Hiện nay, ngành công nghiệp bán dẫn đang không ngừng phát triển để đáp ứng những nhu cầu ngày càng nâng cao, trong đó các đơn vị sản xuất đang có xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ từ quá trình thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn trên các phiến silicon sang công nghệ đóng góp chíp tiên tiến – Advanced Packaging (ATP). Trong đó, một trong những giải pháp đang góp phần nâng cao hiệu năng của bộ xử lý AI và điện toán hiệu năng cao thường được kể đến là System-in-Package (SiP), Chiplet, hay các công nghệ đóng gói 2.5D, 3D như CoWoS và Foveros. Tuy nhiên, quy trình đóng gói chip tiên tiến này thường có những yêu cầu nghiêm ngặt về chỉ số điện trở suất của nguồn nước rửa trong quy trình sản xuất. Bài viết này tập trung phân tích về tầm quan trọng của chỉ số điện trở của nước trong quy trình đóng gói chip tiên tiến.

Ý nghĩa về điện trở suất của nước trong quy trình đóng gói chíp tiên tiến

Theo nguyên lý, điện trở suất của nước là đại lượng phản ánh trực tiếp mức độ tinh khiết về mặt ion của nước, do chúng được thể hiện qua khả năng chống lại dòng điện. Điều này có nghĩa là nguồn nước có chỉ số điện trở suất càng cao khi các thành phần ion hòa tan trong chúng càng ít. Đối với lĩnh vực công nghiệp bán dẫn, khi mọi tạp ion hóa đã bị loại bỏ hoàn toàn để đạt đến trạng thái nước siêu tinh khiết tuyệt đối, mức điện trở suất đạt tối đa là 18.2 MOhm.cm tại 25^oC. Chỉ số điện trở suất này có ý nghĩa vô cùng lớn đối với quy trình đóng gói chip tiên tiến. Nó được xem là một lớp bảo vệ chủ động thay vì chỉ là một môi trường làm sạch. Điều này là do quá trình đóng gói chip tiên tiến là quy trình bên trong, thường phải làm việc trực tiếp với các cấu trúc kim loại hở, các mối nối siêu vi hay các lớp keo polymer nhạy cảm. Chính vì vậy, nếu nguồn nước trong quá trình sản xuất chứa các tạp chất ion tự do sẽ là điều kiện để kích hoạt các phản ứng hóa học không mong muốn, từ đó gây ra những tác động to lớn như hỏng hóc toàn bộ cấu trúc chip phức tạp.

Nguyên nhân quá trình đóng gói chíp tiên tiến không chấp nhận tạp chất ion

Theo quy trình sản xuất chip, các die chip trên cùng một đế đỡ được kết nối với nhau thông qua việc sử dụng các đường dẫn điện siêu nhỏ được thiết kế trong chuỗi đóng tiên tiến. Một số kỹ thuật điển hình có thể kể đến như kỹ thuật thông lỗ silicon hay các vi hình cầu thông qua việc thiết kế khoảng cách pitch với kích cỡ rất nhỏ. Chính vì vậy, độ tin cậy của sản phẩm thường được quyết định bởi chỉ số điện trở suất của nước tại quy mô siêu nhỏ. 

Vấn đề thường được quan tâm đầu tiên là hiện tượng ăn mòn hóa học và rò rỉ điện khi nước có điện trở suất thấp. Điều này là do khi nước rửa có điện trở suất thấp, đồng nghĩa với việc trong chúng sẽ chứa nhiều ion tự do. Khi nước bay hơi thì các ion này sẽ bị đọng lại ở các khe hở giữa các mối nối kim loại. Từ đó, các ion bám cặn sẽ tạo thành đường dẫn điện ngoài ý muốn thông qua tác động của điện trường và độ ẩm còn sót lại, từ đó gây ra các hiện tượng như rò dòng điện, ngắn mạch hay mòn điện hóa dẫn đến đứt gãy kết nối giữa các chiplet.

Vấn đề tiếp theo cũng được nhắc đến với mức độ quan trọng không hề nhẹ, đó là bài toán làm sạch bề mặt trước khi đi vào công đoạn kết dính trực tiếp. Công đoạn này cũng được cân nhắc nhiều về quy trình tuân thủ, do nếu bất kỳ ion tạp chất nào đọng lại do nước rửa kém chất lượng cũng sẽ tạo ra các khoảng trống ở giao diện kết dính, từ đó làm giảm khả năng tản nhiệt và làm suy hao các tín hiệu truyền qua các vi mạch.

Các thách thức kỹ thuật trong quá trình vận hành hệ thống nước có điện trở cao trong quy trình đóng gói tiên tiến

Hiện nay, việc duy trì và sử dụng nguồn nước có điện trở suất bắt buộc là 18.2 MOhm.cm được xem là một thách thức kỹ thuật vô cùng phức tạp trong nhà máy đóng gói chip tiên tiến. Tuy nhiên, mức điện trở suất này có yêu cầu luôn duy trì ở mức độ cao nhất cũng vô cùng hợp lý do chúng đảm bảo một môi trường cách điện hoàn hảo. Tuy nhiên, khi nguồn nước được chảy qua các đường ống nhựa đặc chủng hoặc xịt với áp lực cao trên bề mặt đĩa wafer trong quá trình rửa, chúng sẽ tạo ra hiện tượng ma sát tích tụ điện tích. Từ đó có thể xuất hiện hiện tượng phóng điện đột ngột, dẫn đến cháy các mạch bán dẫn bên trong chip. Để khắc phục hiện tượng này, các nguồn nước rửa thường sẽ được sục một lượng khí CO₂ nhất định nhằm hạ điện trở suất của nước xuống mức an toàn.

Một thách thức khác có thể nhắc đến đó là khả năng hòa tan các tạp chất tiếp xúc với nguồn nước cực tinh khiết. Chính vì vậy, các nhà máy đóng gói chip tiên tiến sẽ phải phát triển thêm một hạ tầng phân phối nước để tạo ra một vòng lặp tuần hoàn liên tục bằng vật liệu fluoropolymer, kết hợp với các bộ khử trùng EV và màng siêu lọc được đặt tại chính điểm sử dụng.

Nguồn nước tinh khiết là một trong những nguyên nhân tác động đến việc đầu tư các nhà đóng gói chíp tiên tiến

Hiện nay, tư duy của các nhà đầu tư đang dần thay đổi do sự phát triển bùng nổ của đóng gói chip tiên tiến. So với trước đây, các quốc gia có chi phí nhân công rẻ thường thu hút nhiều đầu tư trong các công đoạn đóng gói truyền thống do quy trình này thường không đòi hỏi quá khắt khe về cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, khi hệ thống đóng gói chíp tiên tiến được ra đời, các chủ đầu tư lớn như TSMC, Intel, hay ASE thường sẽ xem xét kỹ lưỡng và cẩn thận hơn.

Kết luận

Trong kỷ nguyên đóng gói chip tiên tiến, các tiêu chuẩn về điện trở suất trong nguồn nước cung cấp được xem là một lợi thế cạnh tranh để thu hút các chuỗi sản xuất giá trị cao trong chuỗi cung ứng toàn cầu.