程中，气体采用六氟化硫，射频电源工作频率12～16MHz；电感耦合等离子体功率280～320W，气压23～27Pa，气体流量38～42sccm，刻蚀时间8～12分钟；
刻蚀高分子材料层中，刀刃厚度为10～40微米，横向、纵向各切割一次或多次，直至所有芯片之间都被完全分割，切深比高分子材料层厚度大5～10微米。
5.根据权利要求1或2或3所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述硅片按照如下方式获得：在源硅片正面塑封一层背磨胶带，对源硅片进行减薄，得到预定厚度的硅片。
6.根据权利要求5所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述在步骤(2)之前将柔硅片与背磨胶带分离。
7.根据权利要求1所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述高分子层采用聚酰亚胺、铂催化硅橡胶，聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷中的任意一种。
8.根据权利要求1或2或3所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体实现方式为：通过紫外光照射蓝膜降低其粘性，之后采用顶针顶起蓝膜底部，同时用真空吸盘从芯片顶部吸取柔芯片。
9.根据权利要求1或2或3所述的柔性电子芯片封装方法，其特征在于，所述异性导电胶采用环氧树脂、聚酰亚胺和聚氨基甲酸酯中的任意一种。
10.按照权利要求1至9任意一项所述的柔性电子芯片封装方法得到的产品。
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