《晶圆级封装技术》
晶圆级封装的工艺流程_概述说明
晶圆级封装的工艺流程概述说明1. 引言1.1 概述晶圆级封装是一种先进的封装技术，它将多个组件和集成电路(IC) 封装在同一个晶圆上，从而提高了芯片的集成度和性能。
相比传统的单芯片封装方式，晶圆级封装具有更高的密度、更短的信号传输路径和更低的功耗。
因此，晶圆级封装已经成为微电子领域中一项重要且不断发展的技术。
1.2 文章结构本文将对晶圆级封装的工艺流程进行全面地概述说明。
首先，在引言部分，我们将对该主题进行简要概述并介绍文章结构。
接下来，在第二部分中，我们将详细阐述晶圆级封装的工艺概述以及相关的工艺步骤、特点与优势。
然后，在第三部分中，我们将探讨实施晶圆级封装工艺时需要考虑的关键要点，包括设计阶段、加工阶段和测试与质量管控方面的要点与技术要求。
在第四部分中，我们将介绍晶圆级封装工艺流程中常见问题及其解决方法，并提出提高封装可靠性的方法和策略，以及工艺流程改进与优化的建议。
最后，在第五部分中，我们将总结回顾晶圆级封装工艺流程，并展望未来晶圆级封装技术的发展方向和趋势。
1.3 目的本文的目的是全面介绍晶圆级封装的工艺流程，提供读者对该领域较为详细和系统的了解。
通过对每个章节内容的详细阐述，读者可以获得关于晶圆级封装工艺流程所涉及到的各个方面的知识和技术要求。
同时，通过对常见问题、解决方法以及未来发展方向等内容的探讨，读者可以更好地理解该技术在微电子领域中的重要性，并为相关研究和应用提供参考。
2. 晶圆级封装的工艺流程：2.1 工艺概述：晶圆级封装是一种先将芯片进行封装，然后再将封装好的芯片与其他组件进行连接的封装技术。
其主要目的是提高芯片的集成度和可靠性，并满足不同应用领域对芯片包装技术的需求。
晶圆级封装工艺拥有多个步骤，其中包括材料准备、焊膏印刷、IC贴装、回流焊接等过程。
2.2 工艺步骤：（1）材料准备：首先需要准备好用于晶圆级封装的相关材料，如底部基板、球柵阵列（BGA）、波士顿背面图案（WLCSP）等。
晶圆级封装: 热机械失效模式和挑战及整改建议
晶圆级封装: 热机械失效模式和挑战及整改建议2022/4/23WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圆级封装)的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。
晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。
本文旨在于介绍这种新封装技术的特异性，探讨最常见的热机械失效问题，并提出相应的控制方案和改进方法。
晶圆级封装技术虽然有优势，但是存在特殊的热机械失效问题。
很多实验研究发现，钝化层或底层破裂、湿气渗透和/或裸片边缘离层是晶圆级封装常见的热机械失效模式。
此外，裸片边缘是一个特别敏感的区域，我们必须给予更多的关注。
事实上，扇入型封装裸片是暴露于空气中的（裸片周围没有模压复合物覆盖），容易被化学物质污染或发生破裂现象。
所涉及的原因很多，例如晶圆切割工序未经优化，密封环结构缺陷(密封环是指裸片四周的金属花纹，起到机械和化学防护作用)。
此外，由于焊球非常靠近钝化层，焊球工序与线路后端栈可能会相互影响。
本文采用FEM(Finite Element Method，有限元法)方法分析应力，重点放在扇入型封装上。
我们给出了典型的应力区域。
为降低机械失效的风险，我们还简要介绍了晶圆级封装的特异性。
在描述完机械失效后，我们还对裸片和钝化边缘进行了全面的分析。
分析结果显示，钝化边缘产生最大应力，这对沉积策略(直接或锥体沉积方法)和边缘位置提出了要求。
此外，研究结果还显示，必须降低残余应力，并提高BEoL(线路后端)的钝化层厚度。
1. 前言和背景晶圆级封装的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。
晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。
双层电介质、RDL(ReDistribution Layer, 重新布线层)、UBM (可焊接薄层，用于焊球底部金属化)和焊球都位于标准BEoL栈之上。
因此，这些层级扩展了传统晶片制程(多层沉积薄膜配合光刻工艺)范围。
晶圆级扇出型封装工艺详解
扇出型晶圆级封装技术采取在芯片尺寸以外的区域做I/O接点的布线设计，提高I/O接点数量。
采用RDL工艺让芯片可以使用的布线区域增加，充分利用到芯片的有效面积，达到降低成本的目的。
