WLCSP封裝的流程介紹

　　半導(dǎo)體封裝的四個(gè)主要作用，包括機(jī)械保護(hù)、電氣連接、機(jī)械連接和散熱。封裝的形狀和尺寸各異，保護(hù)和連接脆弱集成電路的方法也各不相同。

　　半導(dǎo)體封裝的分類(lèi)

　　半導(dǎo)體封裝方法，大致可以分為兩種：傳統(tǒng)封裝和晶圓級(jí)（Wafer-Level）封裝。傳統(tǒng)封裝首先將晶圓切割成芯片，然后對(duì)芯片進(jìn)行封裝；而晶圓級(jí)封裝則是先在晶圓上進(jìn)行部分或全部封裝，之后再將其切割成單件。

　　晶圓級(jí)封裝方法可進(jìn)一步細(xì)分為四種不同類(lèi)型：

　　1）晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP），可直接在晶圓頂部形成導(dǎo)線和錫球（Solder Balls），無(wú)需基板；

　　2）重新分配層（RDL），使用晶圓級(jí)工藝重新排列芯片上的焊盤(pán)位置1，焊盤(pán)與外部采取電氣連接方式；

　　3）倒片（Flip Chip）封裝，在晶圓上形成焊接凸點(diǎn)2進(jìn)而完成封裝工藝；

　　4）硅通孔（TSV）封裝，通過(guò)硅通孔技術(shù)，在堆疊芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接。

　　晶圓級(jí)芯片封裝分為扇入型WLCSP和扇出型WLCSP。 扇入型WLCSP工藝將導(dǎo)線和錫球固定在晶圓頂部，而扇出型WLCSP則將芯片重新排列為模塑3晶圓。這樣做是為了通過(guò)晶圓級(jí)工藝形成布線層，并將錫球固定在比芯片尺寸更大的封裝上。

　　扇入型 （Fan-In） WLCSP （Wafer Level Chip Scale Package）

　　晶圓級(jí)芯片封裝的大多數(shù)制造過(guò)程都是在晶圓上完成的，是晶圓級(jí)封裝的典型代表。然而，從廣義上講，晶圓級(jí)封裝還包括在晶圓上完成部分工藝的封裝，例如，使用重新分配層、倒片技術(shù)和硅通孔技術(shù)的封裝。在扇入型WLCSP和扇出型WLCSP中，“扇”是指芯片尺寸。扇入型WLCSP的封裝布線、絕緣層和錫球直接位于晶圓頂部。與傳統(tǒng)封裝方法相比，扇入型WLCSP既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。

　　在扇入型WLCSP中，封裝尺寸與芯片尺寸相同，都可以將尺寸縮至最小。此外，扇入型WLCSP的錫球直接固定在芯片上，無(wú)需基板等媒介，電氣傳輸路徑相對(duì)較短，因而電氣特性得到改善。而且，扇入型WLCSP無(wú)需基板和導(dǎo)線等封裝材料，工藝成本較低。這種封裝工藝在晶圓上一次性完成，因而在裸片（Net Die，晶圓上的芯片）數(shù)量多且生產(chǎn)效率高的情況下，可進(jìn)一步節(jié)約成本。

　　扇入型WLCSP的缺點(diǎn)在于，因其采用硅（Si）芯片作為封裝外殼，物理和化學(xué)防護(hù)性能較弱。正是由于這個(gè)原因，這些封裝的熱膨脹系數(shù)與其待固定的PCB基板的熱膨脹系數(shù)5存在很大差異。受此影響，連接封裝與PCB基板的錫球會(huì)承受更大的應(yīng)力，進(jìn)而削弱焊點(diǎn)可靠性。

　　存儲(chǔ)器半導(dǎo)體采用新技術(shù)推出同一容量的芯片時(shí)，芯片尺寸會(huì)產(chǎn)生變化，扇入型WLCSP的另一個(gè)缺點(diǎn)就無(wú)法使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行封裝測(cè)試。此外，如果封裝錫球的陳列尺寸大于芯片尺寸，封裝將無(wú)法滿足錫球的布局要求，也就無(wú)法進(jìn)行封裝。而且，如果晶圓上的芯片數(shù)量較少且生產(chǎn)良率較低，則扇入型WLCSP的封裝成本要高于傳統(tǒng)封裝。

