一文詳解晶圓級(jí)封裝技術(shù)

來(lái)源：今日半導(dǎo)體

1 引言

傳統(tǒng)上，IC芯片與外部的電氣連接是用金屬引線以鍵合的方式把芯片上的I／O連至封裝載體并經(jīng)封裝引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著IC芯片特征尺寸的縮小和集成規(guī)模的擴(kuò)大，I／O的間距不斷減小、數(shù)量不斷增多。當(dāng)I／O間距縮小到70 um以下時(shí)，引線鍵合技術(shù)就不再適用，必須尋求新的技術(shù)途徑。晶元級(jí)封裝技術(shù)利用薄膜再分布上藝，使I／O可以分布在IC芯片的整個(gè)表面上而不再僅僅局限于窄小的IC芯片的周邊區(qū)域，從而解決了高密度、細(xì)間距I／O芯片的電氣連接問(wèn)題。

在眾多的新型封裝技術(shù)中，晶元級(jí)封裝技術(shù)最具創(chuàng)新性、最受世人矚目，是封裝技術(shù)取得革命性突破的標(biāo)志。晶元級(jí)封裝技術(shù)以晶元為加工對(duì)象，在晶元上同時(shí)對(duì)眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測(cè)試，最后切割成單個(gè)器件。它使封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降。晶元級(jí)封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注并迅速獲得巨大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在移動(dòng)電話等便攜式產(chǎn)品中，已普遍采用晶元級(jí)封裝型的EPROM、IPD(集成無(wú)源器件)、模擬芯片等器件。采用晶元級(jí)封裝的器件門(mén)類(lèi)正在不斷增多，晶元級(jí)封裝技術(shù)是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展的新技術(shù)。

為了提高晶元級(jí)封裝的適用性并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，人們正在研究和開(kāi)發(fā)各種新型技術(shù)同時(shí)解決產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，開(kāi)展對(duì)晶元級(jí)封裝技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研究。

2 晶元級(jí)封裝

WLP的最初萌芽是由用于移動(dòng)電話的低速I(mǎi)／O(low-I／O)、低速晶體管元器件制造帶動(dòng)起來(lái)的，如無(wú)源的片上感應(yīng)器和功率傳輸ICs等，目前WLP正處于發(fā)展階段，受到藍(lán)牙、GPS(全球定位系統(tǒng))元器件以及聲卡等應(yīng)用的推動(dòng)，需求正在逐步增長(zhǎng)。當(dāng)發(fā)展到3G手機(jī)生產(chǎn)階段時(shí)，預(yù)計(jì)各種各樣的手機(jī)內(nèi)容全新應(yīng)用將成為WLP的又一個(gè)成長(zhǎng)動(dòng)力，其中包括電視調(diào)諧器(TV tuners)、調(diào)頻發(fā)射器(FM transmitters)以及堆棧存儲(chǔ)器等。隨著存儲(chǔ)器件制造商開(kāi)始逐步實(shí)施WLP，將引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的模式化變遷。

目前，晶元級(jí)封裝技術(shù)已廣泛用于閃速存儲(chǔ)器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驅(qū)動(dòng)器、射頻器件、邏輯器件、電源／電池管理器件和模擬器件(穩(wěn)壓器、溫度傳感器、控制器、運(yùn)算放大器、功率放大器)等領(lǐng)域。晶元級(jí)封裝主要采用薄膜再分布技術(shù)、凸點(diǎn)形成兩大基礎(chǔ)技術(shù)。前者用于把沿芯片周邊分布的焊接區(qū)域轉(zhuǎn)換為在芯片表面上按平面陣列形式分布的凸點(diǎn)焊區(qū)。后者則用于在凸點(diǎn)焊區(qū)上制作凸點(diǎn)，形成焊球陣列。

3 薄膜再分布WL-CSP

膜再分布WL-CSP是當(dāng)今使用最普遍的工藝。因?yàn)樗某杀据^低，非常適合大批量、便攜式產(chǎn)品板級(jí)應(yīng)用可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求。如同其它的WLP一樣，薄膜再分布WL-CSP的晶元仍采用常規(guī)晶元工藝制作。在晶元送交WLP供貨商之前，要對(duì)晶元進(jìn)行測(cè)試，以便對(duì)電路進(jìn)行分類(lèi)和繪出合格電路的晶元圖。晶元在再分布之前，先要對(duì)器件的布局進(jìn)行評(píng)估，以確認(rèn)該晶元是否適合于進(jìn)行焊球再分布。