扇出型封装技术完成芯片锡球连接后，不需要使用封装载板便可直接焊接在印刷线路板上，这样可以缩短信号传输距离，提高电学性能。
扇出型晶圆级封装技术的优势在于能够利用高密度布线制造工艺，形成功率损耗更低、功能性更强的芯片封装结构，让系统级封装（System in a Package, SiP）和3D芯片封装更愿意采用扇出型晶圆级封装工艺。
第一代FOWLP技术是由德国英飞凌（Infineon）开发的嵌入式晶圆级球栅阵列（Embedded Wafer Level Ball Grid Array, eWLB）技术（见图1），随后出现了台积电（TSMC）的整合式扇出型晶圆级封装（Integrated Fan-Out Package, InFO）技术和飞思卡尔（Freescale）的重分布芯片封装（Redistributed Chip Package, RCP）技术等。
由于其成本相对较低，功能性强大，所以逐步被市场接受，例如苹果公司（Apple）已经在A12处理器采用扇出型封装进行量产。
同时其不仅在无线领域发展迅速，现在也正渗透进汽车和医疗应用，相信未来我们生活中的大部分设备都会采用扇出型晶圆级封装工艺。
图1 英飞凌eWLB工艺技术示例图传统的封装技术如倒装封装、引线键合等，其信号互连线的形式包括引线、通孔、锡球等复杂的互连结构。
这些复杂的互连结构会影响芯片信号传输的性能。
在扇出型封装中（见图2），根据重布线的工序顺序，主要分为先芯片（Chip first）和后芯片（Chip last）两种工艺，根据芯片的放置方式，主要分为面朝上（Face up）和面朝下（Face down）两种工艺，综合上述四种工艺，封装厂根据操作的便利性，综合出以下三种组合工艺，分别是面朝上的先芯片处理（Chip first-face up）、面朝下的先芯片处理（Chip first-face down）和面朝下的后芯片处理（Chip last-face down）。
晶圆级封装(WLP)方案(一)
晶圆级封装（WLP）方案一、实施背景随着微电子产业的快速发展，封装技术正面临着严峻的挑战。
传统的封装技术由于尺寸大、电性能和热性能较差等问题，已经难以满足高性能集成电路的封装需求。
而晶圆级封装（WLP）技术的出现，为产业结构的改革提供了新的解决方案。
二、工作原理晶圆级封装（WLP）是一种将集成电路直接封装在晶圆片上的技术。
它通过在晶圆片上制造出多个集成电路，然后通过切割和封装，将这些集成电路分别封装在独立的封装体中。
具体来说，WLP技术首先在晶圆片上制造出多个集成电路，这些集成电路可以是数字电路、模拟电路、混合信号电路等。
然后，使用切割机将晶圆片切割成单个集成电路，再将这些集成电路分别封装在独立的封装体中。
三、实施计划步骤1.设备采购：需要采购制造集成电路所需的设备，如光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等。
2.工艺研发：需要研发适合WLP技术的制造工艺，包括光刻工艺、刻蚀工艺、薄膜沉积工艺等。
3.样品制作：在研发阶段，需要制作样品以验证工艺的可行性。
4.测试与验证：对制作的样品进行测试和验证，确保其性能符合要求。
5.批量生产：当样品测试通过后，可以开始批量生产。
四、适用范围WLP技术适用于各种高性能集成电路的封装，如CPU、GPU、FPGA等。
它具有以下优点：1.体积小：由于WLP技术将集成电路直接封装在晶圆片上，因此可以大大减小封装体积。
2.电性能和热性能优异：WLP技术可以提供更好的电性能和热性能，从而提高集成电路的性能和可靠性。
3.制造成本低：由于WLP技术可以在晶圆片上制造多个集成电路，因此可以分摊制造成本，降低单个集成电路的制造成本。
4.可扩展性强：WLP技术可以轻松扩展到更大的晶圆尺寸和更高的产量。
五、创新要点1.制造工艺的创新：WLP技术需要研发适合其特点的制造工艺，包括光刻工艺、刻蚀工艺、薄膜沉积工艺等。
2.封装技术的创新：WLP技术需要开发新的封装技术，以实现集成电路的高性能、小型化和可靠性。
扇出型晶圆级封装技术国内外对比
扇出型晶圆级封装技术国内外对比
扇出型晶圆级封装技术（Fan-Out Wafer Level Packaging，FOWLP）是一种先进的封装技术，它将多个芯片集成在一个封装体内，以提高系统的性能和可靠性。
这种技术特别适用于便携式消费电子领域，如智能手机、平板电脑等。
在国内外对比方面，扇出型晶圆级封装技术的发展都呈现出蓬勃的态势。
国内方面，随着半导体产业的快速发展，一些企业如中芯长电、盛合晶微等已经开始投入研发和生产扇出型晶圆级封装技术。
