详解WLCSP三维集成技术

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文将介绍WLCSP在3D维度上的可行路径。

晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）因其“裸片即封装”的极致尺寸与成本优势，已成为移动、可穿戴及 IoT 终端中低 I/O（< 400 bump）、小面积（≤ 6 mm × 6 mm）器件的首选。然而，当系统级集成需求把 3D 封装/3D IC 技术推向 WLCSP 时，传统方案——引线键合堆叠、PoP、TSV 硅通孔——因工艺窗口、CTE 失配及成本敏感性而显著受限。

本文将介绍WLCSP在3D维度上的可行路径：从早期 Shellcase 侧壁 RDL 的 CIS/MEMS 专用 3D WLCSP，到利用 TMV 的扇出型 PoP；从无需 TSV 的铜柱-微凸点倒装堆叠，到嵌入式 WLCSP 在 PCB 级实现的异构 3D 集成，分述如下：

晶圆级芯片尺寸封装概况

3D MEMS和传感器WLCSP

嵌入式WLCSP

晶圆级3D集成

在半导体封装领域，晶圆级芯片规模封装（WLCSP）凭借其独特的工艺特性，在三维集成技术路径的选择上呈现出显著的差异化特征。作为唯一直接以裸芯片形态实现集成电路封装的解决方案，WLCSP的技术演进始终围绕其全晶圆工艺基础展开，这种工艺特性决定了其三维集成方案必须与常规3D封装及3D IC技术形成策略性区分。

从工艺本质来看，WLCSP依托全晶圆级加工流程，通过阵列式凸块构造实现芯片与基板的互连，其应用边界天然受限于低I/O密度（通常小于400个凸点）和小型化尺寸（典型封装体不超过6mm×6mm）。这种物理限制使得传统3D封装中的引线键合芯片堆叠技术仅在特定场景下具备可行性——当WLCSP芯片与模块基板进行共封装时，引线键合组件需以并排布局方式实现功能整合，而非垂直堆叠。这种设计选择既规避了WLCSP在Z轴方向的空间局限，又维持了其作为独立封装单元的工艺完整性。

在三维集成创新领域，扇出型WLCSP通过模具通孔（TMV）技术开辟了新的可能性。基于TMV的堆叠封装（PoP）架构被证明是扇出型WLCSP的增值选项，其核心价值在于突破了传统扇入型WLCSP的尺寸约束。通过重构晶圆工艺扩展有效封装区域，扇出型方案将热机械应力控制水平提升至接近BGA基板封装标准，这使得早期应用于BGA领域的三维概念（如下图所示的TMV-PoP结构）得以技术移植与优化。

值得注意的是，这种创新路径并未简单复制既有3D封装方案，而是结合扇出型WLCSP的低成本优势和TMV的高密度互连特性，形成了具有市场竞争力的垂直集成解决方案。

反观硅通孔（TSV）技术，其在通用扇入型WLCSP中的适用性持续受限。尽管TSV在2.5D/3D IC领域已实现商业化突破，但WLCSP对额外空间占用的敏感性和终端市场的成本容忍度，使得这项技术难以获得广泛接受。

目前扇出型WLCSP正在引领三维集成技术的革新方向。通过结合TMV与重布线层（RDL）工艺，该技术已成功应用于先进移动终端的射频前端模块，实现功率放大器与滤波器的三维共封装。这种增长动力主要源自消费电子对轻薄化需求的持续升级，以及汽车电子领域对高可靠性三维封装方案的迫切需求。

值得关注的是，MEMS传感器与WLCSP的融合正在催生新的三维集成范式。通过在扇出型WLCSP中嵌入压力传感单元，实现芯片级环境感知功能整合，这种创新方案已在可穿戴设备领域完成概念验证。与此同时，一些领先厂商正在开发基于WLCSP的异质集成技术，将逻辑芯片与存储单元通过晶圆级键合实现三维堆叠，这为边缘计算设备的小型化提供了全新解决方案。

从技术演进路径分析，WLCSP的三维集成方向正逐步形成两大分支：其一聚焦于扇入型架构的垂直功能增强，通过优化凸块布局和材料体系提升I/O密度；其二则依托扇出型工艺突破物理限制，构建多芯片三维集成系统。这种双轨发展策略既保持了WLCSP的成本优势，又通过技术创新拓展其应用边界，为半导体封装领域提供了独特的价值主张。

3D MEMS和传感器WLCSP

在半导体封装技术的演进历程中，3D MEMS与传感器晶圆级芯片规模封装（WLCSP）的融合创新始终占据独特地位。其技术的核心在于实现芯片有源面与背面的高效互连。其工艺通过倾斜芯片/封装侧壁的再布线设计，在芯片边缘暴露触点并重构电气路径，最终在封装背面形成高密度焊球阵列。

这种架构在CMOS图像传感器封装中衍生出三种典型形态：ShellOP作为基础光学封装，提供全边缘布线与传感区域保护；ShellOC通过引入光学腔体设计，优化光接收效率；而ShellBGA则专为背照式（BSI）传感器开发，通过消除芯片表面金属层的散射效应，显著提升微光环境下的成像性能。

以OmniVision 2010年推出的OV14825传感器为例，该器件采用116针芯片级封装，依托Shellcase的边缘互连技术，在4416×3312像素的BSI架构上实现了15帧/秒全分辨率输出与60帧/秒高清视频录制，其500μm级的封装厚度完美适配移动设备对轻薄化的严苛要求。

