WLCSP晶圆级芯片封装技术——一文说透晶圆级封装技术特点与工艺流程
发布时间:2023/05/11 09:06

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晶圆级封装常见的类型



晶圆级封装(WLP)是一种以BGA技术为基础,又经过改进的CSP先进电子封装技术。其主要特点是封装与测试均直接在晶圆切割前完成。根据引线方式不同,又将其分为扇入式(Fan-In WLP/WLCSP)、扇出式(Fan-Out WLP/FOWLP)。与传统封装技术相比,晶圆级封装的成本更低、散热性更好、体积更小。除此之外,晶圆级封装的另一个优点是作业过程采用批次性处理方式,晶圆尺寸越大时,芯片封装的效率就越高,封装成本也就越低。

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扇入式封装(Fan-In WLP/WLCSP):完全遵循晶圆级封装的基础工艺流程,封装作业完成时,芯片与封装体面积尺寸比例为1:1,适用于低I/O数量以及芯片尺寸本身较小的工艺。

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扇出式封装(Fan-Out WLP/FOWLP):由于该类封装需通过RDL的方式将部分Bump引脚拓展至芯片外围,故需要先对晶圆进行划片分割,将独立裸Die重新布局至新的晶圆内(重构晶圆),由Molding工艺形成新的封装体,再通过重新布线及Bumping工艺,实现引脚外延以达到容纳更多I/O的目的。

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除此之外,在FOWLP基础之上,又衍生了多种集成度更高的封装技术,如InFO (Integrated Fan-out)、FOPLP(Fan-out Panel Level Package)等,此处不做赘述,有兴趣的朋友可以自行查阅相关资料。



晶圆级封装的工艺流程


下文将以1P1M/Solder bump结构为例,简单说明晶圆级封装的工艺流程。在此之前,先对相关专业术语进行如下说明:




晶圆级封装专用术语


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晶圆级封装的常见工艺流程



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晶圆封装工艺流程


根据已知的1P1M/Solder bump工艺要求,由内向外依次逐层按照工艺流程进行作业:



步骤一:PI光刻

目的:1. 将掩膜版图形转移至晶圆表面,获得溅射种子层(UBM)所需的CD开口。

2. 生成钝化层(passivation),作为后续工序的保护膜。

工艺原理:通过在Wafer表面涂覆PSPI后,进行紫外线曝光,在特定光线通过后,胶体特性发生改变,再通过显影-固化工艺,获得所需要的CD开口位置。

特别注意的是,这里使用的PSPI为通常所说的光刻正胶(Positive Photoresist),其特性是经过曝光后,在受到光照的位置特性发生改变,其他位置不受影响,显影操作后,溶解光照位置,在其他位置形成所需图形,从而达到工艺目的。

与之相反,光刻负胶(Negative Photoresist)则是保留光照位置,显影后溶解其他位置,达到工艺目的。


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PSPI光刻工艺流程:

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PSPI涂覆&烘烤:

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●通过光阻喷嘴将光刻胶轻轻涂布在晶圆中心位置后,真空吸盘带动晶圆缓慢转动;

●施胶达到标定胶重后,由转轴带动吸盘逐渐加速,利用离心作用将光刻胶旋涂均匀,直到布满整片晶圆;

●由于离心力的作用,晶圆上残余光刻胶会聚集在晶圆的边缘部分,形成带有一定高度的污染,导致后续工艺难度增加,故需要使用有机溶剂进行晶圆洗边及背洗操作;

●涂布作业完成后,使用真空加热块进行前烘烤以预热光刻胶,去除光刻胶中的水分,并增加与晶圆之间的附着力。


注意:

1. 影响光刻胶厚度的主要因素是转速和光刻胶的黏度,黏度越高,转速越低,光刻胶的厚度就越厚。

2. 文中所列涂覆办法为湿膜光刻胶的作业流程,而实际生产中,除湿膜光刻胶外,干膜光刻胶也拥有广泛的应用场景。干膜光刻胶一般使用方法可采用压膜机一次成型,而且显影流程不需要使用显影液,可大幅度减少处理时间和成本。对于部分设计中含有孔洞的产品来说,干膜光刻胶不会侵入孔洞内部,具有便于清理的好处。但反过来考虑,湿膜光刻机又具有分辨率高,价格成本低廉,显影与刻蚀速度更快等优势。


曝光&显影&固化:

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●特定波长紫外光穿过掩膜版及缩图透镜后,照射在晶圆相应位置,根据掩膜版的图形改变晶圆表面部分光刻胶的特性

