晶圓級芯片尺寸封裝技術(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
  |9 ~9 K. Y+ O  |) s; G晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)技術(shù)已成為低成本、小型化電子設(shè)備常用的封裝方案。本文概述了WLCSP技術(shù)，包括主要特點、制造工藝、可靠性考慮因素和最新發(fā)展[1]。

, ]8 P! [" X# a- }% `WLCSP簡介
& Z" q: c! J$ X1 v) n& s, {WLCSP技術(shù)始于2001年，當(dāng)時安靠等公司從Flip Chip Technologies獲得了UltraCSP技術(shù)的許可。在過去二十年里，WLCSP被廣泛應(yīng)用于需要低引腳數(shù)(≤200)、小芯片尺寸(≤6 mm x 6 mm)、低成本和高產(chǎn)量的領(lǐng)域。常見應(yīng)用包括智能手機、平板電腦和數(shù)碼相機等移動和便攜式電子產(chǎn)品。
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WLCSP的主要特點是在硅晶圓完整、單個芯片尚未切割之前就完成封裝制造。這允許在晶圓級進(jìn)行高效封裝。大多數(shù)WLCSP的關(guān)鍵特征是使用金屬重布線層(RDL)，通常是銅，將芯片上的細(xì)間距周邊焊盤重新分布為更大間距的面陣格式，并具有更高的焊球。
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圖1：展示晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)及重布線層概念的示意圖。
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9 r6 Z- h8 v, |: O1 p- V6 wWLCSP的主要優(yōu)勢：
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小型化 - 封裝尺寸接近裸芯片尺寸

低成本 - 高效的晶圓級處理  

改善電氣性能 - 更短的互連

無需焊線或倒裝芯片凸點

標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝組裝工藝

1 i% h% s- b+ c" z8 l+ tWLCSP結(jié)構(gòu)和制造典型的WLCSP結(jié)構(gòu)包括以下關(guān)鍵元素：

帶有周邊焊盤的硅芯片

介電層

金屬重布線層(RDL)

底部金屬化(UBM)

焊球
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5 t/ S/ v+ t% A" C6 `1 w8 V圖2：展示W(wǎng)LCSP結(jié)構(gòu)關(guān)鍵元素的橫截面圖。
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基本的WLCSP制造流程包括：
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晶圓準(zhǔn)備和清洗

介電層沉積和圖形化

RDL金屬沉積和圖形化  

UBM沉積

焊球放置和回流

晶圓切割
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圖3：展示RDL、UBM和焊球結(jié)構(gòu)的WLCSP詳細(xì)橫截面圖。
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% ]/ ]5 s# F4 _+ D5 lRDL通常使用銅將信號從周邊焊盤重新分布到面陣格式�？梢允褂枚鄬覴DL進(jìn)行更復(fù)雜的布線。UBM為焊料潤濕提供表面并充當(dāng)擴散阻擋層。常見的UBM堆疊包括Ti/Cu/Ni或Ti/Cu/Au。
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可靠性考慮
WLCSP的主要可靠性問題之一是由于硅芯片和印刷線路板(PCB)之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配導(dǎo)致的焊點疲勞。這種CTE不匹配在熱循環(huán)過程中對焊點造成壓力。
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為評估焊點可靠性，通常使用有限元分析和加速熱循環(huán)測試。焊點中的累積蠕變應(yīng)變通常用作疲勞壽命的預(yù)測指標(biāo)。
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一項關(guān)于無鉛WLCSP焊點可靠性的研究使用有限元分析來模擬熱循環(huán)條件下的蠕變行為。該分析比較了96.5Sn-3.5Ag和100In焊料合金與共晶63Sn-37Pb的性能。
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6 b& I) i3 N4 y, E  P8 ~3 m. p* Z圖4：不同焊料合金在50°C和75°C下的蠕變應(yīng)變率與剪切應(yīng)力曲線。

