封装工艺中的晶圆级封装技术

文章来源：鲜枣课堂

原文作者：小枣君

本文介绍了先进封装技术中的晶圆级封装技术。

晶圆级封装

我们看下一个先进封装的关键概念——晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP）。

传统封装，是先切割晶圆，再封装。

而晶圆级封装的核心逻辑，是在晶圆上直接进行封装，然后再切割，变成芯片。

举个例子：传统封装，是先把大面团切成一块块，然后分别烘烤成蛋糕，分给大家吃。而晶圆级封装，是先烤一个大蛋糕，然后切成一块块，分给大家吃。

从更广泛的意义上讲，任何在晶圆这一层级进行全部或部分加工的封装，都可以被认为是晶圆级封装。

晶圆级封装出现于2000年左右，是半导体产业追求更高效率、更低成本的产物。

在晶圆上进行封装过程，能够带来以下好处：

1、由于侧面未涂覆封装材料，因此封装后的芯片尺寸较小。晶圆上，晶粒的密度更高，平均成本更低。

2、方便批量生产制造芯片，缩短工期，总体成本也比较低。

3、芯片设计和封装设计可以统一考虑，提升设计效率，降低设计成本。

晶圆级封装，可以分为：扇入型晶圆级封装（Fan-In WLP）和扇出型晶圆级封装（Fan-Out WLP）。

这里的“扇（Fan）”，指的是芯片的尺寸。

我们分别来介绍。

· 扇入型WLP（FIWLP）

早期的WLP，多采用扇入型。扇入型的封装布线、绝缘层以及锡球，都位于晶圆的顶部。封装后的尺寸，和芯片尺寸是相同的。

芯片面积与封装面积之比超过1:1.14的封装，是CSP（芯片级封装）。扇入型WLP都1:1了，显然也属于CSP。所以，由扇入型晶圆级封装技术制成的封装，也称为晶圆级芯片级封装（WLCSP）。

扇入型WLP，通常可以分为BOP（Bump On Pad，垫上凸点）和RDL（ReDistribution Layer，重布线层）两种方式。

BOP封装的结构非常简单，Bump（凸点）直接构建在Al pad（铝衬板）的上面。如果Bump的位置远离Al pad，那么，就需要通过借助RDL技术，将Bump与Al pad进行连接。

大名鼎鼎的RDL，终于出现了。

我们需要单开一节，专门介绍一下它。

· RDL

RDL的全称，是ReDistribution Layer（重布线层）。

RDL是晶圆级封装（WLP）的核心技术，也是后面2.5D/3D立体封装的核心技术。在先进封装里，它占有重要地位。

它是在晶粒下面的中介层上进行重新布线，实现I/O端口的重新布局。

简单来说，它就像我们平时看到的PCB电路板。只不过，真正的PCB板是在芯片的外面，把各个成品芯片和元器件连起来。

而RDL，是封装内部的“PCB板”，方便了XY平面（横向平面）的电气延伸和互联。它提升了封装内部电气连接的灵活性，能够让芯片内部布局更合理、更紧凑。

基于RDL，晶圆芯片上的“细间距”外围阵列，可以变成“更大间距”阵列。

基于之前晶圆制造的文章，大家会发现，RDL很像晶粒内部的金属连线（立交桥）。

晶粒内的金属沉积

是的，RDL的工艺，和晶圆制作流程中的“盖楼”流程差不多（可以参考晶圆制作的那期），主要就是光刻、涂胶显影、刻蚀、溅射沉积、电镀铜等工艺。

RDL也属于将晶圆制造（前道）工艺降维到封装（后道）中使用。和凸点一样，也是中道工序。

目前，主流的RDL工艺有两种：

第一种，是基于感光高分子聚合物，并结合电镀铜与刻蚀工艺实现。

1、在晶圆表面涂覆一层聚合物薄膜，可选的聚合物材料包括光敏聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）以及聚苯并恶唑（PBO）。这是为了增强芯片的钝化层并起到应力缓冲的作用。

