**摘要**—本文提出一种专为先进封装应用中抑制翘曲而设计的压力固化系统。该系统采用基于膜的机械约束结构，可兼容平面及非平面载物台几何形状。凭借其模块化且高度可重构的架构，该系统还可切换至带卡盘台的非接触式配置。系统的多功能性在不同尺寸规格上得到了验证，包括 ABF 基板（118 mm × 115 mm）、300 mm 环氧塑封料（EMC）晶圆模塑件以及 510 mm × 515 mm 面板。通过采用非平面载物台，EMC 面板的残余翘曲降低了 35%，晶圆的残余翘曲降低了 66%。此外，膜腔内特有的气体密度变化（DV）功能增强了平面载物台条件下的翘曲抑制能力，使 EMC 样品固化后的翘曲减少 68%。通过对 20 余片 ABF 基板的评估，确认了工艺一致性；在凹面载物台补偿条件下，残余翘曲一致收敛在 ±100 μm 以内，展现出优异的可重复性与稳定性。

**关键词**—翘曲；环氧塑封料（EMC）；味之素堆积膜（ABF）；面板；膜；先进封装；压力固化

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**I. 引言**

翘曲控制已成为先进半导体封装中最关键的挑战之一，尤其是在晶圆级、面板级及异构集成工艺中。在回流焊、底部填充胶固化及后模塑固化等热处理过程中，由于硅、有机基板与聚合物材料之间的热膨胀系数失配及化学收缩的共同作用，会产生严重的面外变形。传统的翘曲抑制技术通常依赖于平面机械夹持、真空吸盘或临时载具贴附，以在热处理过程中对基板或模塑晶圆进行几何约束。在扇出型及相关先进封装流程中，芯片通常被贴装在刚性载具上，以便在固化、模塑或回流工艺期间提供临时机械支撑，随后再将载具移除以便进行后续操作。然而，这些平面或刚性约束方式的根本局限性在于，它们无法消除由热膨胀系数（CTE）失配及固化引起的化学收缩所产生的内部弯曲力矩[1,2]。

尽管平面载物台或载具在加热过程中可以暂时强制维持平面构型，但这仅仅是抑制了可见的翘曲，并未改变多层结构内部固有的残余应力梯度。因此，一旦外部约束被解除——无论是通过卸压还是载具剥离——所储存的弹性能量便会迅速释放，导致弹性回弹和不良曲率的再次出现[3]。对于大面积面板和模塑晶圆，这一局限性变得日益严重，载具移除后往往会出现显著的面外变形。

尽管已有研究提出采用非平面（凸面或凹面）机械约束通过引入反向弯曲力矩来预补偿翘曲[4,5]，但其实际应用仍然具有挑战性。传统方法通常需要机械刚性的上下对称夹具来精确施加所需的曲率，这显著增加了工装复杂性和对位难度。更为关键的是，在低于聚合物材料（如味之素堆积膜ABF或环氧塑封料EMC）的玻璃化转变温度（Tg）的条件下施加机械压力，会大幅增加开裂、分层和脆性断裂的风险。因此，这类方法需要一个复杂的热-机械流程：首先预热至Tg以上，然后施加压力，最后在约束状态下进行受控冷却。将这些步骤集成到稳定且可量产的设备中面临巨大的工程挑战，这也限制了基于曲率调控的翘曲抑制技术在工业界的应用。

受上述局限性的启发，本文提出了一种新型的基于膜的自适应压力固化系统，该系统集成了曲率优化载物台和受控冷却曲线，以主动抑制先进封装中的翘曲。利用高压热腔卓越的温度均匀性，首先将基板或模塑晶圆加热至Tg以上，使其进入柔顺的黏弹态。然后，通过柔性膜结合凸面或凹面载物台施加压力，在固化过程中施加预设的预补偿曲率。冷却后，仅在材料温度降至室温时才释放膜压力。该方法能够在不引入传统刚性非平面夹持系统机械复杂性的前提下，有效抑制ABF多层基板和EMC封装体的翘曲。

