1 引言

对于增加电子器件功能密度和减少总封装成本来说，圆片级封装（WLP）和3D互连技术（先进封装）是一种可行的解决方案。对提高许多器件例如：PDAs、存储卡、智能卡、移动电话和游戏装置等，通过芯片叠加、模块化或圆片叠加的这一解决方案是必要的。目前，器件可以完成多重功能或更高级别的集成，像IC-MEMS。由于得到尺寸减少、硅效应的增加、信号延迟时间的减短、寄生效应的减少、功率消耗的减少、速度的增加、临近器件数量的增加和带宽扩展的潜在利益证明器件的多层堆叠是正确的。由于热处理而增加设计的复杂性的任何论点都将不能组织堆叠技术变为现实。圆片与圆片的对准和与之相适应的键合是圆片通过堆叠而实现3D互连的关键步骤。通过硅圆片的堆叠增加功能的应用例子包括存储器件、圆片级逻辑存储器、先进的MEMS、圆片级光电器件、圆片级模拟/数字电路（混合信号）。

在获得芯片密度和产品最终性能特性方面需要硅圆片或基片的多层堆叠，图1展示了一个3D芯片堆叠的示意图。在图中，两个被加工处理过的圆片面对面用一种粘合剂层键合在一起，然后顶部圆片被减薄到几微米厚且在圆片电路图形稀疏的背面腐蚀高纵横比的通孔来提供两圆片间垂直的电接触。传统的电连接方式可能需要几厘米的长度而采用此方法仅用几微米即可实现电性能且增强了这种回路的性能。

2 圆片水平封装的3D叠加

圆片级封装需在圆片上腐蚀高纵横比的洞穴才能完成其互连，这就要要求圆片键合堆叠的同时被减薄，对于减薄加工过程的选择是：机械磨削、CMP、湿法腐蚀、和ADP-DCE（Atmospheric Downstream Plasma-Dry Chemical Etching）。减薄后，从顶面到第二层的高纵横比的洞穴连接加工变得更为容易，并可重复进行。所以，多层圆片的堆叠才能实现（图1、2），最终能在圆片堆叠完成后的背面完成减薄过程。为了避免在生产制造倒装芯片或芯片级封装时在圆片水平引起撞伤，在光刻工艺中使用厚胶。不同于MEMS，圆片常常包含双面加工处理，因此，圆片与圆片的对准必须位于键合接合面中的对准标记。

以下回顾了各自的方法和需要的设备，它们都是利用对准和键合加工处理来完成。

3 多层叠加工艺的对准键合

先进封装的制作关键是对研究和开发应用所需要的少量芯片和大生产中使用的大量大基片二者之间能够微妙地结合为一种精密对准和键合方式。由于内部互连尺寸的压缩，更加严密的对准公差包括边缘都将变得十分必要。对于电子器件设计工程师来说是一个经常存在的观点。为了允许不经重新改进的设备能够适应下一代器件，对准工具必须超越当前的对准标准，键合机必须具有足够的柔性以适应未来的加工处理。

4 面对面的圆片对准

为了实现器件的高级集成，必须完成精确的对准。许多对准方法是可利用的，然而，这些方法中多数都存在一定的问题，阻止了被广泛使用。因此，需要一种新的对准形式。智能观察（SmartViewTM）对准系统（图3所示）是一种面对面的对准方法，能够完成微米级的对准容差。因而，潜在的消除了额外处理步骤，例如，需要在背面制作对准标记。

图4是SmartViewTM加工处理流程的示意图，SmartViewTM系统在两个硅圆片间的对准过程中使用了两个对准观察显微镜，同样，在对准过程中也使用了另外一个基片对准平台。一个显微镜被置于叠加圆片的上方，另一个被置于叠加圆片的下方。对于每一对准过程双重显微镜的焦点都会落在被校正的公共光轴上，每一个显微镜观察一个硅圆片表面上的对准标记。

步骤1：首先，顶部圆片面朝上装载，而后旋转到面朝下的位置，接下来通过低部显微镜观察，调整显微镜使对准标记进入视场，然后，将图像数字化并进行电子存贮。

步骤2：顶部圆片被缩回，让低部圆片进入顶部显微镜的下方位置，然后与顶部圆片的现有数字化图像进行对准。一旦完成，则通过对每一圆片上对准标记的x向和y向的相对位置进行计算，使两圆片自动进入对准状态，移动圆片进入精对准位置。

步骤3：一旦对准完成，两圆片为完成键合而进入安全可靠的接触。 利用工作台编码电机驱动x、y，以0.1μm的步距增量和一个微小的z向行程控制完成硅片对准，并由3种软件独立控制补偿各电机来保持顶部和底部硅圆片之间的平面，检测系统的重复对准精度小于0.35μm。

图5展示了用SmartViewTM硅到硅键合对准系统在一对φ200mm圆片之间的典型的对准结果。被对准的所有圆片对在x、y向的对准精度都在1μm之内。图表中所示的标准偏移均在0.3-0.4μm。

5 φ200mm圆片键合

现代先进封装应用需要一个能够适应芯片到芯片、芯片到圆片和圆片到圆片结构配置的键合平台，另外，拥有一个在不危及精度并能重复加工处理过程非常重要。

对于研究和开发应用，单元面积小于10平方毫米的芯片必将应用于基片距离的修正，使单元电路图形完全充满φ200mm直径的圆片。对于这个目的，卓越的φ200mm圆片键合机是合适的，图6示出了一种能够适应以上功能和未来标准的φ200mm圆片键合机，对于大生产，需带有一个适合于10个键合腔室的φ200mm自动键合系统组成的智能视觉对准机在内的全自动综合系统，对于研究开发应用和全自动综合系统特征键合力高达40kN，与一级净化间兼容的不锈钢基础设计，温度超过550摄氏度并具有良好的温度均匀性、稳定性和重复性。

为了与先进的3D互连和封装应用的各种键合过程相匹配，须具备主要的技术特征：

（1）合金焊料键合，需要配置低温和施加低压力；

（2）金对金的圆片键合，需要配置高温和施加高压力；

（3）铝对铝的圆片键合，需要减小大气压力（成型气体），高温和施加高压力；

（4）环氧键合，需要配置低温、低压力和高真空度；

（5）阳极键合，需要配置高温、高真空度和高电压；

（6）硅直接键合（SDS），需要配置超净键合环境和高真空度。

6 结论

3D互连和先进封装技术是现代电子器件装配中一项关键的基本要素，在消费产品占领统治地位区域的消费者要求推动器件尺寸的压缩和密度功能的增加，继功能性增加实现成功之后，圆片水平对准键合通常被用来构建堆叠圆片器件。论述了促进圆片器件多层叠加制作的两种新颖生产工具，一种为面对面的对准系统，SmartViewTM；另一种是φ200mm键合平台。SmortViewTM可以完成微米或亚微米级圆片到圆片的对准并通过久经考验的电气控制和有限的z轴运动完成对准和接触两种模式，φ200mm键合机论述了先进封装的众多需求，一种新的、独特的生产工具的接入对构建未来电子器件先进封装很重要。