一種典型的再分布工藝，最終形成的焊料凸點(diǎn)呈面陣列布局，該工藝中，采用BCB作為再分布的介質(zhì)層，Cu作為再分布連線金屬，采用濺射法淀積凸點(diǎn)底部金屬層(UBM)，絲網(wǎng)印刷法淀積焊膏并回流，其中底部金屬層工藝對(duì)于減少金屬間化合反應(yīng)和提高互連可靠性來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

再分布工藝就是在器件表面重新布置I／O焊盤(pán)。圖3示出了鍵合閃速存儲(chǔ)器上再分布的情形。從圖中可見(jiàn)，閃速存儲(chǔ)器芯片四邊上的原有焊盤(pán)轉(zhuǎn)換成了凸點(diǎn)陣列。在此實(shí)例中，器件表面使用了兩層介質(zhì)層，中間夾有的一層再分布金屬化層用于改變I／O的分布。在這工序之后，電鍍上焊球凸點(diǎn)，于是芯片就變成了WLP產(chǎn)品。

將引線鍵合焊盤(pán)設(shè)計(jì)再分布成焊球陣列焊盤(pán)的缺點(diǎn)是：生產(chǎn)的WLP產(chǎn)品在器件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)或制造成本方面不可能是最佳。但是，一旦證明其技術(shù)上可行，那么就可對(duì)這種電路重新設(shè)計(jì)，于是就可以消除外加再分布。這種情況已成共識(shí)。為此，特別定義了一種雙相判定程序。下一代的變化可能是在芯片最后金屬層內(nèi)集成再分布層，或者是一種用以改進(jìn)性能的最短信號(hào)線的新設(shè)計(jì)。

重新設(shè)計(jì)可能需要補(bǔ)充新的軟件工具。由于重新設(shè)計(jì)可消除外加的再分布工序和相關(guān)工藝，因此，重新設(shè)計(jì)的信號(hào)、電源和接地線的結(jié)構(gòu)非常低廉。聚合物用于硅片平坦化，對(duì)芯片提供必要的保護(hù)，以及用作標(biāo)準(zhǔn)的表面涂敖。對(duì)于薄膜再分布WLP來(lái)說(shuō)，單層聚合物WLP方法不失為一種成本--效益更佳的設(shè)計(jì)。

4 晶元級(jí)微凸點(diǎn)的制作

引線鍵合自50年前誕生以來(lái)，一直被認(rèn)為是一種通用的、可靠的互連技術(shù)。但是，隨著移動(dòng)通信、因特網(wǎng)電子商務(wù)無(wú)線接入系統(tǒng)及藍(lán)牙系統(tǒng)與傘球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的高速發(fā)展，手機(jī)已成為高密度存儲(chǔ)器最強(qiáng)、最快的增長(zhǎng)動(dòng)力，它正在取代PC成為高密度存儲(chǔ)器的技術(shù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)更低成本、更小外形、更高速的器件性能、更長(zhǎng)的電池壽命、更好的散熱、"綠色"工藝和更高的器件可靠性的需求，使得設(shè)計(jì)人員把目光投向倒裝芯片凸點(diǎn)互連技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)。

鉛錫凸點(diǎn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)推動(dòng)力來(lái)自持續(xù)的器件尺寸緊縮。在130nm技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，約有30%的邏輯芯片需要凸點(diǎn)技術(shù)。但是在90 nm技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，這一數(shù)據(jù)躍升到60%，當(dāng)發(fā)展到了65 nm器件量產(chǎn)制造時(shí)，金凸點(diǎn)技術(shù)的需求則攀升至80%以上。

WLP以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP。有人又將WLP稱(chēng)為晶元級(jí)芯片尺寸封裝(WLP-CSP)它不僅充分體現(xiàn)了BGA、CSP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且是封裝技術(shù)取得革命性突破的標(biāo)志。晶元級(jí)封裝技術(shù)采用批量生產(chǎn)工藝制造技術(shù)，可以將封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降，并且把封裝與芯片的制造融為一體，將徹底改變芯片制造業(yè)與芯片封裝業(yè)分離的局面。正因?yàn)榫г?jí)封裝技術(shù)有如此重要的意義，所以，它一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注并迅速獲得巨大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

4.1 凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)