●使用显影液溶解对应光刻胶,将掩膜版图形复制至晶圆表面

●PSPI工艺中,显影后需使用多段式时温曲线进行烘烤固化操作去除水汽,并使保留光刻胶与晶圆更好的结合在一起




步骤二:溅射

目的:通过溅射工艺,在晶圆表面形成一层具有不同高度、不同类型,且符合制程要求的金属薄膜,即为后续电镀工艺铺垫的种子层(UBM)。

工艺原理:根据物理气相沉积原理,通过将高纯度的金属材料置于真空室中,然后使用离子束、电子束或者高能粒子来撞击金属材料表面,使其发生溅射,产生大量微小的金属颗粒,这些颗粒会沉积在晶圆表面上并逐渐形成金属薄膜。

特别注意的是,在执行溅射工艺操作之前,需要先对晶圆进行清洗工作,以去除晶圆表面来料时可能携带的沾污,并消除潜在环境静电风险。清洗后仍需要在氮气环境下进行烘烤,以去除水汽对溅射作业时的影响因素。


溅射工艺:

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步骤三:PR光刻&电镀

目的:PR光刻与第一层PI光刻作用类似,在UBM层上方电镀铜层的主要目的是使其作为焊盘的材料,用于连接芯片和外部电路板。该层铜材料通常具有良好的导电性和可靠的焊接特性,能够有效地提高芯片的连接可靠性和耐久性。同时,铜材料还能够提高芯片的散热能力,从而有效地降低芯片的温度和功率消耗。

工艺原理:

●PR光刻:与第一层PI光刻类似,但由于后续工艺为铜层电镀,所以工艺中将正胶替换为负胶,在曝光显影后无需进行固化,而是在电镀后进行去胶操作;

●电镀:在UBM层上方涂覆一层导电漆,通常被称为钎料,用于芯片与外部电路板之间的连接。然后,将晶圆浸入含有铜离子的电解液中,并将钎料作为阴极,使铜离子在钎料表面还原,形成一层均匀的铜层。


PI光刻&电镀:

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●完成电镀作业后,显影所预留的用于结构成型的光刻胶仍然处在晶圆表面,故需要使用药液喷淋的方式进行除胶,以去除多余的光刻胶,药液除胶完成后仍需清洗晶圆表面,以彻底清除残余胶丝、沾污等表面杂质,下图为除胶完成后表面状态

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注意:UBM此时处于完全连接状态,连接电路则必然短路!

●针对电镀后可能会出现的多余UBM,通常需要使用腐蚀工艺去除。去除方法通常是使用化学溶液,将多余的UBM材料溶解掉,以保证焊盘的形状和尺寸符合要求,达到工艺目的,下图为腐蚀完成后表面状态:

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步骤四:植球

目的:在焊盘处焊接solder Bump或铜柱Bump,用来做后续Flip Chip工艺连接基板电路的焊点。

工艺原理:在焊盘位置涂覆助焊剂,在其对应位置放置锡球,利用Reflow将锡球焊接至焊盘位置。

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步骤五:减薄&划片

目的:按照具体产品的工艺要求,将晶圆磨划至需求厚度,然后将处理完成的晶圆经过切割,分离成单独的成品芯片。

减薄工艺原理(工艺流程):

1. 正面贴膜,保护晶圆正面在减薄过程中不被损伤;

2. 背面磨片,根据工序需求,使用对应参数的磨轮进行背面研磨及抛光(部分产品无需抛光);

3. 解UV及撕膜,对晶圆正面进行UV照射后,撕去正面保护膜

划片工艺原理(工艺流程):

1. 背面贴膜,保证划片过程稳定,划片后芯片不会散落;

2. 保护液涂布,保护晶圆正面在切割过程中不被损伤;

3. 激光开槽,将划道金属层切割分离;

4. 水清洗,清洗涂布在晶圆正面的保护液及过程沾污杂质;

5. 切割划片,将晶圆沿切割道进行分割,使晶圆分离成为单独的一颗颗芯片



屹立芯创 · 除泡品类开创者



屹立芯创作为除泡品类开创者,深耕半导体先进封装技术20余年,专注解决半导体先进封装中的气泡问题,提供多种制程工艺中的气泡整体解决方案。对Mini/Micro LED、芯片贴合Die Attached、灌注灌封IGBT Potting、底部填胶underfill、点胶封胶Dispensing、OCA lamination等工艺拥有成熟应用经验。


屹立芯创以核心的热流和气压两大技术,持续自主研发与制造除泡品类体系,专注提升良率助力产业发展,专业提供提供半导体产业先进封装领域气泡解决方案,现已成功赋能半导体、汽车、新能源、5G/IoT等细分领域。

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