其中，盛合晶微在2022年8月份正式投产了RDL重布线扇出型晶圆级封装产线，这标志着在国内率先成功实现以晶圆级扇出封装代替传统的基板封装。
与此同时，国外在扇出型晶圆级封装技术方面也取得了显著的进展。
例如，Amkor和日月光（ASE）等封测代工厂已经能够提供封装尺寸为1×1mm～12×12mm的扇出封装技术，并正在研发更大尺寸的封装技术。
此外，一些国际知名的半导体企业如英飞凌（Infineon）、高通等也在积极投入研发和生产扇出型晶圆级封装技术。
在技术方面，国内外都面临着一些挑战。
例如，封装厚度的减薄、异质材料间热膨胀系数（CTE）失配导致的晶圆翘曲（Warpage）、加热冷却、晶圆模塑化合物膨胀收缩导致芯片偏移（Die shift）以及多道制程累积的残余应力导致材料间界面分层甚至破裂等问题都需要解决。
此外，焊点实现芯片和PCB板互连是整个封装结构中最关键、薄弱的地方，也是技术研发的重点之一。
总体来说，国内外在扇出型晶圆级封装技术方面都取得了显著的进展，但仍需要不断研发和创新来克服技术挑战和提高封装性能。
晶圆级封装凸块技术
晶圆级封装凸块技术
晶圆级封装凸块技术是一种将芯片封装成凸块形式的封装技术。
在这种技术中，芯片被封装在一个小型的塑料凸块（也称为“衬底”）中，然后通过焊点或金线连接到外部电路板上。
晶圆级封装凸块技术有以下几个特点和优势：
1. 封装密度高：晶圆级封装凸块技术可以将多个芯片封装在一个凸块中，从而实现高密度封装，提高系统集成度和性能。
2. 热传导性好：由于凸块与芯片之间的接触面积大，热传导性能好，可以有效降低芯片的工作温度，提高芯片的可靠性和寿命。
3. 尺寸小：晶圆级封装凸块技术可以将芯片封装在非常小的凸块中，使得封装后的芯片尺寸更小，适用于高集成度和小型化的电子产品。
4. 成本低：相对于传统的封装技术，晶圆级封装凸块技术可以通过批量生产来降低成本，从而提高产品的竞争力和市场份额。
晶圆级封装凸块技术在集成电路封装领域具有广泛的应用前景，可以用于各种电子产品，如智能手机、平板电脑、移动设备等。
晶圆级封装(WLP)优势
晶圆级封装（WLP）优势晶圆级封装（WLP）以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP(芯片级封装)，充分体现了BGA、CSP的技术优势。
它具有许多独特的优点。
晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP）采用传统的IC工艺一次性完成后道几乎所有的步骤，包括装片、电连接、封装、测试、老化，所有过程均在晶圆加工过程中完成，之后再划片，划完的单个芯片即是已经封装好的成品；然后利用该芯片成品上的焊球阵列，倒装焊到PCB板上实现组装。
WLP的封装面积与芯片面积比为1：1，而且标准工艺封装成本低，便于晶圆级测试和老化。
晶圆级封装以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP，充分体现了BGA、CSP的技术优势。
它具有许多独特的优点：（1）封装加工效率高，它以晶圆形式的批量生产工艺进行制造；（2）具有倒装芯片封装的优点，即轻、薄、短、小；图5 WLP的尺寸优势（3）晶圆级封装生产设施费用低，可充分利用晶圆的制造设备，无须投资另建封装生产线；（4）晶圆级封装的芯片设计和封装设计可以统一考虑、同时进行，这将提高设计效率，减少设计费用；（5）晶圆级封装从芯片制造、封装到产品发往用户的整个过程中，中间环节大大减少，周期缩短很多，这必将导致成本的降低；（6）晶圆级封装的成本与每个晶圆上的芯片数量密切相关，晶圆上的芯片数越多，晶圆级封装的成本也越低。
晶圆级封装是尺寸最小的低成本封装。
晶圆级封装技术是真正意义上的批量生产芯片封装技术。
WLP的优势在于它是一种适用于更小型集成电路的芯片级封装（CSP）技术，由于在晶圆级采用并行封装和电子测试技术，在提高产量的同时显著减少芯片面积。
由于在晶圆级采用并行操作进行芯片连接，因此可以大大降低每个I/O的成本。
此外，采用简化的晶圆级测试程序将会进一步降低成本。
利用晶圆级封装可以在晶圆级实现芯片的封装与测试。
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mems晶圆级封装
mems晶圆级封装mems晶圆级封装是一种先进的封装技术，用于封装微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的晶圆级封装。