: A0 ~2 @- ]3 S6 J6 E: a模擬結(jié)果顯示：

所有合金在更高溫度下蠕變應(yīng)變率更高

100In的蠕變應(yīng)變率遠(yuǎn)高于其他合金

在較高應(yīng)力水平下，96.5Sn-3.5Ag的蠕變應(yīng)變率低于63Sn-37Pb

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+ X7 ~% s8 h2 o4 _3 v! D圖5：62Sn-36Pb-2Ag焊點的模擬剪切應(yīng)力與蠕變剪切應(yīng)變滯后曲線。
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8 G4 N7 Z' v2 D' ]  J* `% G8 T滯后曲線顯示了焊點在循環(huán)載荷下如何變形。曲線內(nèi)部的面積代表每個循環(huán)耗散的能量，與疲勞損傷累積相關(guān)。

5 }8 H7 I& M7 H% E' U8 B3 TWLCSP技術(shù)的最新發(fā)展
為解決可靠性問題并實現(xiàn)更大的芯片尺寸，近年來開發(fā)了幾種標(biāo)準(zhǔn)WLCSP的改進(jìn)方案：
% I4 C- ?& y" O  V8 S1. 應(yīng)力釋放層
日立引入了硅芯片和焊球之間的應(yīng)力松弛層，以提高大尺寸芯片(最大10 mm x 10 mm)的可靠性，無需使用底部填充。
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' L9 }9 e1 C* @* W圖6：安裝在PCB上的日立WLCSP與應(yīng)力松弛層的橫截面圖。

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圖7：制造帶有應(yīng)力松弛層的日立WLCSP的關(guān)鍵工藝步驟。
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6 [. {$ T4 Q- t. g3 t  r1 t應(yīng)力松弛層是通過模板遮罩印刷液態(tài)樹脂形成的。該層有助于吸收CTE不匹配引起的應(yīng)力。


圖8：可靠性測試結(jié)果顯示10 mm x 10 mm芯片使用應(yīng)力松弛層后壽命得到改善。
; G3 {; @8 n9 D: W7 C1 I) w+ C
7 P! S: Q+ g  N* X* H- E$ a1 {2. 無UBM集成
臺積電開發(fā)了無UBM扇入型WLCSP工藝，以減少制造步驟和成本。該工藝使用聚合物復(fù)合保護(hù)層代替UBM來固定焊球。


圖9：傳統(tǒng)WLCSP(左)與臺積電無UBM WLCSP(右)的比較。
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" I  \: L. _# s- r# ~8 n" D! S( Q圖10：臺積電無UBM WLCSP的熱循環(huán)可靠性結(jié)果，顯示最大10.3 mm x 10.3 mm芯片尺寸的良好性能。

3. 模塑WLCSP
: i; M5 w. }! C5 \6 W* s幾家公司開發(fā)了模塑WLCSP技術(shù)以提高保護(hù)性和可靠性：
1) STATS ChipPAC的封裝WLCSP (eWLCSP)：

使用扇出型晶圓級封裝方法

將晶圓切割成已知良好芯片

在重構(gòu)晶圓周圍模塑環(huán)氧樹脂

保護(hù)芯片的5個面(4個側(cè)壁+背面)
. }. s" j3 r( u
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圖11：STATS ChipPAC的eWLCSP工藝流程和結(jié)構(gòu)。
0 Y+ V, P+ U) n/ C/ B& y
2) UTAC的5面模塑WLCSP：
3 v# @1 Y7 D0 h7 U

使用原始設(shè)備晶圓

模塑芯片的4個側(cè)壁和正面

背面由層壓膠帶保護(hù)
3 p. a7 [+ N' s' a& e

2 ?! t6 A( L* H3 s; {6 a, [
圖12：UTAC的5面模塑WLCSP結(jié)構(gòu)。
7 K* E: L& D6 H% Q2 Z: b; e
3) 華天科技的6面模塑WLCSP：

類似于UTAC工藝，但也模塑背面

芯片完全封裝
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圖13：華天科技的6面模塑WLCSP結(jié)構(gòu)。
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圖14：華天科技6面模塑WLCSP的關(guān)鍵工藝步驟。