在倒裝芯片互連方式中，UBM層是IC上金屬焊盤(pán)和金凸點(diǎn)或焊料凸點(diǎn)之間的關(guān)鍵界面層。該層是倒裝芯片封裝技術(shù)的關(guān)鍵因素之一，并為芯片的電路和焊料凸點(diǎn)兩方面提供高可靠性的電學(xué)和機(jī)械連接。凸點(diǎn)和I／O焊盤(pán)之間的UBM層需要與金屬焊盤(pán)和晶圓鈍化層具有足夠好的粘結(jié)性；在后續(xù)工藝步驟中保護(hù)金屬焊盤(pán)；在金屬焊盤(pán)和凸點(diǎn)之間保持低接觸電阻；可以作為金屬焊盤(pán)和凸點(diǎn)之間有效的擴(kuò)散阻擋層；并且可以作為焊料凸點(diǎn)或者金凸點(diǎn)沉積的種子層。

UBM層通常是在整個(gè)晶圓表面沉積多層金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)。用于沉積UBM層的技術(shù)包括蒸發(fā)、化學(xué)鍍和濺射沉積。在高級(jí)封裝中，無(wú)論從成本還是技術(shù)角度考慮，晶圓凸點(diǎn)制作都非常關(guān)鍵。在晶圓凸點(diǎn)制作中,金屬沉積占到全部成本的50%以上。晶圓凸點(diǎn)制作中最為常風(fēng)的金屬沉積步驟是凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)的沉積和凸點(diǎn)本身的沉積,一般通過(guò)電鍍工藝實(shí)現(xiàn)。

電鍍技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很窄的凸點(diǎn)節(jié)距并維持高產(chǎn)率。并且該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍也很廣，可以制作不同尺寸、節(jié)距和幾何形狀的凸點(diǎn)，電鍍技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地在晶圓凸點(diǎn)制作中被采用，成為最具實(shí)用價(jià)值的方案。

首先在晶圓上完成UBM層的制作。然后沉積厚膠并曝光，為電鍍焊料形成模板。電鍍之后，將光刻膠去除并刻蝕掉暴露出來(lái)的UBM層。最后一部工藝是再流，形成焊料球。電鍍制作微凸點(diǎn)的詳細(xì)工藝步驟為：

(1)在晶元上蒸發(fā)／濺射籽晶導(dǎo)電層(seed conductive layer)的金屬層；

(2)在晶元上旋轉(zhuǎn)涂覆一層光刻膠；

(3)光刻電極窗口陣列圖形；

(4)通過(guò)光刻膠上小孔電鍍金屬微嵌入體；

(5)去除光刻膠；

(6)刻蝕已暴露的籽晶導(dǎo)電層。

(7)在金屬嵌入體上涂覆厚層光刻膠；

(8)套刻出Au凸點(diǎn)；

(9)刻蝕掉部分厚膠，使金屬嵌入體的突出部分得以顯現(xiàn)；

(10)電鍍Au凸點(diǎn)；

(11)在嵌入體頂部淀積一層很薄的Au或Cu層。

共面性是指晶元內(nèi)所有凸點(diǎn)高度的一致性，它在倒裝芯片鍵合工藝中有著嚴(yán)格的要求。在倒裝芯片鍵合中，凸點(diǎn)的高度變化會(huì)導(dǎo)致力的不均勻分布、芯片碎裂和電學(xué)開(kāi)路。對(duì)于凸點(diǎn)共面性的典型要求是在整個(gè)芯片的凸點(diǎn)的高度差不能大于5μm。

5 厚膜光刻

晶圓級(jí)工藝技術(shù)，如微小間距晶圓凸點(diǎn)、引線焊盤(pán)重分布和集成無(wú)源元件等為很多應(yīng)用提供了方便的解決方案。目前，許多IC和MEMS的器件已經(jīng)應(yīng)用了這些技術(shù)。利用這些技術(shù)，可以在晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)器件封裝和測(cè)試，再進(jìn)行其后的切割工序。通常高級(jí)封裝技術(shù)涉及5～100 μm的厚膜工藝，如厚膠旋涂、對(duì)表面有較大起伏的厚膠均勻曝光以及獲得非常陡峭的厚膠側(cè)壁。等倍式全場(chǎng)曝光系統(tǒng)是一種可以滿足這種需求的設(shè)備解決方案，其產(chǎn)量高、自對(duì)準(zhǔn)成本低，在厚膜光刻領(lǐng)域成為投影式步進(jìn)機(jī)最具競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)。

