文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要介紹扇出型(先上晶且面朝下)晶圓級封裝。

本文主要介紹扇出型(先上晶芯片面朝下)晶圓級封裝(FOWLP)。首個關(guān)于扇出型晶圓級封裝(FOWLP)的美國專利由英飛凌(Infineon)于2001年10月31日提交，最早的技術(shù)論文則由英飛凌與其行業(yè)合作伙伴日本長瀨(Nagase)、日東電工(Nitto Denko)和日本山田(Yamada)等公司，在ECTC2006和EPTC2006會議上聯(lián)合發(fā)表。當時該技術(shù)被命名為嵌入式晶圓級焊球(embedded wafer-level ball，eWLB)陣列，這種方法摒棄了引線鍵合、晶圓凸點成型工藝，同時不再使用引線框和封裝基板，有望實現(xiàn)低成本、高性能、小型化的封裝效果。該方法需借助臨時支撐片完成合格芯片(known-good die，KGD)的晶圓重構(gòu)、環(huán)氧模塑料(epoxy molding compound，EMC)模塑以及再布線層(redistribution layer, RDL)的制備。ECTC2007會議上，飛思卡爾(Freescale)發(fā)表了一項類似技術(shù)，并將其命名為重構(gòu)芯片封裝(redistributed chip package，RCP)。ECTC2008會議上，新加坡微電子所(IME)研發(fā)出支持多芯片及多芯片3D堆疊的FOWLP技術(shù);ECTC2009會議上，IME發(fā)表4篇FOWLP相關(guān)論文，分別聚焦于模壓成型過程中芯片移位的預測新方法、超薄芯片的橫向放置與垂直堆疊、3D FOWLP的可靠性，以及高質(zhì)量、低損耗毫米波無源器件FOWLP的演示。

扇出型(先上晶面朝下)晶圓級封裝可用于異質(zhì)集成，相關(guān)技術(shù)中采用液態(tài)環(huán)氧模塑料(EMC)進行模壓成型，所制備的RDL金屬線寬/線距為10/15μm。本節(jié)采用全新的干膜EMC層壓方法，替代傳統(tǒng)液態(tài)EMC模塑方式，所制備的RDL金屬線寬/線距可縮小至5~10μm。同時，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實現(xiàn)小型化(薄型)封裝，提出了一種特殊的組裝工藝。

測試芯片

圖1為所采用的兩顆測試芯片。圖1a為大測試芯片及其焊盤排布，該芯片尺寸為5mm×5mm×150μm，共包含160個焊盤，內(nèi)側(cè)焊盤節(jié)距為100μm。鋁焊盤上SiO?鈍化層開窗尺寸為50μm×50μm，鋁焊盤本身尺寸為70μm×70μm。小芯片尺寸為3mm×3mm×150μm，圖1b為該芯片的實物圖，其包含80個焊盤，內(nèi)側(cè)焊盤節(jié)距同樣為100μm，焊盤截面及尺寸與大測試芯片完全一致。

圖1

測試封裝體

圖2a為測試封裝體的結(jié)構(gòu)示意圖，封裝體尺寸為10mm×10mm，包含1顆大芯片(5mm×5mm)和3顆小芯片(3mm×3mm)，大芯片與小芯片之間的間距為100μm。該封裝體設(shè)有2層再布線層(RDL)，圖2b為芯片到RDL1的再布線層結(jié)構(gòu)，圖2c為RDL1到RDL2的再布線層結(jié)構(gòu)，圖2d為RDL2到PCB的連接結(jié)構(gòu)，圖2e為封裝體的整體輪廓。封裝體全部在12in臨時玻璃重構(gòu)晶圓上制備完成，晶圓上封裝體的節(jié)距為10.2mm。實際應用中，大芯片可作為應用處理器芯片，小芯片可作為存儲芯片，這種制備方式效率極高，可一次性實現(xiàn)629個封裝體(10mm×10mm，每個含4顆芯片)的異質(zhì)集成。

圖2

圖3為測試封裝體的截面示意圖，從中可清晰看到2層RDL結(jié)構(gòu)，其中RDL1的金屬層厚度為3μm，RDL2的金屬層厚度為7.5μm;RDL1的金屬線寬和線距均為5μm，RDL2的金屬線寬和線距均為10μm。DL1和DL2的介質(zhì)層厚度為5μm，DL3的介質(zhì)層厚度為10μm。連接測試芯片銅焊盤與RDL1、穿過介質(zhì)層(DL1)的孔(VC1)直徑為20~30μm，RDL1焊盤直徑為55μm，通過直徑30~40μm的過孔(V12)與RDL2連接，RDL2焊盤直徑為65μm。最終在RDL2上形成直徑220μm的焊球銅焊盤，鈍化層(DL3)開窗直徑為180μm，焊球直徑為200μm，節(jié)距為0.4mm。

圖3

傳統(tǒng)的先上晶(面朝下)晶圓級工藝 圖4為傳統(tǒng)先上晶面朝下FOWLP工藝流程圖。首先，對器件晶圓進行合格芯片(KGD)測試，測試合格后切割得到單顆芯片;隨后拾取KGD，將其面朝下放置在圓形(晶圓狀)或矩形(面板狀)的臨時支撐片上(支撐片可選用金屬、硅或玻璃材質(zhì))，如圖4b所示。臨時載具上預先粘貼雙面熱剝離膠帶，如圖4a所示。KGD放置完成后，對重構(gòu)支撐片進行EMC模塑處理(見圖4c)，模塑過程采用模壓+后固化處理(post mold cure，PMC)。模塑完成后，去除臨時支撐片并剝離膠帶(見圖4d)，接著在重構(gòu)晶圓上制備RDL(見圖4e)，最后進行植球操作，并將包含KGD、RDL和焊球的整個重構(gòu)晶圓劃片切割，得到單獨的封裝體(見圖4f)。