**II. 实验方法**

**A. 翘曲抑制退火系统（WSAS）**

该固化系统由一个集成有可互换载物台的软膜模块组成，并置于加压对流烘箱内部。为了产生可控的垂直向下的力（z向力），膜片形成了一个独立的密封压力腔室。该腔室配备了专用的加压和排气控制单元，能够独立调节膜腔压力相对于烘箱环境压力的数值。通过调节压差，可以向基板表面施加可调且均匀分布的机械载荷。热能由加压烘箱通过强制对流加热提供，在整个腔室内实现均匀的温度分布和稳定的热控制。由于基板加热是通过高压气体对流实现的，而非与传统加热板直接接触，因此载物台并非主要热源。

这种架构实现了载物台的快速可拆卸设计，允许根据基板材料、翘曲幅度和样品尺寸灵活更换。根据实验目标，可以安装平面载物台或凹面/凸面载物台，以引入不同的力学边界条件。还可互换不同尺寸的载物台，以适应不同的晶圆级和面板级样品。此外，为了评估刚性金属板与柔性膜对残余翘曲收敛性的影响，还采用了一种由刚性板贴附膜片构成的混合构型，本研究下文中将其称为“刚性膜”。

除了基于膜的接触式机械约束外，该系统凭借其模块化和高度可拆卸的架构，还支持非接触式的施加载荷构型。

**在这种配置下，真空吸盘台替代了加压烘箱内部的载物台。通过对真空吸盘进行抽真空，同时维持腔室内较高的环境压力，可在基板两侧建立可控的压差。该压差无需上层约束层的直接机械接触即可产生垂直向下的 z 向力。非接触式加载力的大小由腔室环境压力与吸盘台内部真空度之间的压力差决定。**

**这种双模式能力使得系统既可以在膜接触式构型下运行，也可以切换到非接触式构型，从而能够根据基板材料特性、几何形状和初始翘曲幅度灵活定制力学边界条件。与刚性机械夹持相比，这两种构型都能实现均匀的应力分布，同时有效缓解局部应力集中。

**图 1** 所提出的翘曲抑制退火系统（WSAS）的示意图与实物图。

图 1 展示了所提出的基于膜的压力固化系统的构型。该系统在加压对流烘箱内集成了接触式和非接触式两种机械约束机制，并结合可互换的载物台设计，以适应不同的基板几何形状和翘曲状态。**

**B. 样品制备**

**为了评估不同的实验目标，制备了三种不同的测试载具：(i) 300 mm 模塑晶圆，(ii) 大面积面板（510 mm × 515 mm），以及 (iii) 味之素堆积膜（ABF）多层基板（118 mm × 115 mm）。这些载具分别采用了环氧塑封料（EMC）和基于 ABF 的介电薄膜，并应用于基板上以评估它们各自独特的翘曲特性。**

**对于基于 EMC 的载具，在芯片分布的载板（由硅晶圆或玻璃面板构成）上进行压缩模塑。将环氧塑封料分配到载板表面，随后进行压缩模塑工艺，以确保无空洞的型腔填充和均匀的封装。在模塑步骤中引发初始交联反应，形成机械稳定的封装层，以便进行后续的热处理。**

**对于 ABF 基板，采用在高模量玻璃增强环氧树脂芯层上依次进行积层工艺来制备测试载具。玻璃增强环氧树脂芯层的厚度为 2000 μm。再分布层（RDL）对称地构建在芯层结构的两侧。每一侧包含 11 层味之素堆积膜（ABF）介电材料，基板两侧总共形成 22 层积层。单侧 ABF 堆叠层的累积介电厚度约为 200 μm。ABF 层采用半加成法（SAP）进行加工，积层顺序（包括介电层压、通孔形成和镀铜）重复进行，直至完成整个多层堆叠。最后，在基板的两面施加阻焊层，并精确开孔以便进行表面处理和焊盘接触。**