晶圓級(jí)封裝工藝包括金屬化、光刻、電介質(zhì)淀積和厚膜光刻膠旋涂、焊料淀積和回流焊接。圖形化工藝通常涉及到用幾層金屬制作用于凸點(diǎn)基礎(chǔ)的凸點(diǎn)下金屬層(UBM)。凸點(diǎn)和晶圓連接的導(dǎo)電性要很好，鈍化層和凸點(diǎn)下金屬層需要有很好的附著性。光刻膠圖形化的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程包括清洗、涂膠、前烘、曝光、后烘、顯影和堅(jiān)膜。每步工藝都需要定義一套參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)以后的工序有所影響。光刻膠圖形化完成之后，通過(guò)電鍍或蒸鍍方法向空穴里填充焊料或金。下一步就是去除光刻膠，在烤爐內(nèi)進(jìn)行回流工藝，將柱狀凸點(diǎn)轉(zhuǎn)換成球形凸點(diǎn)。

厚光刻膠涂層將保留在芯片上作為制造金屬焊點(diǎn)微模具的掩模。重分布涂層可以改裝成凸點(diǎn)版圖，或者作為周邊焊盤(pán)和面積分布焊盤(pán)陣列的連線，這些焊盤(pán)陣列由5～100 μm厚的具有不同電學(xué)、化學(xué)、機(jī)械和熱屬性多晶硅膜制成。隔離再分布區(qū)域跡線需要具有高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性和低絕緣系數(shù)的材料。這些材料已經(jīng)研發(fā)成功，其中一類(lèi)材料稱(chēng)為聚酰亞胺(如杜邦公司研制的PI系列)，另外一種絕緣材料是美國(guó)道化學(xué)公司(Dow chemicals)的苯丙環(huán)丁烯(Cyclotene；BCB)。PI和BCB廣泛應(yīng)用于倒裝芯片凸點(diǎn)封裝及其他封裝工藝。

使用厚膜光刻膠的焊盤(pán)、凸點(diǎn)和球下金屬層結(jié)構(gòu)的微特征模具可以滿足WLP中的不同需要。盡管普遍應(yīng)用的金屬化材料是錫鉛、金和銅，但是也可應(yīng)用其他幾種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。用于標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的材料要求具有高分辨率圖形轉(zhuǎn)換和易于剝離的屬性。很多實(shí)際應(yīng)用需要光刻膠厚度超過(guò)100μm。為了能獲得這樣的厚度，制造商研制出合適的涂層材料。

為了滿足這些需要，制造商們研制出相應(yīng)的材料和工藝設(shè)備。很多材料可以在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝設(shè)備上實(shí)現(xiàn)"薄"光刻膠涂層(即2-10 μm)。AZP4330(安智電子材料集團(tuán))和Shipleys 955(Rohm&Haas公司／Shipley公司)光刻膠用于實(shí)現(xiàn)5～100μm光刻膠膜層厚度。利用多層涂層工藝可以實(shí)現(xiàn)25 μm膜厚的光刻膠涂層，但這將會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間和成本。AZ P4620和SPR 220單層可以實(shí)現(xiàn)25 μm厚度。對(duì)于更厚的涂層，材料和厚度的選擇范圍變得更小。當(dāng)用單層淀積得到所需的光刻膠涂層時(shí)，在成本上會(huì)有很多益處。因此，研制單層50 μm及以上厚度的光刻膠材料是非常必要的。例如JSR THB-611P和安智電子材料集團(tuán)的AZPLP100XT等材料可以實(shí)現(xiàn)單層60 μm及以上厚度的光刻膠涂層。最近的研究工作主要是利用AZ9260實(shí)現(xiàn)單層65 μm厚度的光刻膠涂層和利用AZ50XT實(shí)現(xiàn)單層100 μm厚度的光刻膠。

厚膜工藝對(duì)于系統(tǒng)有一些特殊的要求。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)須能在整個(gè)膠厚范圍和晶圓表面起伏的特定高度均勻的識(shí)別作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的幾何圖案。由于曝光源利用平行光曝光而不依賴(lài)焦點(diǎn)，因此可以利用接近式***結(jié)合陰影曝光原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。光刻過(guò)程對(duì)于接近式掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)的要求包括：高強(qiáng)度、高均勻性、紫外光的波長(zhǎng)與光刻膠的敏感波長(zhǎng)相吻合、亞微米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度和在曝光過(guò)程中掩模和晶圓之間保持準(zhǔn)確可控且一致的間隙。

