ERS：专注晶圆温度测试50年

在半导体制造的不同阶段，温度管理变得越来越重要。晶圆温度测试和晶圆针测在80年代后期成为主流，现已成为半导体晶圆制造的重要步骤。随着先进封装方法的不断应用，后端温度处理也成为一个热门话题，例如扇出型晶圆级封装(FoWLP:Fan-Out Wafer Level Packaging)。

ERS electronic成立于1970年，在过去的50年里为半导体行业提供温度管理技术，从三温测试的温度卡盘，到用于嵌入式晶圆球状阵列封装(eWLB:embedded Wafer Level Ball Grid Array)的拆键合技术和翘曲矫正技术。本文概述了ERS温度管理解决方案的发展历史，以及促使其发展的行业条件，首先是发明了有史以来第一个温度卡盘。

01

温度卡盘

目前，晶圆测试是晶圆制造过程中必不可少的一部分。在早期的半导体制造中，每个芯片是在成型、切块、包装后进行测试的。由于这种做法成本高且效率低，在1970年首次引进了一种更有效的晶圆级测试过程，但这种方法直到80年代末才被广泛应用。这些晶圆需要进行一个简单的测试，用一些电子参数来确定功能正常的芯片的比例，也称为良率，然后将其切成小块并单独包装。然而，由于半导体的应用及相关要求的快速发展，其他参数也变得越来越重要，即温度和温度调节。
温度一直是晶圆测试的关键参数，目前主要有三种应用：
1.根据Arrhenius的方程原理，半导体行业认识到温度可以用来估计设备的寿命，因此，用温度测试来确定高温工作寿命(HTOL:High-temperature Operating Life)。2.有特定用途的设备，如应用于空间、户外和汽车，需要承受更恶劣的环境和广泛的温度范围。例如，所有的汽车芯片通常需要在-40℃到+150℃的范围内进行测试。3.高压芯片(例如高性能微处理器)的电子测试和大规模并行测试(DRAM和NAND芯片)是业界公认的挑战，需要迅速有效的冷却以避免烧坏芯片。
随着更加先进的技术的出现，晶圆的尺寸每隔1.5~ 2年就会缩小，上述应用只是晶圆测试温度管理需求的冰山一角。
在晶圆测试中能否满足这些温度挑战通常取决于晶圆卡盘，它用于测试各种温度，因此通常被称为温度卡盘。随着温度测试的发展，温度卡盘和探针台制造商面临着越来越大的压力，需要满足行业所需的规格，同时降低测试时间，提高可靠性和效率。
50多年前，德国伯布林根县的IBM的工程师们发现，温度对设备的测试结果有重大影响，因此他们开始寻找能够提供进行温度晶圆测试必要设备的公司。由于当时这还是一项新技术，他们很难找到一家能够开发这种机器的公司。
当时在德国探针测试制造商Schlumberger担任工程师的Erich Reitinger看到了在晶圆级温度测试的潜力，于是在1970年创办了一家名为ERS(Erich Reitinger Sonderentwicklungen的缩写)的个人公司。跟IBM公司接触后，他继续开发并制造了第一个温度卡盘——一个1 ¾英寸的铜卡盘，由珀尔帖(Peltier)设备冷却(图一)。
图一：Erich Reitinger在1970年 开发的第一个温度卡盘
80年代对ERS来说是关键的十年，因为公司开始以其先进的温度卡盘技术获得认可，温度晶圆测试逐渐成为晶圆制造过程中不可或缺的一部分。在这十年间，Reitinger研发出了“SuperCool®”，使第一个无冰晶圆自动探针台的低温测试达到-55℃。这是当时温度卡盘记录的最低温度，因此汽车测试从最终部件测试向更经济有效和产量更高的晶圆测试转变。
然而，温度测试仍然面临一些挑战：用于冷却的合成液体(如全氟醚)的温度性能很差，可能会导致泄漏，破坏周围的设备，造成很大的损失。另一种选择是使用电加热设备(如珀尔帖元件)，但随着时间的推移，这些设备也会面临效率和可靠性问题。
90年代，Reitinger的侄子Klemens Reitinger加入了ERS。他利用涡流管的概念，开发了一个温度卡盘系统，用净化的干燥空气(CDA)代替有毒液体作为唯一的冷却剂。这项被他们命名为“AirCool®”的新技术，利用了所有半导体制造线的洁净室中已经有CDA供应(用于环境净化)的事实，以防止探针台内结冰。
几年后，ERS推出了AirCool®plus，这是第一款适用于生产探针台的纯空气制冷卡盘系统。随之而来的是获得专利的ACP热交换技术(图二)，这使得CDA能够更有效地使用，并消除了空气固有热容量较低的问题。它从冷却的空气中提取最大的冷却量，然后再利用它来净化测试腔体，从而减少空气和电力的消耗。
经过三代“AirCool®”温度卡盘，ERS掌握了三温测试的规律，温度范围从-65℃到+500℃(图三)。这标志着晶圆针测开始应用于大规模生产，并为今天晶圆级的制冷测试解决方案奠定了基础。
图二：ERS专利ACP热交换技术
图三: ERS高低温卡盘