技术迭代方面，Shellcase工艺的演进呈现出两条并行路径：传统工艺通过优化玻璃载体使用与300mm晶圆适配，持续降低封装高度；而ShellcaseRMVP方案则引入TSV技术，构建垂直互连通道。相较于边缘布线方案，TSV架构突破了焊盘尺寸与间距的限制，允许更窄的切割道设计，从而提升晶圆利用率并降低单位成本。这种创新在2018年后的高端图像传感器市场中尤为显著，多家头部厂商开始采用TSV-WLCSP混合架构，将封装厚度压缩至300μm以下，同时保持光学性能的稳定性。

在MEMS领域，3D WLCSP的价值体现更为本征。由于MEMS器件依赖深反应离子刻蚀（DRIE）形成三维机械结构，传统封装工艺难以兼顾结构保护与电气互连。3D MEMS WLCSP通过晶圆对晶圆（CoW）或芯片对晶圆（WoW）的堆叠方式，将ASIC控制芯片与MEMS传感单元进行面对面键合，结合倒装芯片技术与微型凸点互连，实现了信号处理与感知功能的垂直集成。此类方案在惯性导航、压力传感等应用中已实现商业化，例如某国际大厂2022年推出的六轴MEMS传感器，通过3D WLCSP将ASIC与MEMS芯片堆叠，封装尺寸较传统方案缩小40%，同时功耗降低25%。

尽管通用型WLCSP的3D堆叠仍面临成本敏感性问题，但特定领域的创新持续涌现。

如上图所示的3D WLCSP概念图，通过集成铜柱凸点、前侧模塑成型与再布线技术，在无需TSV的情况下构建多层互连结构。这种方案在射频前端模块（RF Front-End Module）中已获得应用，将功率放大器与滤波器进行三维共封装，有效缩短信号传输路径并减少寄生效应。

嵌入式WLCSP

在半导体封装技术的创新版图中，嵌入式晶圆级芯片规模封装（WLCSP）以其独特的工艺路径和应用价值，成为系统级封装（SiP）领域的重要分支。不同于依赖晶圆级处理的3D WLCSP，嵌入式方案通过PCB面板级工艺实现芯片与基板的深度集成，其技术本质在于将WLCSP器件直接嵌入印刷电路板（PCB）内部，构建紧凑且高可靠性的电子模块。

嵌入式WLCSP的技术可行性源于其与PCB工艺的天然适配性。首先，WLCSP的细间距凸点阵列（通常≤0.5mm）与PCB激光通孔工艺的精度范围高度匹配，确保电气互连的精准对位；其次，WLCSP的铜基底金属化层（UBM）直径普遍超过200μm，这一尺寸恰好满足激光钻孔设备对接触焊盘的最小加工要求，同时铜材质与PCB化学镀铜/电解镀铜工艺的兼容性，避免了金属化层的额外处理步骤；再者，WLCSP的背面研磨技术已非常成熟，通过控制研磨深度可将芯片厚度降至50μm以上，配合标准晶圆切割工艺，可轻松实现嵌入式模块的厚度控制。这些工艺特性的协同作用，使得嵌入式WLCSP在硅侧集成过程中展现出极高的技术成熟度。

从应用价值来看，嵌入式方案的核心优势体现在空间效率与可靠性的双重提升。以USB-OTG升压调节器模块为例，通过将WLCSP芯片嵌入PCB基板并整合表面贴装无源元件，模块整体尺寸缩减超过44%，且无需改变封装高度或影响散热性能。这种空间优化在移动终端、可穿戴设备等对体积敏感的领域尤为关键。可靠性方面，嵌入式架构通过两种机制显著改善了热机械应力表现：其一，芯片嵌入后模块基板与PCB的CTE（热膨胀系数）差异被大幅削弱，焊点承受的应力水平低于传统表面贴装方案；其二，硅芯片与PCB的物理分离距离增加，降低了CTE失配导致的界面应变。实验数据显示，嵌入式模块在板级跌落测试和TMCL（热循环）测试中的故障率较传统方案降低30%以上。

尽管嵌入式WLCSP具备显著优势，其技术适用性仍受限于具体场景。由于嵌入过程会占用PCB内部空间，原本用于穿层通孔（Via）的区域被压缩，可能对3D模块的垂直互连设计构成挑战。此外，虽然模块内的埋入铜层和通孔结构可形成有效的热传导路径，但在高功耗应用（如汽车功率模块）中，仍需结合外部散热方案以确保热稳定性。不过，随着PCB基板材料的迭代（如引入高导热树脂）和激光钻孔精度的提升（最小孔径≤50μm），嵌入式WLCSP正在向更广泛的应用领域渗透。

目前，嵌入式WLCSP与先进封装技术的融合正在加速。2024年，某国际半导体厂商推出基于嵌入式WLCSP的5G射频前端模块，通过将功率放大器（PA）芯片嵌入PCB并集成滤波器元件，实现了信号路径缩短30%的同时，模块厚度控制在1.2mm以内。在汽车电子领域，嵌入式方案已被应用于车载摄像头模块，将CMOS图像传感器嵌入柔性PCB基板，结合TSV技术实现光学防抖（OIS）功能的三维集成。值得关注的是，2025年台积电推出的嵌入式WLCSP-CoWoS混合架构，通过将HBM内存芯片嵌入有机基板并与逻辑芯片进行2.5D互连，将AI加速卡的带宽密度提升至2TB/s，这一创新预示着嵌入式技术在高性能计算领域的巨大潜力。

从工艺演进趋势分析，嵌入式WLCSP正朝着两个方向深化发展：其一，通过超薄芯片处理技术（厚度≤30μm）和纳米级激光钻孔（孔径<30μm）提升集成密度；其二，结合3D打印导电胶和临时键合技术，实现异质材料（如硅与玻璃）的嵌入式集成。这些创新不仅将拓展嵌入式方案的应用边界，更可能重新定义PCB作为载体与功能单元的双重角色，推动电子系统向更小型化、更高性能的方向演进。