Le rôle de la cuisson dans l'encapsulation des puces semi-conductrices

Dans le processus de fabrication des boîtiers de semi-conducteurs, la cuisson est une étape de traitement thermique cruciale. Son objectif principal est d'éliminer l'humidité adsorbée par les matériaux, de volatiliser les solvants résiduels, de favoriser le durcissement et la réticulation des matériaux, et de stabiliser la structure et les performances du dispositif grâce à un chauffage contrôlé. Étant donné que les boîtiers de semi-conducteurs font appel à divers matériaux polymères (tels que les composés de moulage époxy, les adhésifs conducteurs et les sous-couches) ainsi qu'à des structures métalliques/céramiques de précision, des traces d'humidité ou de contraintes peuvent entraîner un délaminage, un effet « popcorn » et une défaillance des joints de soudure. Par conséquent, le processus de cuisson influe directement sur le rendement, la fiabilité et la durée de vie des produits finis.

I.Fonctions de la cuisson dans l'emballage des chips

1. Élimination de l'humidité et déshumidification : Les matériaux semi-conducteurs, notamment les composés de moulage, les substrats de circuits imprimés et les rubans PI, absorbent facilement l'humidité ambiante. Si cette humidité n'est pas complètement éliminée avant l'encapsulation, elle s'évapore rapidement lors du brasage par refusion à haute température, provoquant le décollement de la puce et du substrat, la fissuration du boîtier (effet « popcorn ») ou des dommages directs au circuit. L'étuvage réduit la teneur en humidité du matériau à un seuil acceptable (généralement inférieur à 0,1 %), éliminant ainsi ces risques.
2. Durcissement et réticulation : L'emballage utilise en grande quantité des matériaux thermodurcissables (par exemple, des composés de moulage à base d'époxy, de la pâte d'argent conductrice, des sous-couches). La cuisson fournit la chaleur nécessaire pour déclencher la réaction de réticulation entre les résines et les durcisseurs, transformant ainsi le matériau d'un état liquide/semi-solide en un réseau solide tridimensionnel. Ce procédé confère au matériau les propriétés mécaniques, d'isolation et de résistance à la température souhaitées.
3. Soulager le stress : Lors du conditionnement, des contraintes internes s'accumulent en raison des différences de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre la puce, le substrat et la résine de moulage. Les cuissons à basse température ou à gradient de température permettent une relaxation lente des contraintes, réduisant ainsi le gauchissement, la déformation et le décollement de l'interface — un facteur critique pour les boîtiers minces (par exemple, BGA, CSP).
4. Optimisation de la compatibilité des processus : Certaines résines photosensibles et certains revêtements de polyimide (PI) nécessitent une cuisson pour éliminer les solvants et densifier le film, ce qui améliore sa stabilité pour les étapes de gravure et de collage ultérieures. Dans le cas de l'encapsulation au niveau de la plaquette, la cuisson des adhésifs de collage temporaires garantit l'absence de déplacement ou de délamination lors des procédés d'amincissement ou de TSV.

II.Rôle de la cuisson dans le processus d'emballage des chips

• Prétraitement des matières premières : Précuisson des composés de moulage, des cadres de connexion et des substrats de circuits imprimés pour éliminer l'humidité ambiante absorbée pendant le stockage et le transport, évitant ainsi les problèmes de fiabilité causés par l'humidité après l'emballage.
• Étapes intermédiaires du processus :Par exemple, la « cuisson douce » après le revêtement de la plaquette élimine les solvants de la résine photosensible afin d'éviter les bulles ou la distorsion du motif pendant l'exposition ; la « cuisson de pré-polymérisation » après la distribution de l'adhésif conducteur fixe initialement la position de la puce afin d'éviter tout décalage lors des processus ultérieurs.
• Durcissement après emballage : La post-cuisson à haute température effectuée immédiatement après le moulage augmente encore la température de transition vitreuse (Tg) et la densité de réticulation du composé de moulage, améliorant ainsi sa résistance à l'humidité et au vieillissement. La cuisson de retouche du sous-remplissage garantit que l'adhésif remplit complètement l'espace entre la puce et le substrat, répartissant ainsi les contraintes thermiques.