MEMS晶圆级封装具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等特点，被广泛应用于微机电传感器、微机电执行器和微机电系统等领域。
MEMS晶圆级封装的主要目的是将MEMS器件封装在晶圆级别上，以提高封装密度和可靠性。
传统的MEMS封装往往需要将MEMS 器件单独封装起来，然后再与电路板连接。
而MEMS晶圆级封装则将MEMS器件直接封装在晶圆上，可以在晶圆级别上进行测试、封装和组装，从而大大提高了封装效率和产品质量。
MEMS晶圆级封装的关键技术包括封装工艺、封装材料和封装结构。
封装工艺是指将MEMS器件与晶圆进行精密的对位、粘接和封装等工艺。
封装材料则需要具备良好的粘接性、密封性和耐腐蚀性，以保护MEMS器件免受外界环境的影响。
封装结构则需要根据MEMS器件的特点和应用需求设计，以实现最佳的性能和可靠性。
MEMS晶圆级封装的优势主要体现在以下几个方面：MEMS晶圆级封装可以实现高集成度。
由于MEMS器件直接封装在晶圆上，可以实现多个MEMS器件在同一晶圆上的集成，从而大大提高了封装密度和系统集成度。
这对于一些对尺寸和重量要求较高的应用非常有利。
MEMS晶圆级封装可以提高封装效率。
由于MEMS器件在晶圆级别上进行封装，可以通过自动化的生产线进行大规模的生产，大大提高了封装效率和生产能力。
这对于工业化生产和大规模应用非常重要。
MEMS晶圆级封装可以提高产品质量和可靠性。
由于MEMS器件在晶圆级别上进行测试、封装和组装，可以及时发现和修复封装过程中的问题，从而提高了产品质量和可靠性。
这对于一些对产品质量和可靠性要求较高的应用非常关键。
MEMS晶圆级封装还可以降低成本。
由于MEMS晶圆级封装可以实现高集成度和高封装效率，可以大幅降低封装成本。
这对于一些对成本要求较高的应用非常有利。
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凸点制作技术
凸点制作是圆片级封装工艺 过程的关键工序,它是在晶圆片 的压焊区铝电极上形成凸点。圆 片级封装凸点制作工艺常用的方 法有多种, 每种方法都各有其优 缺点, 适用于不同的工艺要求。 要使圆片级封装技术得到更广泛 的应用, 选择合适的凸点制作工 艺极为重要。在晶圆凸点制作中 ，金属沉积占到全部成本的50% 以上。晶圆凸点制作中最为常见 的金属沉积步骤是凸点下金属化 层（ UBM）的沉积和凸点本身的 沉积，一般通过电镀工艺实现。
最后一道金属层是 UBM （Under Bump Metalization ，球下金属层），采用和RDL 一样的工艺流程制作。
植球。顺应无铅化环保的要求，目前应用在WLP 的焊 料球都是锡银铜合金。焊料球的直径一般为250μm。 为了保证焊膏和焊料球都准确定位在对应的UBM 上， 就要使用掩模板。焊料球通过掩模板的开孔被放置于 UBM 上，最后将植球后的硅片推入回流炉中回流，焊 料球经回流融化与UBM 形成良好的浸润结合。
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所示为典型的晶圆凸点制作 的工艺流程。 首先在晶圆上完成UBM 层的 制作。然后沉积厚胶并曝光， 为电镀焊料形成模板。电镀 之后，将光刻胶去除并刻蚀 掉暴露出来的UBM 层。最后 一部工艺是再流，形成焊料 球。
电镀技术可以实现很窄的凸点 节距并维持高产率。并且该项技 术应用范围也很广，可以制作不 同尺寸、节距和几何形状的凸点 ，电镀技术已经越来越广泛地在 晶圆凸点制作中被采用，成为最 具实用价值的方案。
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不同的WLP 结构
•第一种是ball on I/O 结构，如 图(a)所示。这种工艺和典型的 倒装工艺相类似。焊球通过焊点 下金属层与铝盘直接相连 图(a） 或者通过再布线层 （redistribution layer, RDL） 与Si 芯片直接相连（图(a)2）。 •通常情况下，这种结构限制在焊 球间距为0.5 mm 的6×6 阵列结 构，以满足热循环可靠性的要求。
少中间环节，缩短生产周期很多，导致成本的降低； 圆片级封装的成本与每个圆片上的芯片数量密切相关，圆片上的芯片
数越多，圆片级封装的成本也越低。圆片级封装是尺寸最小的低成本 封装。
WLP封装的优势
