晶圓級(jí)封裝的基本流程

介紹了晶圓級(jí)封裝的基本流程。本篇文章將側(cè)重介紹不同晶圓級(jí)封裝方法所涉及的各項(xiàng)工藝。晶圓級(jí)封裝可分為扇入型晶圓級(jí)芯片封裝(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圓級(jí)芯片封裝(Fan-Out WLCSP)、重新分配層(RDL)封裝、倒片(Flip Chip)封裝、及硅通孔(TSV)封裝。此外，本文還將介紹應(yīng)用于這些晶圓級(jí)封裝的各項(xiàng)工藝，包括光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝和濕法(Wet)工藝。

扇入型晶圓級(jí)芯片封裝工藝

在扇入型晶圓級(jí)芯片封裝中，合格晶圓首先將進(jìn)入封裝生產(chǎn)線(xiàn)。通過(guò)濺射工藝在晶圓表面制備一層金屬膜，并在金屬膜上涂覆一層較厚的光刻膠，光刻膠厚度需超過(guò)用于封裝的金屬引線(xiàn)。通過(guò)光刻工藝在光刻膠上繪制電路圖案，再利用銅電鍍工藝在曝光區(qū)域形成金屬引線(xiàn)。隨后去除光刻膠，并利用化學(xué)刻蝕(Chemical Etching)工藝去除多余的薄金屬膜，然后在晶圓表面制備絕緣層(Dielectric Layer)，并利用光刻工藝去除錫球(Solder Ball)放置區(qū)域的絕緣層。因此，絕緣層也被稱(chēng)為“阻焊層”(Solder Resist)，它是晶圓級(jí)芯片封裝中的鈍化層(Passivation Layer)，即最后的保護(hù)層，用于區(qū)分錫球放置區(qū)域。如沒(méi)有鈍化層，采用回流焊(Reflow Soldering)等工藝時(shí)，附著在金屬層上的錫球會(huì)持續(xù)融化，無(wú)法保持球狀。利用光刻工藝在絕緣層上繪制電路圖案后，再通過(guò)植球工藝使錫球附著于絕緣層。植球安裝完成后，封裝流程也隨之結(jié)束。對(duì)封裝完成的整片晶圓進(jìn)行切割后，即可獲得多個(gè)獨(dú)立的扇入型晶圓級(jí)芯片封裝體。

錫球植球工藝

▲圖1：晶圓級(jí)回流焊設(shè)備平面圖(? HANOL出版社)

在植球過(guò)程中，需要將錫球附著到晶圓級(jí)芯片封裝體上。傳統(tǒng)封裝工藝與晶圓級(jí)封裝工藝的關(guān)鍵區(qū)別在于，前者將錫球放置在基板上，而后者將錫球放置在晶圓頂部。因此，除了用于涂敷助焊劑和植球的模板需在尺寸上與晶圓保持一致之外，助焊劑涂敷、植球工藝、回流焊工藝都遵循相同步驟。

此外，回流焊設(shè)備采用基于發(fā)熱板的回流焊方式，如圖1所示，而不是涉及運(yùn)送器的對(duì)流熱風(fēng)回流焊方式(Convection Reflow)。晶圓級(jí)回流焊設(shè)備在不同的加工階段會(huì)對(duì)晶圓施加不同溫度，以便保持回流焊操作所需溫度條件，確保封裝工藝流程能夠順利進(jìn)行。

倒片封裝凸點(diǎn)工藝

倒片封裝體中凸點(diǎn)(Bump)是基于晶圓級(jí)工藝而完成的，而后續(xù)工序則與傳統(tǒng)封裝工藝相同。

▲圖2：倒片封裝工藝概覽

▲圖3：倒片封裝凸點(diǎn)制作工序

由于要確保凸點(diǎn)擁有足夠的高度，因此需選用能在晶圓上厚涂的光刻膠。銅柱凸塊(CPB)1需要先后經(jīng)歷銅電鍍和焊料電鍍兩道工序后形成，所使用的焊料通常為不含鉛的錫銀合金。電鍍完成后，光刻膠隨即被去除，并采用金屬刻蝕工藝去除濺射而成的凸點(diǎn)下金屬層(UBM)2，隨后通過(guò)晶圓級(jí)回流焊設(shè)備將這些凸點(diǎn)制成球形。這里采用的焊接凸點(diǎn)回流焊工藝可以最大限度減少各凸點(diǎn)的高度差，降低焊接凸點(diǎn)表面的粗糙度，同時(shí)去除焊料中自帶的氧化物，進(jìn)而保障在倒片鍵合過(guò)程中增加鍵合強(qiáng)度。

