Avec l'évolution de la technologie des semi-conducteurs au-delà de la miniaturisation traditionnelle des transistors, l'encapsulation avancée est devenue le principal levier de l'industrie pour des performances accrues, une fonctionnalité étendue et une efficacité énergétique améliorée. Des technologies telles que l'intégration 2.5D, les circuits intégrés 3D, l'encapsulation au niveau de la plaquette (FOWLP) et les architectures à base de chiplets redéfinissent la fabrication des puces de nouvelle génération. Cependant, ces mêmes innovations introduisent l'un des défis de fabrication les plus persistants du secteur : la déformation des plaquettes.

Lorsque plusieurs matériaux aux propriétés thermiques et mécaniques différentes sont intégrés dans un même boîtier, les variations de température durant la fabrication génèrent des contraintes internes qui provoquent la flexion et la déformation des plaquettes. Dans la fabrication de haute précision, même une déformation de quelques millimètres peut faire la différence entre une production à haut rendement et un lot de rebuts coûteux.

Pourquoi la déformation des plaquettes est importante

La déformation des plaquettes n'est pas un simple défaut esthétique ; c'est une réaction en chaîne qui affecte presque toutes les étapes de fabrication suivantes. Une plaquette légèrement déformée lors d'une étape peut compromettre la précision de toutes les étapes suivantes.

Les conséquences les plus immédiates sont les suivantes :

  • Les erreurs d'alignement lors de la lithographie et du collage (plaquettes déformées) décalent le plan focal et l'alignement des motifs, affectant directement la précision des dimensions critiques.
  • Mauvaise liaison entre plaquettes ou entre puces et plaquettes — les procédés de liaison dépendent d'une coplanarité stricte ; les surfaces déformées créent des vides et des liaisons incomplètes
  • Rendement de fabrication inférieur : les défauts d’alignement et de liaison se propagent aux puces mises au rebut et diminuent le rendement global des dispositifs.
  • Risque accru de fissuration, de délaminage et de problèmes de fiabilité à long terme — les contraintes non résolues lors de la fabrication ressurgissent souvent ultérieurement sous forme de défaillance sur le terrain

Des recherches sur la fabrication FOWLP ont montré que la déformation peut perturber le processus de fabrication en rendant difficile la manipulation des plaquettes déformées par les équipements, et que les plaquettes présentant des problèmes de coplanarité créent des problèmes de manipulation supplémentaires en aval. En d'autres termes, la déformation n'est pas seulement une mesure de qualité effectuée a posteriori ; elle peut physiquement interférer avec la capacité des équipements à traiter la plaquette, de la manipulation robotisée au placement du mandrin.

Qu’est-ce qui provoque la déformation des plaquettes ?

La déformation des emballages avancés est due à une combinaison de facteurs liés aux matériaux, à la structure et au processus, qui s'aggravent à mesure que les emballages deviennent plus fins et plus hétérogènes.

Différence de dilatation thermique entre les matériaux

Chaque matériau composant un boîtier (silicium, cuivre, composé de moulage, couches diélectriques) se dilate et se contracte à un rythme différent en fonction des variations de température lors du traitement. Si ces différences de coefficient de dilatation thermique (CDT) ne sont pas maîtrisées, les contraintes internes qui en résultent provoquent une déformation de la plaquette lors de son refroidissement des températures de traitement jusqu'à la température ambiante.

Traitement des plaquettes minces

Avec la miniaturisation des boîtiers et l'augmentation de la densité d'empilement, l'épaisseur des plaquettes diminue progressivement. Ces plaquettes plus fines présentent une rigidité structurelle considérablement réduite, ce qui les rend beaucoup plus susceptibles de se déformer sous les mêmes contraintes qu'une plaquette d'épaisseur standard supporterait sans problème.

Contrainte de la couche de redistribution (RDL)

Le RDL (réseau de pistes de cuivre fines qui achemine les connexions d'E/S à travers un boîtier à architecture en éventail) induit son propre profil de contrainte. Une distribution déséquilibrée du cuivre au sein du RDL concentre les contraintes de manière inégale sur la surface de la plaquette, un facteur que les chercheurs ont spécifiquement étudié comme variable de déformation contrôlable par l'optimisation de la fraction volumique de cuivre.

Retrait du composé de moulage pendant le durcissement

Dans le procédé d'encapsulation en éventail (FOWLP), le composé de moulage qui encapsule et reconstitue la plaquette se rétracte lors de sa polymérisation. Cette rétraction, combinée à la différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le composé de moulage et la puce de silicium intégrée, est l'une des causes principales les plus fréquemment citées de déformation, notamment dans le FOWLP, et s'accentue avec l'augmentation de la taille des plaquettes.

Comment l'industrie s'attaque au problème de la déformation des plaquettes

Il n'existe pas de solution unique au problème de la déformation des plaquettes de silicium ; cela nécessite une combinaison de science des matériaux, d'ingénierie des procédés et, de plus en plus, de prédiction basée sur les données.

