文章來(lái)源：學(xué)習(xí)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(jí)封裝。

本文主要介紹扇出型(先上晶芯片面朝下)晶圓級(jí)封裝(FOWLP)。首個(gè)關(guān)于扇出型晶圓級(jí)封裝(FOWLP)的美國(guó)專(zhuān)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(zhǎng)瀨(Nagase)、日東電工(Nitto Denko)和日本山田(Yamada)等公司，在ECTC2006和EPTC2006會(huì)議上聯(lián)合發(fā)表。當(dāng)時(shí)該技術(shù)被命名為嵌入式晶圓級(jí)焊球(embedded wafer-level ball，eWLB)陣列，這種方法摒棄了引線(xiàn)鍵合、晶圓凸點(diǎn)成型工藝，同時(shí)不再使用引線(xiàn)框和封裝基板，有望實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、小型化的封裝效果。該方法需借助臨時(shí)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(xiàn)層(redistribution layer, RDL)的制備。ECTC2007會(huì)議上，飛思卡爾(Freescale)發(fā)表了一項(xiàng)類(lèi)似技術(shù)，并將其命名為重構(gòu)芯片封裝(redistributed chip package，RCP)。ECTC2008會(huì)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(huì)議上，IME發(fā)表4篇FOWLP相關(guān)論文，分別聚焦于模壓成型過(guò)程中芯片移位的預(yù)測(cè)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(wú)源器件FOWLP的演示。

扇出型(先上晶面朝下)晶圓級(jí)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(jìn)行模壓成型，所制備的RDL金屬線(xiàn)寬/線(xiàn)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(xiàn)寬/線(xiàn)距可縮小至5~10μm。同時(shí)，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實(shí)現(xiàn)小型化(薄型)封裝，提出了一種特殊的組裝工藝。

測(cè)試芯片

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

圖1

測(cè)試封裝體

圖2a為測(cè)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(xiàn)層(RDL)，圖2b為芯片到RDL1的再布線(xiàn)層結(jié)構(gòu)，圖2c為RDL1到RDL2的再布線(xiàn)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(shí)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(shí)際應(yīng)用中，大芯片可作為應(yīng)用處理器芯片，小芯片可作為存儲(chǔ)芯片，這種制備方式效率極高，可一次性實(shí)現(xiàn)629個(gè)封裝體(10mm×10mm，每個(gè)含4顆芯片)的異質(zhì)集成。

圖2

圖3為測(cè)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(xiàn)寬和線(xiàn)距均為5μm，RDL2的金屬線(xiàn)寬和線(xiàn)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(cè)試芯片銅焊盤(pán)與RDL1、穿過(guò)介質(zhì)層(DL1)的孔(VC1)直徑為20~30μm，RDL1焊盤(pán)直徑為55μm，通過(guò)直徑30~40μm的過(guò)孔(V12)與RDL2連接，RDL2焊盤(pán)直徑為65μm。最終在RDL2上形成直徑220μm的焊球銅焊盤(pán)，鈍化層(DL3)開(kāi)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(jí)工藝 圖4為傳統(tǒng)先上晶面朝下FOWLP工藝流程圖。首先，對(duì)器件晶圓進(jìn)行合格芯片(KGD)測(cè)試，測(cè)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(shí)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(shí)載具上預(yù)先粘貼雙面熱剝離膠帶，如圖4a所示。KGD放置完成后，對(duì)重構(gòu)支撐片進(jìn)行EMC模塑處理(見(jiàn)圖4c)，模塑過(guò)程采用模壓+后固化處理(post mold cure，PMC)。模塑完成后，去除臨時(shí)支撐片并剝離膠帶(見(jiàn)圖4d)，接著在重構(gòu)晶圓上制備RDL(見(jiàn)圖4e)，最后進(jìn)行植球操作，并將包含KGD、RDL和焊球的整個(gè)重構(gòu)晶圓劃片切割，得到單獨(dú)的封裝體(見(jiàn)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(shí)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(jiàn)表1，通過(guò)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(jiàn)圖5c和圖6)，層壓溫度設(shè)定為100℃，層壓時(shí)間為30min。

表1

圖6

臨時(shí)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(jiàn)圖4d)，此時(shí)重構(gòu)晶圓的厚度通常不小于450μm，之后再進(jìn)行RDL制備和植球操作(見(jiàn)圖4e)。本研究中，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實(shí)現(xiàn)小型化(薄型)封裝，無(wú)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(huì)給RDL制備和植球操作帶來(lái)極大困難。

針對(duì)這一問(wèn)題，解決方案為將薄重構(gòu)晶圓粘接至另一塊預(yù)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(duì)干膜EMC進(jìn)行130℃、60min的預(yù)固化處理，之后去除第一塊臨時(shí)支撐片并剝離膠帶(見(jiàn)圖5e)，最后對(duì)干膜EMC進(jìn)行180℃、90min的固化處理，確保其性能穩(wěn)定。

再布線(xiàn)層

如圖5e所示，固化完成后開(kāi)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(jìn)式光刻機(jī)(每4個(gè)封裝體作為一個(gè)單元)，在PI層上完成對(duì)準(zhǔn)、曝光、顯影操作，制備出過(guò)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(guò)步進(jìn)式光刻技術(shù)獲得RDL布線(xiàn)圖形，采用電化學(xué)方法在開(kāi)窗后的Ti/Cu層上電鍍Cu線(xiàn)路，剝離光刻膠并刻蝕掉多余的Ti/Cu層，即可得到RDL1;重復(fù)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(xiàn)寬/線(xiàn)距實(shí)拍圖，可見(jiàn)其線(xiàn)寬/線(xiàn)距與設(shè)計(jì)值(5μm)高度吻合。圖9為通過(guò)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(xiàn)寬/線(xiàn)距為5μm，符合設(shè)計(jì)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(pán)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(guò)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(jìn)距離為100μm。光熱轉(zhuǎn)換材料在激光照射下會(huì)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(jìn)行化學(xué)清洗，去除殘留雜質(zhì)。

圖10為無(wú)任何支撐片的重構(gòu)晶圓及單個(gè)封裝體的特寫(xiě)照片，可見(jiàn)一個(gè)封裝體中包含4顆芯片，芯片排布精準(zhǔn)、定位準(zhǔn)確。將重構(gòu)晶圓按照?qǐng)D5g所示進(jìn)行劃片，得到單個(gè)芯片單元，其X射線(xiàn)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(jiàn)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(jì)較厚的原因是，在無(wú)凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)的情況下，可獲得較厚的銅焊盤(pán)，從而有效防止焊球回流及器件工作過(guò)程中銅層被耗盡，保障封裝體的長(zhǎng)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(duì)層壓干膜EMC中的模塑空洞進(jìn)行檢測(cè)。為平衡檢測(cè)分辨率與信號(hào)穿透深度，選用75MHz超聲換能器開(kāi)展空洞檢測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列掃描參數(shù)優(yōu)化與檢測(cè)，未在晶圓中檢測(cè)到任何空洞(包括EMC內(nèi)部及間隔空間)，檢測(cè)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