**C. 固化条件**

**模塑或积层制造完成后，测试载具由于材料特性失配和工艺诱导的应变累积而存在内在的残余应力。特别是，由于载板（硅或玻璃）与环氧塑封料之间的热膨胀系数（CTE）失配，EMC 封装的基板会固有地产生面外变形。为了稳定其热机械性能并完成聚合反应，进行了后模塑固化（PMC）工艺。**

**对于基于 EMC 的载具，根据实验条件，在翘曲抑制退火压力系统（WSAS）中进行 PMC。固化过程在 200 °C 的目标温度下进行 2 小时，以使环氧网络充分交联并减少固化引起的材料不均匀性。**

**对于基于 ABF 的基板，由于 ABF 基板依次积层的特性，残余应力通过反复的层压、介电层固化和镀铜循环而累积。为了缓解累积的内应力并稳定基板的整体几何形状，在 190 °C 下进行了 1 小时的受控热处理。选择该温度是为了激活 ABF 介电层内的应力松弛机制，同时保持多层堆叠的结构完整性。**

**D. 带机械约束的压力辅助热调理**

**为了稳定热机械性能并完成聚合反应，固化过程在 WSAS 系统中、在可控的压力和温度条件下进行，从而在工艺过程中同时实现热退火和机械约束。**

**在热循环期间，将基板放置在 WSAS 的平面载物台或凹面/凸面载物台上，以研究机械约束对翘曲演变的影响。热过程开始时，首先将腔室加压至 6.0 bar 或 8.0 bar 的环境压力，然后以 5 °C/min 的受控加热速率将温度从 25 °C 升至目标固化温度。达到目标温度并稳定 10 分钟后，对密封膜腔施加额外的压力，将膜腔内部压力增至 6.4 bar 或 8.4 bar。WSAS 中固化过程的典型压力和温度曲线如图 2 所示。**

**图 2** WSAS 中固化过程的典型压力与温度曲线。

**由此产生的 0.4 bar 压差使膜膨胀并与载板表面形成共形接触，从而在整个基板上提供均匀且连续的机械约束。这种由膜引起的约束在整个高温固化期间得以维持。随后，基板在相同的约束条件下冷却至室温，以促进复合结构内部的应力松弛和潜在弹性能的调控。**

**为了进一步研究 Tg 以上的应力松弛是否受施加的压力、载物台几何形状和膜类型的影响，在工艺过程中通过受控的温度或压力调节，故意调整膜内部的空气密度。这种内部气体密度的有意改变会调节界面顺应性以及固化周期中基板上产生的压力分布。在本研究中，这种方法被称为密度变化（DV）工艺。**

**E. 翘曲测量与评估**

**在热和压力辅助调理循环完成后评估翘曲。面外变形定义为在室温下基板表面相对于无应力参考平面的垂直位移。**

**使用 KEYENCE VL-700 三维光学测量系统在热循环前后测量晶圆级和面板级样品的全场表面形貌。该系统利用双投影仪将蓝色 LED 条纹图案投射到样品表面，同时 CMOS 传感器从多个角度捕捉由此产生的形貌畸变。最大翘曲量取为测量区域内的峰谷（PV）位移值，并分析整体曲率轮廓以区分凸形和凹形变形模式。为保证数据解读的一致性，凹形变形（中心低于边缘）指定为负 PV 值，而凸形变形指定为正 PV 值。**

**III. 结果**

**A. EMC 晶圆**

对于 EMC 模塑晶圆，在 WSAS 系统中实施了多种抑制配置，这些配置在膜加压条件下改变了膜类型（刚性/柔性）、载物台几何形状（平面/凹面）以及 DV 条件（有/无）。完整的工艺参数矩阵及测得的残余翘曲结果列于表 I。

**表 I. WSAS 系统中模塑晶圆在不同抑制配置下的残余翘曲收敛性**

**图 3** 使用 KEYENCE VL-700 三维光学系统测量的 EMC 晶圆在不同配置下 WSAS 抑制前（上一行）与抑制后（下一行）的全场表面形貌图。

图 3 显示了在不同配置下，使用 KEYENCE VL-700 三维光学系统测量的代表性样品在 WSAS 抑制前（上一行）和后（下一行）的全场表面形貌图。等高线图表明，抑制后面外变形显著减小，翘曲得到改善。