EVG公司的NanoAlign技術(shù)以最高的對(duì)準(zhǔn)精度和分辨率以及最低的使用成本為設(shè)計(jì)理念來(lái)凸現(xiàn)全場(chǎng)曝光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。目前，其公司的所有曝光機(jī)已經(jīng)應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。其目標(biāo)包括了主動(dòng)異?？刂坪蛠?00 nm動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)分辨率。其設(shè)備包括從標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)改進(jìn)而來(lái)的專(zhuān)門(mén)涂膠設(shè)備與接觸／接近式曝光機(jī)。最新型的200 mm EVG6200 Infinity和300 mm EVG IQ Aligner曝光機(jī)擁有良好的靈活性與友好的客戶界面，可以充分滿足需要厚膠工藝的φ200 mm與φ300 mm晶圓的工業(yè)生產(chǎn)。

6 晶元減薄

芯片減薄技術(shù)，在疊層式芯片封裝技術(shù)方面是至關(guān)重要的，因?yàn)樗档土朔庋b貼裝高度，并能夠使芯片疊加而不增加疊層式芯片系統(tǒng)方面的總高度。智能卡和RFID是體現(xiàn)薄型晶元各項(xiàng)要求的重要部分最薄的單芯片應(yīng)用形式。較薄的芯片可增加熱循環(huán)可靠性，且支持薄形產(chǎn)品。但芯片薄到什么程度取決于晶元直徑和WLP工藝，其原因是：薄的晶元表面容易產(chǎn)出損傷，引起微裂紋，以及在其后的操作中造成晶元破裂。由于晶元背面研磨是晶元加工工藝的最終步驟，而晶元要減薄到什么程度卻受WLP工藝限制。因此，把晶元級(jí)封裝看作是晶元工藝的延伸，在設(shè)計(jì)晶元工藝時(shí)應(yīng)考慮到封裝工藝步驟的適用范圍。

硅與安裝基板熱膨脹系數(shù)匹配不良是封裝焊料球在熱循環(huán)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用中產(chǎn)生疲勞失效的重要原因。另外，這種失效也與每個(gè)元件自身的強(qiáng)度如何密切相關(guān)。芯片越薄，柔性也越好，焊料球抗疲勞的性能必將得到提高。因此，將晶元減薄并由此減小芯片厚度，也是改進(jìn)焊料凸點(diǎn)可靠性的重要措施之一。在晶元級(jí)封裝加工之前減薄晶元，容易使晶元變形甚至破碎，這是不可取的。在晶元級(jí)封裝加工完成之后進(jìn)行晶元減薄是一種較好的辦法，但實(shí)施起來(lái)比較困難。供晶元級(jí)封裝制造用的晶元和減薄技術(shù)及設(shè)備正在開(kāi)發(fā)之中。

7 晶元級(jí)封裝的優(yōu)勢(shì)

晶元級(jí)封裝以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP，充分體現(xiàn)了BGA、CSP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①封裝加工效率高，它以晶元形式的批量生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造；②具有倒裝芯片封裝的優(yōu)點(diǎn)，即輕、薄、短、小；③晶元級(jí)封裝生產(chǎn)設(shè)施費(fèi)用低，可充分利用晶元的制造設(shè)備，無(wú)須投資另建封裝生產(chǎn)線；④晶元級(jí)封裝的芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)可以統(tǒng)一考慮、同時(shí)進(jìn)行，這將提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用；⑤晶元級(jí)封裝從芯片制造、封裝到產(chǎn)品發(fā)往用戶的整個(gè)過(guò)程中，中間環(huán)節(jié)大大減少，周期縮短很多，這必將導(dǎo)致成本的降低；⑥晶元級(jí)封裝的成本與每個(gè)晶元上的芯片數(shù)量密切相關(guān)，晶元上的芯片數(shù)越多，晶元級(jí)封裝的成本也越低。晶元級(jí)封裝是尺寸最小的低成本封裝。晶元級(jí)封裝技術(shù)是真正意義上的批量生產(chǎn)芯片封裝技術(shù)。

WLP的優(yōu)勢(shì)在于它是一種適用于更小型集成電路的芯片級(jí)封裝(CSP)技術(shù)，由于在晶元級(jí)采用并行封裝和電子測(cè)試技術(shù)，在提高產(chǎn)量的同時(shí)顯著減少芯片面積。由于在晶元級(jí)采用并行操作進(jìn)行芯片連接，因此可以大大降低每個(gè)I／O的成本。此外，采用簡(jiǎn)化的晶元級(jí)測(cè)試程序?qū)?huì)進(jìn)一步降低成本。利用晶元級(jí)封裝可以在晶元級(jí)實(shí)現(xiàn)芯片的封裝與測(cè)試。