Collage temporaire de plaquettes

La fixation d'une plaquette porteuse rigide pendant le traitement des plaquettes minces assure un soutien mécanique pendant les étapes les plus sujettes à la déformation, puis le décollement une fois que la plaquette a franchi ces étapes en toute sécurité.

couches de compensation de contrainte

Des couches techniques conçues spécifiquement pour contrer les contraintes introduites par d'autres matériaux dans l'empilement, équilibrant efficacement le boîtier des deux côtés plutôt que de s'appuyer sur un seul matériau à faible contrainte.

Sélection de matériaux à faible contrainte

Le choix de composés de moulage, de diélectriques et de matériaux RDL avec des valeurs de CTE plus proches de celles du silicium réduit le désaccord fondamental qui est à l'origine de la déformation.

Traitement thermique optimisé

Le contrôle des vitesses de chauffage et de refroidissement pendant les étapes de polymérisation et de refusion — plutôt que de les traiter comme des paramètres de processus fixes — réduit les contraintes liées au gradient thermique qui s'accumulent sur la plaquette.

Conception basée sur la simulation et prédiction des déformations

De plus en plus, les usines de fabrication et les OSAT utilisent la simulation de procédés — et, dans des déploiements plus avancés, des modèles d'apprentissage automatique — pour prédire la déformation des plaquettes avant même leur entrée en production, ajustant ainsi proactivement le choix des matériaux et les paramètres de procédé plutôt que de constater les problèmes de déformation après réception des données de rendement. Les études universitaires sur la déformation des plaquettes FOWLP incluent désormais explicitement les méthodes de prédiction basées sur l'IA/ML, aux côtés des approches de modélisation théoriques et numériques traditionnelles, comme stratégie d'atténuation émergente.

Où s'intègrent les données d'équipement et la visibilité des processus ?

La gestion efficace du gauchissement dépend d'une visibilité précise et en temps réel sur le fonctionnement exact des équipements à chaque étape du processus, car les contraintes induisant le gauchissement s'accumulent progressivement, à travers les fours de cuisson, les chambres PVD, les équipements de moulage et les outils de traitement thermique, et non à une seule étape isolée.

C’est là que la connectivité des équipements et l’infrastructure d’automatisation de l’usine deviennent directement pertinentes pour une stratégie de réduction des déformations, même si ces dernières relèvent fondamentalement du génie des matériaux et des procédés. La communication fiable entre les équipements SECS/GEM et GEM300 fournit aux ingénieurs de procédés les données en temps réel de température, de synchronisation et de paramètres de procédé nécessaires pour corréler le comportement spécifique des équipements avec les déformations mesurées en aval. Ainsi, le dépannage des déformations passe d’une investigation réactive, lot par lot, à une boucle de rétroaction continue et basée sur les données.

Pour les OSAT et les installations d'emballage avancé exploitant des parcs d'équipements hétérogènes (comprenant souvent des outils modernes conformes à la norme GEM300 et des équipements de polymérisation, de moulage ou de traitement thermique plus anciens, antérieurs à la connectivité standard), combler ce manque de données constitue fréquemment la première étape concrète vers une gestion des déformations basée sur la simulation et la prédiction, vers laquelle l'industrie s'oriente. Les solutions de modernisation d'équipements existants, telles que eInnoSys EIGEMBox, sont spécifiquement conçues pour intégrer ces équipements anciens à un flux de données standardisé sans les remplacer, afin que les données de processus pertinentes pour la gestion des déformations ne soient plus négligées du simple fait de l'ancienneté d'un outil.

Avec l'évolution constante des technologies d'encapsulation avancées — impulsée par les accélérateurs d'IA, le calcul haute performance, l'électronique automobile et la miniaturisation croissante des appareils mobiles —, la déformation des plaquettes n'est plus un problème secondaire traité uniquement en cas de problèmes de rendement. Elle est devenue une contrainte majeure de conception et de fabrication, à prendre en compte dès les premières étapes de la conception de l'encapsulation et jusqu'à la polymérisation finale.

La voie à suivre combine science des matériaux, optimisation des procédés thermiques et simulation. Mais, à la base de ces trois éléments, il est essentiel que les fabricants disposent des données au niveau des équipements nécessaires pour identifier où et quand les contraintes apparaissent. Pour les usines de fabrication et les OSAT qui s'efforcent d'établir cette visibilité sur l'ensemble de leur parc d'équipements, la connectivité standardisée de ces derniers constitue le fondement de tout le reste.

Quelles stratégies avez-vous jugées les plus efficaces pour contrôler la déformation des plaquettes dans vos procédés d'encapsulation avancés ? Nous serions ravis de connaître votre expérience : contactez l'équipe eInnoSys pour discuter de la manière dont la visibilité des données des équipements s'intègre à votre stratégie de réduction de la déformation.