初始模塑晶圆在 PMC 后表现出显著的翘曲变化，范围从 -2.80 mm 到 -5.59 mm。尽管存在这种变异性，但根据膜类型、载物台几何形状和工艺条件（有无 DV），出现了不同的抑制机制，揭示了翘曲控制机制的转变。

在无 DV 的平面载物台工艺下，使用刚性膜时残余翘曲降至 -1.84 mm（从 -2.80 mm 降低，降幅 34%），使用柔性膜时降至 -2.48 mm（从 -3.72 mm 降低，降幅 33%）。刚性膜实现的残余翘曲持续较低，表明该机制下的抑制主要由抵抗内部弯曲力矩的机械刚度决定。

当在平面载物台条件下引入 DV 时，残余翘曲进一步降低至 -1.14 mm（刚性膜，从 -3.61 mm 降低，降幅 68%）和 -1.42 mm（柔性膜，从 -2.76 mm 降低，降幅 49%）。这表明 DV 有效促进了 Tg 以上的黏弹性松弛，使得在冷却过程中的应力冻结之前，存储的弯曲应力得以部分重新分布。

这些结果将平面载物台配置定义为以应力再分布为主的机制，其中 DV 在增强抑制性能方面发挥了作用。

相比之下，即使没有 DV，凸面载物台配置也产生了显著更强的翘曲收敛性。使用柔性膜时，残余翘曲从 -5.45 mm 降至 -1.84 mm（降幅 66%），达到了与平面载物台+刚性膜+DV 条件相当的水平。

在有 DV 的情况下，凸面载物台工艺进一步将翘曲从 -5.59 mm 降至 -1.59 mm（降幅 71%）。然而，与在平面载物台工艺下的效果相比，DV 带来的增量改进（从 -1.84 mm 到 -1.59 mm）相对有限。

**图 4** 不同 WSAS 配置下抑制前后峰谷（PV）翘曲的比较。

图 4 显示了在不同 WSAS 配置（包括膜类型（刚性/柔性）、载物台几何形状（平面/凹面）、DV 工艺以及非接触式吸盘台条件）下抑制前后的峰谷（PV）翘曲对比。结果表明，所有配置下的残余翘曲均显著降低，在 DV 辅助和曲率补偿的情况下观察到了更好的收敛性。

这种行为表明主导抑制机制发生了转变。在凸面载物台工艺中，几何曲率预补偿引入了一个有意的反向弯曲力矩，直接抵消了热致内部应力梯度[6,7]。因此，可用于 DV 驱动再分布的残余应力显著减少。由于贴合性限制，未在凹面和凸面载物台条件下评估刚性膜，因为高刚度膜无法充分适应非平面载物台几何形状。

这些发现将凸面载物台配置定义为以弯曲力矩中和为主的机制，其中几何补偿主导了抑制性能，而 DV 的作用相对较小。

**B. EMC 面板**

对于 510 mm × 515 mm 的 EMC 模塑面板，完整的工艺参数矩阵及测得的残余翘曲结果列于表 II。

**表 II. WSAS 系统中模塑面板在不同抑制配置下的残余翘曲收敛性**

为了评估机械约束对不同固化状态下 EMC 的影响，对预固化和后固化的 EMC 样品均进行了研究。对于选定的样品，后模塑固化（PMC）工艺直接在 WSAS 系统内进行，以评估固化过程中原位机械约束的影响。图 5 显示了所有条件下的表面形貌图。

**图 5** 不同配置下，EMC 面板在 WSAS 抑制前（上一行）和抑制后（下一行）的全场表面形貌图。

对于在平面载物台约束下处理的预固化EMC样品，柔性膜将残余翘曲从−5.32 mm降至−4.07 mm（降幅23%）。当采用带有DV的柔性膜时，翘曲从−6.97 mm降至−4.89 mm（降幅30%）。尽管DV提供了额外的改善，但提升幅度仍然有限。