2、加热固化后，使用光刻工艺在所需位置进行开孔，之后进行刻蚀。

3、通过物理气相沉积工艺（PVD），溅射Ti（钛）与Cu（铜），分别作为阻挡层与种子层。

4、再来一波光刻、刻蚀工艺，把RDL层的空间给挖出来。

5、通过电镀Cu工艺，在暴露出的Ti/Cu层上制造第一层RDL。（注意，电镀是将电解质溶液中的金属离子还原为金属并沉积在晶圆表面。）

6、去除掉光刻胶，并刻蚀掉多余的Ti/Cu。

7、涂覆第二层聚合物薄膜，使圆片表面平坦化并保护RDL层。

8、重复上述步骤，制作多层RDL结构。

另一种工艺，是采用Cu大马士革工艺结合PECVD与CMP工艺实现。

大致流程：

1、先采用PECVD工艺，沉积SiO2或Si3N4，作为绝缘层。

2、利用光刻与反应离子刻蚀，在绝缘层上形成窗口。

3、分别溅射Ti/Cu的阻挡/种子层以及导体铜，和刚才工艺一样。

4、采用CMP（化学机械研磨，之前介绍过的）工艺，将导体层减薄至所需厚度，形成了一层RDL或通孔层。

5、重复上述步骤，制作多层RDL结构。

基于大马士革工艺制作的多层RDL内部构架

第二种工艺需要采用CMP，制造成本比第一种高。在行业里，第一种用得比较多。

制作完RDL之后，是制作UBM（凸点下金属层），工艺和RDL相似。

制作完UBM之后，通过掩膜板准确定位焊膏和焊料球，并将其放置于UBM上。

随后，进行回流，使焊料与UBM形成良好的浸润结合，从而确保达到理想的焊接效果。

综合以上步骤，扇入型WLP的大致工艺流程如下：

1、完成RDL布线，方便将I/O引出至方便焊接的位置。

2、对晶圆进行减薄加工。

3、在RDL层所连接的金属焊盘上，进行植球。

4、对晶圆进行切割，得到独立的芯片。

5、完成FT测试，出厂。

过去的20多年，扇入型WLP广泛应用于移动、便携式和消费类产品。特别是低I/O引脚数（≤200）、小芯片尺寸（≤ 6mm x 6 mm）、低成本、低端、薄型和大容量应用的半导体器件，使用这种封装比较多。

· 扇出型WLP（FOWLP）

扇入型WLP虽然面积小，但是支持的I/O引脚数也少。随着时间的推移，芯片的I/O引脚数逐渐增加，扇入型WLP无法满足要求。于是，就有了扇出型WLP（FOWLP）。

Fan-In WLP与Fan-Out WLP

扇出型WLP中，RDL可以向外延伸布线。这样一来，封装的面积大于晶粒的面积，I/O引脚数可以更多，引脚间距也宽松。

扇出型WLP如果符合CSP的尺寸比例要求，就是扇出型WLCSP。

扇出型WLP最早于2006年由英飞凌最先提出。他们在手机基带芯片封装中实现了量产，并将其命名为嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB）。

后来，扇出型WLP并没有获得什么关注。

直到2016年，台积电基于FOWLP，推出了集成扇出型（InFO）封装，并成功应用于苹果公司iPhone 7系列手机的A10处理器（AP）中，才让扇出型WLP获得了整个行业的高度关注。

凭借该项技术，台积电成功包揽了苹果公司之后每一代手机的AP芯片制造和封装订单。

后来，FOWLP高速发展，衍生出多种变体，包括核心扇出（Core FO）、高密度扇出（High-Density FO）和超高密度扇出（Ultra High Density FO）等，可以应用于不同的需求场景。

我们来看看FOWLP的工艺过程。

前面说WLP是先封装，再切割。这句话其实不太适用于FOWLP。

FOWLP，是先切割，然后把芯片重新放置在人工载板上。接下来，再进行晶圆级封装。封装完，再次切割，变成最终的芯片。

Fan-Out WLCSP工艺流程

根据工艺过程，扇出式WLP可以分为芯片先装（Die First）和芯片后装（Die Last）。芯片先装又分为面朝下（Face Down）、面朝上（Face Up）。