1銅柱凸塊(CPB)：用于倒片鍵合的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，旨在減少凸點(diǎn)間距。銅作為材料，被用于制作銅柱來(lái)承上方凸點(diǎn)。

2凸點(diǎn)下金屬層(UBM)：在倒片凸點(diǎn)下方形成的金屬層。

重新分配層封裝工藝

▲圖4：重新分配層封裝工藝概覽

▲圖5：重新分配層形成工序

利用重新分配層封裝工藝，在晶圓原本焊盤(pán)上形成新焊盤(pán)，以承載額外的金屬引線(xiàn)，此種工藝主要用于芯片堆疊。因此，如圖4所示，重新分配層工序之后的封裝工序遵循傳統(tǒng)封裝工序。在芯片堆疊過(guò)程中，每個(gè)單獨(dú)芯片都需重復(fù)進(jìn)行芯片貼裝和引線(xiàn)鍵合這兩道工序。

在重新分配層工藝中，首先通過(guò)濺射工藝創(chuàng)建一層金屬薄膜，之后在金屬薄膜上涂覆厚層光刻膠。隨后利用光刻工藝?yán)L制電路圖案，在電路圖案的曝光區(qū)域電鍍金層，以形成金屬引線(xiàn)。由于重新分配工藝本身就是重建焊盤(pán)的工藝，因此確保引線(xiàn)鍵合強(qiáng)度是十分重要的。這也正是被廣泛用于引線(xiàn)鍵合的材料—金，被用于電鍍的原因。

扇出型晶圓級(jí)芯片封裝工藝

在扇出型晶圓級(jí)芯片封裝工藝中，首先需要在等同于晶圓形狀的載片上貼附一層薄膜。切割晶圓后，再按照一定間距將優(yōu)質(zhì)芯片貼在薄膜上，接下來(lái)對(duì)芯片間隔區(qū)域進(jìn)行模塑，以形成新形狀。晶圓模塑完成后，載片和薄膜將被移除。隨后在新形成的晶圓上，利用晶圓設(shè)備創(chuàng)建金屬導(dǎo)線(xiàn)，并附著錫球以便封裝。最后，將晶圓切割成多個(gè)獨(dú)立封裝體。

晶圓模塑

制作扇出型晶圓級(jí)芯片封裝體時(shí)，晶圓模塑是一項(xiàng)重要工序。對(duì)于扇出型晶圓級(jí)芯片封裝件而言，晶圓塑膜需先在芯片上貼附同樣形狀的晶圓載片，而后將其放置到模塑框架中。將液狀、粉狀或顆粒狀的環(huán)氧樹(shù)脂模塑料(EMC)3加入到模塑框架內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行加壓和加熱處理來(lái)塑膜成型。晶圓模塑不僅是扇出型晶圓級(jí)芯片封裝工藝的重要工序，對(duì)于利用硅通孔(TSV)工藝制作已知合格堆疊芯片(KGSD)4也是無(wú)可或缺的工序。本篇文章的后續(xù)內(nèi)容，將對(duì)此展開(kāi)更詳細(xì)的探討。

3環(huán)氧樹(shù)脂模塑料(EMC)：一種基于環(huán)氧樹(shù)脂或熱固性聚合物的散熱材料。這種材料可用于密封半導(dǎo)體芯片，以避免芯片受到外部環(huán)境因素影響，如高溫、潮濕、震動(dòng)等。

4已知合格堆疊芯片(KGSD)：經(jīng)過(guò)測(cè)試確認(rèn)質(zhì)量良好的由堆疊芯片組成的產(chǎn)品，最好的例子就是 HBM。

審核編輯：湯梓紅