02

扇出型晶圆级封装

由于在晶圆温度测试方面经验丰富和在温度管理方面积累的知识，ERS提出了一种通过加热过程将晶圆从金属载体上分离出来的设备。这一步完成了eWLB(一种中密度扇出晶片级封装)的晶片重构流程。重建过程开始于将一个已知合格之晶片(KGD)放置在一个用双面胶布层压的金属板载体上。这种胶带有热敏面(附在载体上)和压敏面(芯片粘接处)。芯片粘接后，载体进行压缩成型。在此过程中，硅芯片和成型材料使晶圆结构变得不均匀。成型后，载体被送到剥离工序，加热以启动热释放。热敏材料在>170℃时发生反应并开始发泡，显著降低了对金属的附着力。这样就可以在载体和胶带之间实现无应力分离。胶带继续附着在晶圆片上，然后用真空机械手臂，以加强的抓力将已经热释放的胶带从晶圆上剥离(图四)。
图四
这种解板过程需要精密的机械和温度控制。机械问题可能导致晶片偏移，温度的均匀性过高将导致一些缺陷，包括外观和芯片移位。
ERS的系统确保了高机械精度和温度控制，以解决FoWLP结构的常见问题。这些问题包括芯片移位和翘曲，既影响良率，也会导致大批量生产中断。
ERS公司的热拆键合机首先对载体进行预热，然后暴露在高温拆键合即载体与晶圆分离之前减少热冲击和稳定膨胀。这是两个平行的卡盘;上卡盘向下降到下卡盘，下卡盘上放置载板，金属面向上。将上卡盘压到下卡盘上，在规定时间后，上卡盘表面真空和金属板载体上升。然后撕膜。在之后，如果晶圆软且柔韧。如果不受约束，硅和塑模化合物的CTE不匹配会导致晶圆变形。而这个阶段的晶圆，任何形式的机械搬运也会造成变形。ERS系统的最后一个关键步骤是翘曲校正，在进行任何形式的机械处理之前，分离后的晶圆将进行更多的加热处理，使其暴露在更高或更低的温度下，并使其达到室温。
当塑模在加热处理过程中软化时，任何形式的外部机械散热(取放法)都会导致翘曲。为了解决这个问题，ERS公司的系统采用了带专利的非接触式传输，在加热过程中，晶圆在卡盘之间来回移动。这使得晶圆表面的散热相当均匀，减少了可能发生的翘曲(图五)。
图五: ERS专利三温滑动技术与传统的抓取/放下模式
ERS的全自动加热去载板ADM330
经过50年的发展，ERS electronic已经从德国慕尼黑的一家一人公司发展为在美国和中国拥有50多名员工和销售办事处的跨国公司。它继续利用其在温度技术方面50年的经验和知识来解决半导体行业从业者面临的各种挑战，并不断突破温度管理领域的极限。