　　扇出型WLCSP

　　扇出型WLCSP既保留了扇入型WLCSP的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)。

　　扇入型WLCSP的所有封裝錫球都位于芯片表面，而扇出型WLCSP的封裝錫球可以延伸至芯片以外。在扇入型WLCSP中，晶圓切割要等到封裝工序完成后進(jìn)行。因此，芯片尺寸必須與封裝尺寸相同，且錫球必須位于芯片尺寸范圍內(nèi)。在扇出型WLCSP中，芯片先切割再封裝，切割好的芯片排列在載體上，重塑成晶圓。在此過(guò)程中，芯片與芯片之間的空間將被填充環(huán)氧樹(shù)脂模塑料，以形成晶圓。然后，這些晶圓將從載體中取出，進(jìn)行晶圓級(jí)處理，并被切割成扇出型WLCSP單元。

　　除了具備扇入型WLCSP的良好電氣特性外，扇出型WLCSP還克服了扇入型WLCSP的一些缺點(diǎn)。這其中包括：無(wú)法使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行封裝測(cè)試；封裝錫球陳列尺寸大于芯片尺寸導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行封裝；以及因封裝不良芯片導(dǎo)致加工成本增加等問(wèn)題。得益于上述優(yōu)勢(shì)，扇出型WLCSP在近年來(lái)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

　　WLCSP 封裝流程

　　晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝（Wafer Level Chip Scale Packaging，簡(jiǎn)稱(chēng)WLCSP），即晶圓級(jí)芯片封裝方式，不同于傳統(tǒng)的芯片封裝方式（先切割再封測(cè)，而封裝后至少增加原芯片20%的體積），此種最新技術(shù)是先在整片晶圓上進(jìn)行封裝和測(cè)試，然后才切割成一個(gè)個(gè)的IC顆粒，因此封裝后的體積即等同IC裸晶的原尺寸。

　　本文主要介紹一下WLCSP封裝的大致流程：（一般分為Bumping，CP test，WLCSP三個(gè)階段）

　　Bumping階段

　　1. Customer Wafer

　　這是第一道工序，主要是將從晶圓廠收到的wafer經(jīng)過(guò)Pre-Clean + SRD預(yù)處理，然后使用O2 Plasma等離子清洗并烘干，目的是去除來(lái)料wafer表面的雜質(zhì)。

　　2. PI coating

　　PI是一層聚合物薄膜層，可以加強(qiáng)芯片的passivation，起到應(yīng)力緩沖的作用。做法是將預(yù)處理后的wafer置于設(shè)備吸盤(pán)上，wafer正面朝上，在wafer正面噴涂高度光敏感性的光刻膠，設(shè)備吸盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，使光刻膠均勻噴涂在整個(gè)wafer表面。

　　3.PI Expose

　　PI曝光是在噴涂光刻膠的wafer與光源（紫外光）中間放入掩膜版（mask），再用紫外光透過(guò)掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。光刻膠有正性光刻膠和負(fù)性光刻膠兩種。正性光刻膠是掩膜版遮擋的區(qū)域進(jìn)行曝光，而負(fù)性光刻膠是對(duì)掩膜版未遮擋的區(qū)域進(jìn)行曝光。

　　4.PI Develop

　　PI顯影。與PI Coating原理類(lèi)似，在wafer正面噴涂顯影液，顯影液與之前曝光區(qū)域形成化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)將曝光區(qū)域顯影出來(lái)，即形成后續(xù)工藝中UBM層所需的一層開(kāi)口區(qū)域。

　　5.PI CURE

　　對(duì)已顯影的wafer進(jìn)行烘烤，目的是蒸發(fā)掉剩余的溶劑使光刻膠變硬，提高光刻膠對(duì)硅片表面的粘附性。

　　6.Sputter Ti

　　濺射Ti層。Ti層是組成UBM（under ball metal）的第一層。UBM層一般有兩層組成（有些廠家做三層），第一層為T(mén)i，第二層為Cu。Ti具有高強(qiáng)度，耐腐蝕性等特點(diǎn)，能與AL PAD和Passivation連接良好，所以Ti層能為UBM層提供高強(qiáng)度的支撐。Sputter 原理是在真空環(huán)境下，電極兩端加上高壓產(chǎn)生直流光輝放電，使加入腔體內(nèi)的工藝氣體（如Plasma）進(jìn)行電離，電離后的正離子在電壓的作用下高速轟擊靶材，靶材逸出的原子和分子向wafer表面沉積形成薄膜層，即Ti層。

　　7.Sputter Cu

　　濺射UBM的第二層Cu. 此處的Cu一般只有1um左右，只是為了形成一個(gè)鈍化層面，為后續(xù)電鍍Cu提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SputterCu的原理與Sputter Ti類(lèi)似。

