晶圓級(jí)WLP封裝植球機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要

晶圓級(jí)WLP微球植球機(jī)是高端IC封裝的核心設(shè)備之一，晶圓上凸點(diǎn)（Bump）的制作是關(guān)鍵技術(shù)。闡述了WLP封裝工藝流程，對(duì)三種晶圓級(jí)封裝凸點(diǎn)制作技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。分析了WLP微球植球機(jī)工作流程，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，包括X-Y-Z-θ植球平臺(tái)、金屬模板印刷和植球。最后在自主研制的半自動(dòng)晶圓級(jí)微球植球機(jī)WMB-1100上進(jìn)行了印刷和植球?qū)嶒?yàn)，通過(guò)對(duì)設(shè)備工藝參數(shù)的調(diào)整，取得了良好的印刷和植球效果。

0 引言

晶圓級(jí)封裝（Wafer Lever Package，WLP）是以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，將百微米級(jí)的焊錫球放置到刻好電路的晶圓上，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP。WLP封裝具有較小封裝尺寸與較佳電性表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，目前多應(yīng)用于輕薄短小的消費(fèi)性IC的封裝應(yīng)用。

微球植球機(jī)是晶圓級(jí)封裝工藝中的必備核心設(shè)備之一。在WLP工藝中，晶圓上凸點(diǎn)（Bump）的制作是關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)，國(guó)內(nèi)中電科技24所、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位研究了WLP封裝中電鍍凸點(diǎn)方式；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)研究了激光植球技術(shù)，主要應(yīng)用于BGA器件修復(fù)；合肥工業(yè)大學(xué)對(duì)BGA基板植球進(jìn)行了研究。本文針對(duì)晶圓凸點(diǎn)制作的金屬模板印刷和植球方式，研究WLP封裝工藝和WLP植球機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，并在自主研制的半自動(dòng)晶圓級(jí)微球植球機(jī)進(jìn)行植球?qū)嶒?yàn)，晶圓尺寸12inch，焊錫球直徑250um。晶圓級(jí)植球技術(shù)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制為高端芯片封裝裝備國(guó)產(chǎn)化提供從技術(shù)理論到實(shí)踐應(yīng)用的參考。

1 WLP封裝工藝

晶圓級(jí)封裝，是屬于芯片尺寸封裝（CSP）的一種。所謂芯片尺寸封裝是當(dāng)芯片（Die）封裝完畢后，其所占的面積小于芯片面積的120%。晶圓級(jí)封裝與傳統(tǒng)封裝工藝不同，傳統(tǒng)封裝將芯片上壓點(diǎn)和基座上標(biāo)準(zhǔn)壓點(diǎn)連接的集成電路封裝都是在由晶圓上分離出來(lái)的芯片上進(jìn)行的，這種工藝造成了前端晶圓制造工藝與用于生產(chǎn)最終集成電路的后端裝配和封裝的自然分離。晶圓級(jí)封裝是在在完成封裝和測(cè)試后，才將晶圓按照每一個(gè)芯片的大小來(lái)進(jìn)行切割，統(tǒng)一前端和后端工藝以減少工藝步驟，封裝后的體積與IC裸芯片尺寸幾乎相同，能大幅降低封裝后的IC尺寸，是真正意義上的芯片尺寸封裝。一片12inch的晶圓上一般有750～1500個(gè)裸片，與單個(gè)芯片封裝相比，每個(gè)裸片的封裝成本可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。晶圓級(jí)芯片封裝工藝流程如圖1所示。

2 WLP植球技術(shù)

晶圓級(jí)封裝采用凸點(diǎn)技術(shù)（Bumping）作為其I/O電極，晶圓上形成凸點(diǎn)有三種方式：電鍍方式、印刷錫膏方式和植球方式，三種方式的比較如表1所示。

鑒于電鍍方式和印刷錫膏方式的缺點(diǎn)，業(yè)界一直在尋找替代解決方案，晶圓級(jí)植球技術(shù)的突破恰好滿足了這一需求，并且隨著多層堆疊技術(shù)(MCM)的發(fā)展，要求晶圓與晶圓間具有高精度的多引腳的100um級(jí)的互聯(lián)，晶圓級(jí)植球技術(shù)可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)。

下面分析晶圓級(jí)微球植球機(jī)工作過(guò)程：

1）上料機(jī)械手對(duì)晶圓盒（Cassette）中的晶圓進(jìn)行檢測(cè)（Mapping）；

2）將晶圓取出放置到晶圓預(yù)對(duì)位裝置（Aligner)上進(jìn)行對(duì)位；

3）然后機(jī)械手將晶圓放置于X-Y-Z-θ植球平臺(tái)上；

4 ）利 用超 精密 金屬 模板 印刷 技術(shù) 將助 焊劑（Flux）涂敷在晶圓的焊盤(pán)上；

5）利用金屬模板植球技術(shù)手動(dòng)或自動(dòng)將焊錫球放置于晶圓上；

6）最后將植球后的晶圓收回晶圓盒。

3 WLP植球?qū)嶒?yàn)

本次植球?qū)嶒?yàn)在自主研制的半自動(dòng)晶圓級(jí)微球植球機(jī)進(jìn)行，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)晶圓尺寸12inch，焊錫球直徑250um。

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

印刷：根據(jù)刮刀長(zhǎng)度在金屬模板印刷初始位置涂抹適量助焊劑，調(diào)整刮刀氣缸壓強(qiáng)，設(shè)定為0.12MPa。CCD相機(jī)對(duì)Table上晶圓和金屬模板光學(xué)定位點(diǎn)（Mark點(diǎn)）進(jìn)行對(duì)中，然后執(zhí)行印刷，如圖6所示。

植球：植球定位與印刷定位一樣，由于本次實(shí)驗(yàn)的12inch晶圓一次植球量多，為節(jié)省焊錫球，在晶圓上取五塊具有代表性的區(qū)域，使用塑料刮板刮球，使焊錫球通過(guò)金屬模板網(wǎng)孔落入對(duì)應(yīng)晶圓上的膠點(diǎn)，如圖7所示。

參數(shù)調(diào)整：在三次元影像測(cè)量?jī)x上觀察印刷和植球效果，如圖8所示。然后進(jìn)行晶圓與金屬模板的X,Y,θ方向的精細(xì)調(diào)整，反復(fù)對(duì)設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到得到滿意的印刷和植球效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次印刷和植球?qū)嶒?yàn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終設(shè)備的印刷和植球效果如圖9、圖10所示，兩圖分別為在三次元影像測(cè)量?jī)x上觀察到的晶圓單個(gè)裸片Die的印刷膠點(diǎn)和焊錫球圖，誤差在1/2焊錫球球徑范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

晶圓級(jí)封裝植球裝備是高端IC封裝的關(guān)鍵設(shè)備之一，封裝工藝和關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于設(shè)備的研制十分必要。大行程、高精度植球平臺(tái)是基礎(chǔ)工作單元，完成晶圓的傳送和定位，金屬模板印刷和植球工藝需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累。通過(guò)自主研發(fā)的半自動(dòng)晶圓級(jí)微球植球機(jī)WMB-1100實(shí)驗(yàn)，取得了良好的植球效果。晶圓級(jí)微球植球技術(shù)及裝備的研制可以提高我國(guó)在高端IC封裝領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

劉勁松 時(shí)威 張金志 （1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司）

審核編輯：湯梓紅