对于平面载物台工艺下的后固化EMC样品，残余翘曲从−6.72 mm降至−4.97 mm（降幅26%），这与预固化平面载物台的情况相当。这表明，一旦EMC完成后模塑固化，机械约束主要作用于已冻结的残余应力，限制了进一步的应力重新分布。

然而，当对后固化EMC使用凸面载物台引入曲率补偿时，残余翘曲从−6.31 mm降至−4.02 mm（降幅36%），这表明对于后固化材料，几何弯曲力矩补偿比单独的平面约束更为有效。

相比之下，在预固化状态下施加膜约束，相较于平面载物台情况下的后固化状态，显示出略有提高的抑制效率。这一趋势意味着，固化阶段的机械约束允许在完全交联之前进行部分应力调控，而后固化约束只能重新分布已经固化的应力梯度。

与之前的模塑晶圆结果不同，本面板级实验中的DV并未显示出比非DV条件显著的增量收益。这可能是因为用于改变内部应力再分布的密度变化曲线尚未针对大面积EMC面板[8]在测试条件下进行优化。

总体而言，经过WSAS抑制后，EMC面板的残余翘曲降低了约25–35%。全场表面形貌图显示，抑制后中心低翘曲区域明显扩大，表明内部应力分布更均匀，弯曲幅度减小。此外，在凸面载物台条件下，抑制后的样品呈现出符合载物台几何形状的曲率轮廓，表明在高温加压过程中，面板受到几何补偿的引导，残余变形趋近于载物台的预设曲率。

**C. ABF 基板**

对于118 mm × 115 mm的ABF基板，完整的工艺参数矩阵及测得的残余翘曲结果列于表III。

**表 III. WSAS 系统中 ABF 基板在不同抑制配置下的残余翘曲收敛性**

**图 6** 不同配置下，ABF 基板在 WSAS 抑制前（上一行）和抑制后（下一行）的全场表面形貌图。

图6显示了所有条件下的表面形貌图。与表现出凹形变形的EMC模塑面板相比，ABF基板的初始凸形PV值相对较小，范围为0.32 mm至0.65 mm。尽管如此，在WSAS抑制后仍实现了显著的翘曲降低。不同抑制条件下ABF基板的初始与最终峰谷（PV）翘曲之间的关系如图7所示。

**图 7** 不同抑制条件下 ABF 基板初始与最终峰谷（PV）翘曲之间的关系。虚线代表恒定降低率（0–100%）

虚线代表恒定的降低率（0–100%），而数据点表示测得的抑制结果。所有样品均位于单位线（x = y）以下，证实了翘曲的有效降低，某些构型接近完全抑制。

在8.4/8.0 bar条件下使用平面载物台和柔性膜时，残余翘曲从0.44 mm降至0.25 mm（降幅44%）。在同一平面载物台配置下，当压力调整为6.4/6.0 bar时，残余翘曲从0.45 mm进一步降至0.18 mm（降幅61%），表明环境压力水平影响抑制效率。

更值得注意的是，凹面载物台配置实现了近乎完全的翘曲中和，将翘曲从0.65 mm降至0.03 mm（降幅95%）。这证实了即使对于薄型ABF基板，几何曲率补偿仍然非常有效。

有趣的是，即使没有膜接触，在4.0 bar环境压力下的吸盘台配置也能将翘曲从0.32 mm降至0.13 mm（降幅59%）。这表明仅由环境压力驱动的非接触式抑制可以提供显著的改善。

**IV. 讨论**

本研究表明，WSAS系统在EMC模塑晶圆、模塑面板和ABF基板上均实现了显著的翘曲抑制。评估了多种影响因素及其对抑制性能的影响。尽管不同的工艺条件都产生了可测量的改善，但不同配置之间的有效性程度差异很大。这些发现表明，翘曲抑制并非由单一的物理机制支配，而是材料状态、几何补偿条件和压力场耦合机制共同作用的结果。