芯片先装，简单地说，就是先把芯片放上， 再做布线（RDL）。

芯片后装，就是先做布线（RDL）。测试合格的单元，再把芯片放上去。

芯片后装的优点，是可以提高合格芯片的利用率，以此提高成品率，降低成本。也有缺点，就是工艺相对复杂。

总结一下FOWLP的优点：

1、FOWLP是一种无载板（Substrate-less）的封装方式，不需要封装载板，更不用引线，可以大幅降低成本。

2、FOWLP没有封装载板，所以垂直高度更低，能够提供额外的垂直空间，向上堆叠更多的元件。

3、FOWLP厚度较薄，缩短芯片与散热片之间的距离，有利于散热。

4、FOWLP可以将不同功能的芯片进行灵活集成，进而完成系统级封装（SiP）。这是后摩尔时代非常重要的技术手段之一。

· 扇出面板级封装（FOPLP）

提到FOWLP，就肯定要提一下最近几年特别火的FOPLP。

FOPLP（扇出面板级封装），是扇出型封装的一种，也基于重新布线层（RDL）工艺。

它和FOWLP非常类似，最大的区别在于：FOPLP使用的载板，不是8寸/12寸的晶圆，而是方形的大尺寸面板。

FOPLP具有以下优势：

1、低成本。

FOPLP采用方形的大尺寸面板，不仅单片产出的芯片数量更多，而且面积利用率更高。根据国际权威研究机构Yole的数据，FOWLP技术面积使用率<85%，而FOPLP技术面积使用率>95%。

以600mmX600mm尺寸的面板为例，面积为12寸wafer carrier的5.1倍，单片产出数量大幅提升。

FOPLP可以大幅提高材料利用率和生产效率，进而降低生产成本。

例如，FOWLP采用旋转涂布工艺，PI、PR等光敏材料（价格昂贵）的有效利用率只有20%。FOPLP采用狭缝涂布工艺，材料有效利用率达到85%以上。

2、高灵活性。

FOPLP的生产灵活性更高，适合大批量生产，生产周期更短。

例如，FOWLP封装中，光罩的尺寸小，单次曝光面积有上限，需要通过拼接的方式曝光，效率低，良率低，影响产能。

而FOPLP封装，单次曝光面积是FOWLP的4倍以上，效率高、良率高，大幅提升了产能。

3、优秀的热管理。

通过优化封装结构，以及选择合适的材料，FOPLP可以有更好的散热性能，降低芯片工作温度，提高芯片的可靠性和寿命。

4、高集成度。

FOPLP在大面板上重新分布半导体芯片，能够在单个封装内集成多个芯片、无源元件和连接，可以实现更高的集成度，甚至更高的性能。

集成更多功能模块，可以减少封装步骤和材料消耗，也能降低成本。

5、高电气性能。

FOPLP具有更低的电感和电容效应，电气性能出色。

图片来自亚智科技

当然，FOPLP也有缺点，包括面板尺寸和组装工艺未能标准化、封装密度较低（与FOWLP相比），以及芯片翘曲问题等。

目前，FOPLP板级封装凭借刚才提到的优点，在射频芯片、电源芯片、高频芯片、传感器芯片等领域展现了非常不错的应用前景。

另外值得一提的，是FOPLP所使用的玻璃载板材料。

FOPLP载板的面积大，所以，在生产和处理的过程中，容易出现翘曲等问题。

所以，相比于传统的硅材料，FOPLP的载板材料主要是金属、玻璃或其它高分子聚合物材料。在这些材料之中，玻璃在机械、物理、光学等性能上具有明显的优势，现在已经成为行业关注的焦点。

玻璃基板的表面比塑料（有机材料）基板更光滑。在同样面积下，能够开孔（下期会提到的通孔）的数量也比塑料基板多。这极大提升了芯片之间的互连密度，有利于实现更复杂的设计，更有效地利用空间。

在热学性能、物理稳定度方面，玻璃基板也表现出色，不容易因为温度高而发生翘曲或变形。

玻璃基板的电气性能也突出，介电损耗更低，电气连接更稳定、高效。