圖4

異質(zhì)集成封裝的新工藝

本文未采用傳統(tǒng)工藝中的模壓模塑及常規(guī)RDL制備方法，而是采用圖5所示的全新工藝流程，以實現(xiàn)更優(yōu)的封裝效果和成本控制。

圖5

干膜EMC層壓

本文采用新型干膜EMC材料，其材料特性見表1，通過層壓方式完成模塑操作，替代了傳統(tǒng)液態(tài)EMC模塑方法。如圖5a、5b所示，拾取KGD并放置在支撐片上后，在其表面層壓一層厚度為200μm的干膜EMC(見圖5c和圖6)，層壓溫度設(shè)定為100℃，層壓時間為30min。

表1

圖6

臨時鍵合另一塊玻璃支撐片

傳統(tǒng)FOWLP工藝中，EMC模塑完成后需解鍵合支撐片并剝離膠帶(見圖4d)，此時重構(gòu)晶圓的厚度通常不小于450μm，之后再進行RDL制備和植球操作(見圖4e)。本研究中，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實現(xiàn)小型化(薄型)封裝，無支撐片狀態(tài)下重構(gòu)晶圓的總厚度僅為300μm，這種超薄晶圓極易破碎，會給RDL制備和植球操作帶來極大困難。

針對這一問題，解決方案為將薄重構(gòu)晶圓粘接至另一塊預先涂覆光熱轉(zhuǎn)換層的1mm厚玻璃晶圓(熱膨脹系數(shù)為6.4×10??/℃)上，如圖5d所示。隨后對干膜EMC進行130℃、60min的預固化處理，之后去除第一塊臨時支撐片并剝離膠帶(見圖5e)，最后對干膜EMC進行180℃、90min的固化處理，確保其性能穩(wěn)定。

再布線層

如圖5e所示，固化完成后開始制備RDL。圖7為RDL制備的關(guān)鍵工藝步驟：首先在重構(gòu)晶圓上旋涂一層光敏聚酰亞胺(polyimide，PI);隨后采用步進式光刻機(每4個封裝體作為一個單元)，在PI層上完成對準、曝光、顯影操作，制備出過孔;之后將PI材料在200℃下固化1h，獲得厚度為4~5μm的PI層;接著在整塊晶圓上采用物理氣相沉積法，在175~200℃條件下濺射Ti層和Cu層;再次涂覆光刻膠，通過步進式光刻技術(shù)獲得RDL布線圖形，采用電化學方法在開窗后的Ti/Cu層上電鍍Cu線路，剝離光刻膠并刻蝕掉多余的Ti/Cu層，即可得到RDL1;重復上述工藝步驟，可制備得到RDL2。

圖7

圖8

圖9

圖8所示為RDL1的金屬線寬/線距實拍圖，可見其線寬/線距與設(shè)計值(5μm)高度吻合。圖9為通過掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察到的RDL1截面圖，清晰展示了芯片、光敏聚酰亞胺與RDL1的結(jié)構(gòu)，其中RDL1的金屬線寬/線距為5μm，符合設(shè)計要求。

焊球植球

如圖5e所示的植球工藝中，需使用兩套不同的模板，分別用于助焊劑模板印刷和焊球模板植球。本研究采用SAC305(Sn3wt%Ag0.5%Cu焊球，焊球直徑為200μm，節(jié)距為0.4mm，焊料回流的峰值溫度設(shè)定為245℃，確保焊球與焊盤連接牢固、性能穩(wěn)定。

最終解鍵合

圖5f所示的玻璃支撐片解鍵合操作，通過從玻璃支撐片一側(cè)采用激光(355nm DPSS Nd:YAG UV)掃描完成。激光束斑為240μm，掃描速度為500mm/s，掃描步進距離為100μm。光熱轉(zhuǎn)換材料在激光照射下會轉(zhuǎn)化為粉末狀，使得玻璃支撐片可輕松移除，解鍵合完成后需進行化學清洗，去除殘留雜質(zhì)。

圖10為無任何支撐片的重構(gòu)晶圓及單個封裝體的特寫照片，可見一個封裝體中包含4顆芯片，芯片排布精準、定位準確。將重構(gòu)晶圓按照圖5g所示進行劃片，得到單個芯片單元，其X射線圖像如圖11所示，從中可清晰觀察到RDL1和RDL2的結(jié)構(gòu)分布。

圖10

圖11

圖12為典型異質(zhì)集成封裝體的截面圖，可見封裝體包含2層RDL，其中RDL2的金屬層厚度(7.5μm)大于RDL1(3μm)。RDL2設(shè)計較厚的原因是，在無凸點下金屬化層(UBM)的情況下，可獲得較厚的銅焊盤，從而有效防止焊球回流及器件工作過程中銅層被耗盡，保障封裝體的長期可靠性。

圖12

采用C模式掃描超聲波顯微鏡(C-mode scanning acoustic microscopy，C-SAM)對層壓干膜EMC中的模塑空洞進行檢測。為平衡檢測分辨率與信號穿透深度，選用75MHz超聲換能器開展空洞檢測，經(jīng)過一系列掃描參數(shù)優(yōu)化與檢測，未在晶圓中檢測到任何空洞(包括EMC內(nèi)部及間隔空間)，檢測結(jié)果如圖13所示，表明干膜EMC層壓工藝的穩(wěn)定性和可靠性良好。

圖13