对于平面载物台条件下的EMC材料，与柔性膜相比，刚性膜表现出更好的残余翘曲抑制效果。这一观察结果表明，刚性膜或金属板可以提供强大的机械约束，从而减轻由CTE失配和化学收缩引起的翘曲。相比之下，由于其较高的柔顺性，柔性膜在平面条件下产生的反向约束较弱，导致抑制效率相对较低。

DV工艺在后固化EMC材料中表现出改善，表明即使在完全交联后，一部分潜在的弹性应变能仍然是可调的。通过在Tg以上通过膜腔内的受控气体密度变化来调节压力场，可以重新分布内应力，使得部分残余应力在冷却前得以转移或松弛。因此，在后固化条件下仍能观察到显著的改善。

然而，在非平面载物台配置（例如凹面或凸面）下，DV的增量收益明显减少。这种行为表明，一旦几何曲率补偿有效抵消了主要的弯曲效应，剩余的可调内部应力梯度就大大减小。因此，主导抑制机制从应力再分布转变为几何曲率补偿。

此外，对于预固化EMC样品，DV效应不太明显。在交联阶段，材料的模量和黏弹性具有高度的温度依赖性，材料本身具有相当大的固有应力松弛能力。因此，外部调制的压力场效应的一部分被持续的固化动力学所吸收，导致DV的额外贡献不那么显著。

另一方面，ABF基板表现出不同的特性。由于与EMC面板相比其刚度较低，ABF基板的初始翘曲相对较小（0.3–0.6 mm），但对环境压力波动表现出中等高度的敏感性。实验结果表明，即使在非接触式吸盘台配置下，仅增加环境压力就能使翘曲降低约59%。这表明对于ABF结构，无需强烈的机械约束即可通过环境压力有效调节内应力平衡。此外，凹面载物台的集成实现了残余翘曲的近乎完全中和（高达95%的降低）。这些发现凸显了几何补偿与外压力场之间的耦合效应在ABF材料体系中显著更强。

为了评估所提出的抑制方法的一致性和可重复性，制备了更多的ABF基板，并在平面载物台和凹面载物台两种配置下进行了测试。

如图 8 所示，测量结果表明，在不同的初始翘曲水平下，抑制行为均表现稳定。在平面载物台条件下，最终的峰谷（PV）值保持在 0.3 以下，证实了翘曲降低的可重复性。当采用凹面载物台补偿时，数据点进一步收敛到一个狭窄的残余带（±100 μm）内，表明均匀性提高，抑制性能具有可预测性。

**图 8** 多个 ABF 样品在（a）平面载物台和（b）凹面载物台配置下评估的初始与最终峰谷（PV）翘曲对比。虚线表示恒定降低率

结果在收敛区域内的聚集表明，WSAS 抑制不依赖于孤立的参数调节，而是在多个样品和载物台几何形状下提供稳定且可重复的抑制行为。

**V. 结论**

本研究表明，WSAS 系统在各种膜、载物台和 DV 条件下，能对 EMC 面板和 ABF 基板提供有效的翘曲抑制。结果表明，抑制性能强烈依赖于材料刚度、固化状态和几何边界条件，而非单一主导因素。

除了抑制效果外，可拆卸载物台设计还支持平面与非平面几何形状之间的灵活配置，从而允许根据材料特性和表面状况进行工艺优化。这种模块化架构增强了系统的多功能性，而无需进行重大的硬件改造。此外，使用多个样品的重复评估展示了稳定的收敛行为和强大的工艺一致性。残余翘曲在限定范围内的聚集证实了抑制性能的可重复性，且不依赖于孤立的参数调节。

总体而言，WSAS 系统不仅作为翘曲抑制平台，还作为一种多功能的固化和退火工艺工具。凭借可配置的抑制几何形状和适应性强的压力-温度曲线，该系统支持高温固化、后模塑退火及其他热处理需求。这种多功能性使 WSAS 成为先进封装应用中超越传统翘曲控制的一种有前景且可扩展的解决方案。

文章名：A Novel Membrance-Based Adaptive Pressure  Curing System for Warpage Suppression in Advanced  Packaging