　　8. PR Coating

　　PR膠是一種負(fù)性光刻膠，是一種間接材料，與PI時(shí)的正性光刻膠作用相反。它的作用是為了在后續(xù)工藝中將不需要電鍍Cu的地方覆蓋，這樣在電鍍Cu時(shí)，只在PR膠未覆蓋的地方”長(zhǎng)”Cu，即UBM開(kāi)口區(qū)域。

　　9.PR曝光

　　PR膠曝光同PI曝光原理類(lèi)似，為了形成UBM開(kāi)口區(qū)域，需通過(guò)曝光和顯影工序?qū)BM開(kāi)口區(qū)域多余的化學(xué)層去除。

　　10.PR顯影

　　PR膠顯影與PI顯影原理類(lèi)似，在PR曝光區(qū)域，利用顯影液將曝光區(qū)域去除，只留出UBM開(kāi)口區(qū)域。

　　11.Plating Cu

　　電鍍Cu層，將剛濺射的Cu電鍍到一定厚度，不僅為置球提供良好的支撐，也為錫球與wafer內(nèi)部電路層提供良好的導(dǎo)電連接。此時(shí)PR膠覆蓋區(qū)域就不會(huì)”長(zhǎng)”Cu，而未覆蓋區(qū)域”長(zhǎng)”出所需要的Cu層。

　　12.刻蝕（PR， Cu ， Ti ）

　　利用化學(xué)品分別刻蝕掉UBM開(kāi)口四周多余的PR層，Cu層，Ti層。至此，一個(gè)完整的UBM開(kāi)口區(qū)域就形成了。

　　13.Ball Mount

　　置球。UBM開(kāi)口形成后，就需要將球置于UBM開(kāi)口上。將帶有UBM開(kāi)口的wafer置于鋼網(wǎng)（Stencil）下面，UBM開(kāi)口與鋼網(wǎng)開(kāi)口一一對(duì)齊，然后在鋼網(wǎng)上刷上一層助焊劑Flux，最后用刮刀將錫球從鋼網(wǎng)開(kāi)口”落”在UBM開(kāi)口區(qū)域

　　14.Reflow

　　回流焊。將置好球的wafer放入回流爐中，錫球在助焊劑flux和高溫（大約260°）的作用下慢慢”長(zhǎng)大”，并完美的填充UBM開(kāi)口區(qū)域，與wafer形成良好的連接。錫球的作用是建立wafer內(nèi)部電路與外部電路的”橋梁”。至此，整個(gè)Bumping工藝完全結(jié)束。

　　CP test階段

　　晶圓測(cè)試。將完成回流焊的wafer進(jìn)行測(cè)試，目的是將在bumping工藝中的不良篩選出來(lái)，提高后續(xù)封裝的良率，監(jiān)測(cè)整個(gè)bumping工藝的質(zhì)量。

　　WLCSP階段

　　1. Backside Grind

　　在wafer正面（球面）貼上一層藍(lán)膜，保護(hù)錫球，然后在Wafer背面用磨輪磨至wafer指定厚度。

　　2. Wafer Backside Coating

　　在wafer背面刷一層背膠。目的是為了增強(qiáng)wafer的硬度，避免容易造成chipping。然后在一定溫度下進(jìn)行烘烤。（這一步選做，可做可不做）。

　　3. Marking（絲?。?/p>

　　在wafer背面按照產(chǎn)品要求打上Marking，包括公司Logo，生產(chǎn)日期，產(chǎn)品批次等相關(guān)信息。

　　4.Wafer Saw

　　Wafer切割。將打好絲印的wafer切割成一粒一粒的芯片。在切割之前，需在wafer背面貼上藍(lán)膜，目的是為切割后的單顆芯片提供保護(hù)，不會(huì)散落。

　　5.Tape & Reel

　　先由頂針將切割后的芯片從藍(lán)膜上一顆一顆頂起，然后由吸嘴吸起來(lái)，放在編帶中進(jìn)行卷帶，最后包裝出貨。

　　以上步驟是整個(gè)流程的大致步驟，忽略了一些檢驗(yàn)，ball shear之類(lèi)的動(dòng)作。

　　資料來(lái)源：

　　1.《［半導(dǎo)體后端工藝： 第三篇］ 了解不同類(lèi)型的半導(dǎo)體封裝》，作者：skhynix

　　https://news.skhynix.com.cn/semiconductor-back-end-process-episode-3-understanding-the-different-types-of-semiconductor-packages/

　　2. 《WLCSP封裝流程》，作者：簡(jiǎn)單qqq

　　https://mbb.eet-china.com/forum/topic/85620_1_1.html

　　編輯：黃飛