8 晶元級(jí)封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

晶元級(jí)封裝技術(shù)要努力降低成本，不斷提高可靠性水平，擴(kuò)大在大型IC方面的應(yīng)用。在焊球技術(shù)方面，將開(kāi)發(fā)無(wú)Pb焊球技術(shù)和高Pb焊球技術(shù)。隨著IC晶元尺寸的不斷擴(kuò)大和工藝技術(shù)的進(jìn)步，IC廠商將研究與開(kāi)發(fā)新一代晶元級(jí)封裝技術(shù)，這一代技術(shù)既能滿足φ300 mm晶元的需要，又能適應(yīng)近期出現(xiàn)的銅布線技術(shù)和低介電常數(shù)層間介質(zhì)技術(shù)的要求。此外，還要求提高晶元級(jí)封裝處理電流的能力和承受溫度的能力。WLBI(晶元級(jí)測(cè)試和老化)技術(shù)也是需要研究的重要課題。WLBI技術(shù)是要在IC晶元上直接進(jìn)行電氣測(cè)試和老化，這對(duì)晶元級(jí)封裝簡(jiǎn)化工藝流程和降低生產(chǎn)成本都具有重要的意義。

結(jié)束語(yǔ)：晶元級(jí)封裝技術(shù)是低成本的批量生產(chǎn)芯片封裝技術(shù)。晶元級(jí)封裝與芯片的尺寸相同，是最小的微型表面貼裝器件。由于晶元級(jí)封裝的一系列優(yōu)點(diǎn)，晶元級(jí)封裝技術(shù)在現(xiàn)代電子裝置小型化、低成本化需求的推動(dòng)下，正在蓬勃向前發(fā)展。當(dāng)前，晶元級(jí)封裝技術(shù)通常適用于I／O數(shù)低的小尺寸芯片。業(yè)界還需要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，發(fā)展大尺寸芯片的晶元級(jí)封裝和精細(xì)節(jié)距焊球陣列晶元級(jí)封裝。

現(xiàn)代電子裝置選擇封裝類(lèi)型時(shí)，既要滿足設(shè)計(jì)要求又要成本最低?，F(xiàn)有水平的晶元級(jí)封裝還只是一種可供選擇的封裝類(lèi)型。要使晶元級(jí)封裝技術(shù)成為未來(lái)量大面廣的產(chǎn)品主流制造技術(shù)，還有許多工作要做。把半導(dǎo)體芯片和WLP封裝結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)，對(duì)WLP器件的布局無(wú)疑會(huì)帶來(lái)好處，并可改善器件性能。在WLP中，由于晶元上的所有器件的封裝步驟都是同時(shí)進(jìn)行的，成批加工可降低封裝成本。

附：Fan-in和Fan-out的區(qū)別

從技術(shù)特點(diǎn)上看，晶圓級(jí)封裝主要分為Fan-in和Fan-out兩種。傳統(tǒng)的WLP封裝多采用Fan-in型態(tài)，應(yīng)用于低接腳（Pin）數(shù)的IC。但伴隨IC訊號(hào)輸出接腳數(shù)目增加，對(duì)錫球間距（Ball Pitch）的要求趨于嚴(yán)格，加上印刷電路板（PCB）構(gòu)裝對(duì)于IC封裝后尺寸以及訊號(hào)輸出接腳位置的調(diào)整需求，因此變化衍生出擴(kuò)散型（Fan-out）與Fan-in加Fan-out等各式新型WLP封裝型態(tài)，其制程甚至跳脫傳統(tǒng)WLP封裝概念。

根據(jù)Amkor中國(guó)區(qū)總裁周曉陽(yáng)介紹：采用Fan-in封裝的芯片尺寸和產(chǎn)品尺寸在二維平面上是一樣大的，芯片有足夠的面積把所有的I/O接口都放進(jìn)去。而當(dāng)芯片的尺寸不足以放下所有I/O接口的時(shí)候，就需要Fan-out，當(dāng)然一般的Fan-out 在面積擴(kuò)展的同時(shí)也加了有源和/或無(wú)源器件以形成SIP。