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圆片级封装技术的优势 使其一出现就受到极大的关注并 迅速获得巨大的发展和广泛的应 用。在移动电话等便携式产品中 ，已普遍采用圆片级封装型的 EPROM、IPD(集成无源器件)、模 拟芯片等器件。圆片级封装技术 已广泛用于闪速存储器、EEPROM 、高速DRAM、SRAM、LCD 驱动器 、射频器件、逻辑器件、电源/ 电池管理器件和模拟器件(稳压 器、温度传感器、控制器、运算 放大器、功率放大器) 等领域。
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薄膜再分布技术
一种典型的再分布工艺，最终形成 的焊料凸点呈面阵列布局，该工艺 中，采用 BCB /PI作为再分布的介 质层，Cu 作为再分布连线金属，采 用溅射法淀积凸点底部金属层 （ UBM），丝网印刷法淀积焊膏并 回流。
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圆片级封装4M 工艺流程图
涂布第一层聚合物薄膜（Polymer Layer），以加强 芯片的钝化层（Passivation），起到应力缓冲的作 用。目前最常用的聚合物薄膜是光敏性聚酰亚胺（ Photo-sensitive Polyimide），简称PI，是一种负 性胶。
早期的WLP 选用BCB（Benzocyclobutene,苯并环丁烯 ）作为重布线的聚合物薄膜，但受制于低机械性能（ 低断裂伸长率和拉伸强度） 和高工艺成本（需要打 底粘合层adhesion promoter）， 促使材料商开发PI 和PBO（Polybenzoxazole，聚苯并噁唑）。
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封装加工效率很高，它以圆片形式的批量生产工艺进行制造； 具有倒装芯片的优点，即轻、薄、短、小； 圆片级封装生产设备费用低，可利用圆片的制造设备，无须投资另建
新的封装生产线； 圆片级封装的芯片设计和封装设计可以统一考虑、并同时进行，这将
提高设计效率，减少设计费用； 圆片级封装从芯片制造、封装到产品发往用户的整个过程中，大大减
重布线层（RDL）的目的是对芯片的铝焊区 位置进行重新布局，使新焊区满足对焊料球 最小间距的要求，并使新焊区按照阵列排布 。
常见的RDL 材料是电镀铜（plated Cu）辅 以打底的钛、铜溅射层（Sputtered Ti/Cu） 。
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RDL 对焊区重新分配布局
涂布第二层Polymer，使圆片表面平坦化并保护RDL 层。第二层Polymer经过光刻后开出新焊区的位置。
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第二种结构如图(b)所示，焊球 置于在RDL 层上，并通过2 层聚 合物介质层与Si 芯片相连，此 种结构中没有焊点下金属层。两 层聚合物层作为钝化和再布线层 。这种结构不同于第一种结构， 尽管两种结构均有再布线层。如 图b所示，高分子介电薄膜层置 于焊球和硅衬底。这种高分子层 能够作为缓冲层来降低由于温度 变化所引起的PCB 和硅的热失配 产生的热-机械应力。这种WLP 结构能拓展到间距为0.5 mm 的 12×12焊球阵列。
晶圆级封装（WLP）
晶圆级封装简介 晶圆级封装基本工艺 晶圆级封装的研究进展和发展趋势
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晶圆级封装（Wafer Level Package,WLP)是以BGA技术为基 础，是一种经过改进和提高的CSP技术。有人又将WLP称为圆片 级—芯片尺寸封装（WLP-CSP）。圆片级封装技术以圆片为加工 对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切 割成单个器件，可以直接贴装到基板或印刷电路板上。它可以使 封装尺寸减小至IC 芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。
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电镀制作凸点的详细工艺步骤
圆片级封装的研究进展
标准WLP（fan-in WLP）是 在晶圆未进行切片前，对 芯片进行封装，之后再进 行切片分割，完成后的封 装大小和芯片的尺寸相同 。
近几年开发出的扩散式WLP （fan-out WLP）则是基于 晶圆重构技术，将芯片重 新布置到一块人工晶圆上 ，然后按照与标准WLP 工 艺类似的步骤进行封装， 得到的封装面积要大于芯 片面积。