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; e+ S7 \) ?1 s4 g2 [面板級芯片尺寸封裝
" t" T8 N4 D3 X6 d  L9 x7 z為進(jìn)一步提高制造效率和降低成本，開發(fā)了面板級芯片尺寸封裝(PLCSP)工藝。這些工藝使用大型面板而不是圓形晶圓來同時處理多個器件。
. }! Z" m4 U+ J* j  d4 E3 ], I: p  |
/ R4 W9 @% h' V! N7 `最近的一項研究展示了使用508 mm x 508 mm面板的6面模塑PLCSP工藝。主要特點包括：

在帶有多個設(shè)備晶圓的大型面板上進(jìn)行RDL制造

使用PCB制造設(shè)備和工藝

每個面板可處理2.25個300 mm晶圓
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/ |7 ^, j9 s1 Q: @/ U5 b圖15：使用切割晶圓的PLCSP制造面板準(zhǔn)備過程。


圖16：用于PLCSP制造的508 mm x 508 mm面板，包含多個設(shè)備晶圓。
3 S; }3 J7 h" l6 ]) [& _
1 W& m6 m% n0 H" Y8 {6面模塑PLCSP工藝流程包括：

在面板上制造RDL

晶圓從面板上脫粘

焊球安裝

從正面部分切割晶圓

正面和背面模塑

等離子刻蝕以暴露焊球

最終切割
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. g+ e$ G$ L2 y6 q; _1 Y8 j圖17：6面模塑PLCSP制造的關(guān)鍵工藝步驟。

! `/ }6 ?! D" U: w0 _可靠性測試顯示6面模塑PLCSP比標(biāo)準(zhǔn)WLCSP性能更好：
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通過JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的30次跌落測試

熱循環(huán)測試中平均失效時間延長2.9倍

0 e) R1 `" c: |2 H* F6 s: g有限元分析揭示了不同的失效模式：

標(biāo)準(zhǔn)WLCSP：裂紋在芯片和焊料界面處開始

6面模塑PLCSP：裂紋在PCB和焊料界面處開始
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  ]8 f8 |+ D  T& x) }$ {
. e, t; A6 q. K* O9 l
/ I1 c- W$ ^# n& W" L1 F) V8 y圖18：6面模塑PLCSP角落焊點的模擬累積蠕變應(yīng)變。
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8 f8 K% ^* X  Q  ~' Q
3 y5 {( t# D: j/ `3 J圖19：標(biāo)準(zhǔn)WLCSP角落焊點的模擬累積蠕變應(yīng)變。

模塑結(jié)構(gòu)有助于重新分配焊點中的應(yīng)力，從而提高可靠性。
* C, z! a- d4 s) K2 b
結(jié)論
晶圓級芯片尺寸封裝已成為許多便攜式和移動應(yīng)用中成熟且廣泛采用的技術(shù)。近期的發(fā)展，如應(yīng)力釋放層、無UBM工藝、模塑WLCSP和面板級封裝，繼續(xù)推動封裝尺寸、成本和可靠性的進(jìn)步。隨著對更小、更便宜、更可靠電子產(chǎn)品需求的持續(xù)增長，WLCSP技術(shù)預(yù)計在未來幾年將在半導(dǎo)體封裝中發(fā)揮重要作用。
0 Y  U! h! q' c. P" s$ c( {1 |: Z
* _: s: [5 x' P( N0 T2 |未來的主要挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)更大的芯片尺寸、提高跌落測試性能以及通過面板級處理進(jìn)一步降低成本。在先進(jìn)材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和高密度RDL等領(lǐng)域的持續(xù)研究對解決這些挑戰(zhàn)和擴大WLCSP技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要意義。

5 f) s3 ?0 S# M% w
0 b7 Y0 U  `$ q9 m7 s/ W3 ]參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Flip Chip, Hybrid Bonding, Fan-In, and Fan-Out Technology," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2024.
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& n) }& R+ M$ k深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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