首先談一下扇入型

根據(jù)麥姆斯咨詢的一份報(bào)告顯示。扇入型封裝技術(shù)已經(jīng)成功獲得應(yīng)用，并穩(wěn)定增長(zhǎng)了十余年。由于其固有的、無(wú)可比擬的最小封裝尺寸和低成本相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，至今仍極具吸引力。憑借這些優(yōu)勢(shì)，它逐漸滲透進(jìn)入受尺寸驅(qū)動(dòng)的手持設(shè)備和平板電腦市場(chǎng)，并在這些設(shè)備領(lǐng)域仍保持旺盛的生命力。據(jù)估計(jì)，目前有超過(guò)90%的扇入型封裝技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)領(lǐng)域。談及扇入型封裝技術(shù)應(yīng)用，如今高端智能手機(jī)內(nèi)所有的封裝器件中，超過(guò)30%采用了扇入型封裝。因此，扇入型封裝技術(shù)在手機(jī)領(lǐng)域還處于商業(yè)黃金期。

盡管扇入型封裝技術(shù)的增長(zhǎng)步伐到目前為止還很穩(wěn)定，但是全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，以及未來(lái)應(yīng)用不確定性因素的增長(zhǎng)，將不可避免的影響扇入型封裝技術(shù)的未來(lái)前景。隨著智能手機(jī)出貨量增長(zhǎng)從2013年的35%下降至2016年的8%，預(yù)計(jì)到2020年這一數(shù)字將進(jìn)一步下降至6%，智能手機(jī)市場(chǎng)引領(lǐng)的扇入型封裝技術(shù)應(yīng)用正日趨飽和。盡管預(yù)期的高增長(zhǎng)并不樂(lè)觀，但是智能手機(jī)仍是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì)2020年智能手機(jī)的出貨量將達(dá)20億部。

目前主要的扇入型封裝器件為WiFi/BT（無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙）集成組件、收發(fā)器、PMIC（電源管理集成電路）和DC/DC轉(zhuǎn)換器（約占總量的50%），以及包括MEMS和圖像傳感器在內(nèi)的各種數(shù)字、模擬、混合信號(hào)器件。扇入型封裝技術(shù)未來(lái)可能面臨的最大挑戰(zhàn)，或?qū)⑹窍到y(tǒng)級(jí)封裝的器件功能集成。下圖為系統(tǒng)級(jí)封裝增長(zhǎng)對(duì)扇入型封裝出貨量的影響，其整體復(fù)合年增長(zhǎng)率從9%下降到了6%。本報(bào)告詳細(xì)分析了系統(tǒng)級(jí)封裝的增長(zhǎng)及其對(duì)扇入型封裝的影響。

受系統(tǒng)級(jí)封裝影響的扇入型封裝出貨量預(yù)測(cè)

而扇入型的市場(chǎng)，從2015年的統(tǒng)計(jì)顯示，看出外包半導(dǎo)體封測(cè)占據(jù)了主要的市場(chǎng)份額，其中包括一家IDM廠商（TI，德州儀器）和一家代工廠（TSMC，臺(tái)積電）。STATS ChipPAC（新科金朋）被JCET（長(zhǎng)電科技）收購(gòu)后展現(xiàn)出強(qiáng)勁的跨躍發(fā)展。而在設(shè)計(jì)端，Qualcomm（高通）和Broadcom（博通）推動(dòng)了整個(gè)扇入型封裝50%的市場(chǎng)。

扇入型封裝制造市場(chǎng)份額

關(guān)于封裝技術(shù)，過(guò)去幾年市場(chǎng)大多關(guān)注扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)的發(fā)展。但是，扇入型封裝走出了一條自己的發(fā)展道路和路徑圖，除了進(jìn)一步擴(kuò)展，它仍能帶來(lái)其它類(lèi)型的創(chuàng)新技術(shù)，如六面模具保護(hù)等。本報(bào)告提供了兩種扇入型封裝技術(shù)發(fā)展路徑圖的詳細(xì)分析：一種為大規(guī)模批量生產(chǎn)（HVM）路徑圖，另一種為生產(chǎn)就緒路徑圖。路徑圖包括I/O計(jì)數(shù)器、L/S、凸點(diǎn)間距、封裝厚度、尺寸等等。此外，本報(bào)告還從利用IC技術(shù)節(jié)點(diǎn)和進(jìn)一步前端擴(kuò)展扇入型IC器件方面分析了扇入型封裝技術(shù)。盡管扇入型封裝技術(shù)的HVM生產(chǎn)路徑的擴(kuò)展速度慢于扇出型封裝技術(shù)，但扇入型封裝技術(shù)有能力達(dá)到大多數(shù)扇出型封裝的擴(kuò)展條件，具備隨時(shí)可提供的生產(chǎn)就緒發(fā)展路徑。