III.Procédés d'emballage nécessitant une cuisson

• Partie arrière de la fabrication des plaquettes : Cuisson après amincissement (relâchement des contraintes), cuisson de pré-collage après nettoyage au plasma (élimination de l'humidité de surface), cuisson douce et cuisson dure après revêtement de photorésine (durcissement de la couche de résine).
• Attache de matrice : Après application de l'adhésif conducteur/de la soudure eutectique, une cuisson est nécessaire pour la pré-polymérisation afin de fixer la position de la puce ; parfois, une cuisson à basse température est effectuée après le soudage eutectique pour éliminer les contraintes de soudage.
• Liaison par fil : Cuisson des cadres conducteurs avant collage dans certains procédés pour éliminer l'eau adsorbée et améliorer la force de collage ; cuisson des couches protectrices PI après collage.
• Moulage : Cuisson des préformes de composé de moulage avant le moulage pour les déshumidifier ; entrée immédiate dans un four de post-cuisson après le moulage, suivant un profil de température par paliers (par exemple, 125 °C → 150 °C → 175 °C, 2 heures chacune).
• Sous-remplissage : Après la distribution et le remplissage de la puce, une cuisson est nécessaire pour permettre à l'adhésif de s'écouler et de durcir, garantissant ainsi un remplissage sans vide.
• Test final et avant expédition : Les puces finies subissent souvent une cuisson à haute température (par exemple, 85 °C/24 h) avant l'expédition afin d'éliminer les défaillances précoces via des environnements difficiles simulés et d'éliminer l'humidité adsorbée par les matériaux d'emballage.

IV.Fours compatibles pour la cuisson des chips emballées

1. four sous vide:Adapté aux dispositifs très sensibles à l'humidité (ex. : WLP, capteurs MEMS). En abaissant la pression ambiante, il accélère l'évaporation de l'humidité sans oxydation à haute température. Il prévient la dégradation des matériaux et la formation excessive de composés intermétalliques tout en éliminant l'humidité, et est souvent utilisé pour la déshumidification ou le durcissement à basse température de matériaux spéciaux.
2. Four de salle blanche:Doté de filtres HEPA pour maintenir une propreté de classe 100 à 1000, cet appareil est utilisé pour les applications sur plaquettes et puces nues sensibles aux particules (par exemple, cuisson de la résine photosensible, prétraitement pour le refusion des plots) afin d'éviter toute contamination par la poussière susceptible de provoquer des courts-circuits.
3. Four à azote:Purge à l'azote de haute pureté pour créer une atmosphère inerte à faible teneur en oxygène (contrôlable en dessous de 10 ppm). Convient aux matériaux facilement oxydables (par exemple, les grilles de connexion en cuivre, le durcissement de la pâte d'argent) afin d'éviter l'oxydation de la surface métallique à haute température, ce qui affecterait la conductivité ou la qualité du brasage.
4. Four de précision:Pour les besoins de production en série, on utilise de grands fours sur chariot (pour la déshumidification des composés de moulage en vrac) et de petits fours de précision (pour la R&D ou les essais sur petits lots).

Le traitement thermique, étape fondamentale du processus d'encapsulation des puces semi-conductrices, est essentiel depuis la fixation de la puce et le moulage jusqu'à l'expédition finale. En contrôlant précisément le profil de température, la durée et l'environnement atmosphérique, ce traitement permet non seulement d'éliminer l'humidité et les impuretés organiques des matériaux d'encapsulation et de favoriser la réticulation complète des polymères, mais aussi de supprimer efficacement les contraintes internes, d'inhiber l'oxydation du métal et la formation de filaments, et d'améliorer globalement la résistance mécanique, l'isolation électrique et la fiabilité à long terme de l'encapsulation.