其次談一下扇出型

扇出型封裝采取拉線出來(lái)的方式，成本相對(duì)便宜；fan out WLP可以讓多種不同裸晶，做成像WLP制程一般埋進(jìn)去，等于減一層封裝，假設(shè)放置多顆裸晶，等于省了多層封裝，有助于降低客戶成本。此時(shí)唯一會(huì)影響IC成本的因素則為裸晶大小。

2013年起，全球各主要封測(cè)廠積極擴(kuò)充FOWLP產(chǎn)能，主要是為了滿足中低價(jià)智慧型手機(jī)市場(chǎng)，對(duì)于成本的嚴(yán)苛要求。FOWLP由于不須使用載板材料，因此可節(jié)省近30%封裝成本，且封裝厚度也更加輕薄，有助于提升晶片商產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力

麥姆斯咨詢的報(bào)告顯示，2016年是扇出型封裝市場(chǎng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，蘋(píng)果和臺(tái)積電的加入改變了該技術(shù)的應(yīng)用狀況，可能將使市場(chǎng)開(kāi)始逐漸接受扇出型封裝技術(shù)。扇出型封裝市場(chǎng)將分化發(fā)展成兩種類(lèi)型：

扇出型封裝“核心”市場(chǎng)，包括基帶、電源管理及射頻收發(fā)器等單芯片應(yīng)用。該市場(chǎng)是扇出型晶圓級(jí)封裝解決方案的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并將保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

扇出型封裝“高密度”市場(chǎng)，始于蘋(píng)果公司APE，包括處理器、存儲(chǔ)器等輸入輸出數(shù)據(jù)量更大的應(yīng)用。該市場(chǎng)具有較大的不確定性，需要新的集成解決方案和高性能扇出型封裝解決方案。但是，該市場(chǎng)具有很大的市場(chǎng)潛力。

由于扇出型封裝技術(shù)具有潛力巨大的“高密度”市場(chǎng)和增長(zhǎng)穩(wěn)定的“核心”市場(chǎng)，該領(lǐng)域的供應(yīng)鏈預(yù)計(jì)將在扇出型封裝能力方面投入巨資。一些廠商已經(jīng)能夠提供扇出型晶圓級(jí)封裝，但還有許多廠商仍處于扇出型封裝平臺(tái)的開(kāi)發(fā)階段，以期能夠進(jìn)入扇出型封裝市場(chǎng)，擴(kuò)大它們的產(chǎn)品組合。

除了臺(tái)積電之外，STATS ChipPAC（新加坡星科金朋）將利用JCET（江蘇長(zhǎng)電科技）的支持進(jìn)一步投入扇出型封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)（2015年初，江蘇長(zhǎng)電科技以7.8億美元收購(gòu)了新加坡星科金朋）；ASE（日月光集團(tuán)）則和Deca Technologies建立了深入的合作關(guān)系（2016年5月，Deca Technologies獲日月光集團(tuán)6000萬(wàn)美元投資，日月光集團(tuán)則獲得Deca Technologies的M系列扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)及工藝授權(quán)）；Amkor（安靠科技）、 SPIL（矽品科技）及Powertech（力成科技）正瞄準(zhǔn)未來(lái)的量產(chǎn)而處于扇出型封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)階段。三星看上去似乎有些落后，它正在抉擇如何參與競(jìng)爭(zhēng)。

扇出型技術(shù)的發(fā)展歷史

而在市場(chǎng)容量方面，扇出型封裝保持56%的復(fù)合年增長(zhǎng)率，未來(lái)將會(huì)給封測(cè)廠商帶來(lái)廣闊的前景。

扇出型封裝的市場(chǎng)營(yíng)收預(yù)測(cè)（按市場(chǎng)類(lèi)型劃分）

但這個(gè)新技術(shù)在未來(lái)還要面臨很大的挑戰(zhàn)，Amkor中國(guó)區(qū)總裁周曉陽(yáng)表示，F(xiàn)an-out技術(shù)在尺寸比較小、比較薄，速度比較快的應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)會(huì)有很大的需求。目前的Fan-out成本相對(duì)較高，需要在技術(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化。該技術(shù)除了wafer-based之外，還有不少?gòu)S商也在做panel-based。

目前，臺(tái)積電（TSMC）也是Fan-out技術(shù)的主要推動(dòng)者之一，而Amkor和其他主要封測(cè)公司也都有各自不同形式的Fan-out獨(dú)門(mén)技術(shù)。相對(duì)來(lái)講，目前的Fan-out技術(shù)還不是很成熟，其成品率和可靠性還有待于進(jìn)一步提升。

審核編輯：湯梓紅

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