詳解不同晶圓級封裝的工藝流程

在本系列第七篇文章中，介紹了晶圓級封裝的基本流程。本篇文章將側(cè)重介紹不同晶圓級封裝方法所涉及的各項工藝。晶圓級封裝可分為扇入型晶圓級芯片封裝(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圓級芯片封裝(Fan-Out WLCSP)、重新分配層(RDL)封裝、倒片(Flip Chip)封裝、及硅通孔(TSV)封裝。此外，本文還將介紹應(yīng)用于這些晶圓級封裝的各項工藝，包括光刻(Photolithography)工藝、濺射(Sputtering)工藝、電鍍(Electroplating)工藝和濕法(Wet)工藝。

扇入型晶圓級芯片封裝工藝

在扇入型晶圓級芯片封裝中，合格晶圓首先將進(jìn)入封裝生產(chǎn)線。通過濺射工藝在晶圓表面制備一層金屬膜，并在金屬膜上涂覆一層較厚的光刻膠，光刻膠厚度需超過用于封裝的金屬引線。通過光刻工藝在光刻膠上繪制電路圖案，再利用銅電鍍工藝在曝光區(qū)域形成金屬引線。隨后去除光刻膠，并利用化學(xué)刻蝕（Chemical Etching）工藝去除多余的薄金屬膜，然后在晶圓表面制備絕緣層（Dielectric Layer），并利用光刻工藝去除錫球（Solder Ball）放置區(qū)域的絕緣層。因此，絕緣層也被稱為“阻焊層”（Solder Resist），它是晶圓級芯片封裝中的鈍化層（Passivation Layer），即最后的保護(hù)層，用于區(qū)分錫球放置區(qū)域。如沒有鈍化層，采用回流焊（Reflow Soldering）等工藝時，附著在金屬層上的錫球會持續(xù)融化，無法保持球狀。

利用光刻工藝在絕緣層上繪制電路圖案后，再通過植球工藝使錫球附著于絕緣層。植球安裝完成后，封裝流程也隨之結(jié)束。對封裝完成的整片晶圓進(jìn)行切割后，即可獲得多個獨(dú)立的扇入型晶圓級芯片封裝體。

錫球植球工藝

▲圖1：晶圓級回流焊設(shè)備平面圖（? HANOL出版社）

在植球過程中，需要將錫球附著到晶圓級芯片封裝體上。傳統(tǒng)封裝工藝與晶圓級封裝工藝的關(guān)鍵區(qū)別在于，前者將錫球放置在基板上，而后者將錫球放置在晶圓頂部。因此，除了用于涂敷助焊劑和植球的模板需在尺寸上與晶圓保持一致之外，助焊劑涂敷、植球工藝、回流焊工藝都遵循相同步驟。

此外，回流焊設(shè)備采用基于發(fā)熱板的回流焊方式，如圖1所示，而不是涉及運(yùn)送器的對流熱風(fēng)回流焊方式（Convection Reflow）。晶圓級回流焊設(shè)備在不同的加工階段會對晶圓施加不同溫度，以便保持回流焊操作所需溫度條件，確保封裝工藝流程能夠順利進(jìn)行。

倒片封裝凸點(diǎn)工藝

倒片封裝體中凸點(diǎn)（Bump）是基于晶圓級工藝而完成的，而后續(xù)工序則與傳統(tǒng)封裝工藝相同。

▲圖2：倒片封裝工藝概覽

▲ 圖3：倒片封裝凸點(diǎn)制作工序

由于要確保凸點(diǎn)擁有足夠的高度，因此需選用能在晶圓上厚涂的光刻膠。銅柱凸塊（CPB）1需要先后經(jīng)歷銅電鍍和焊料電鍍兩道工序后形成，所使用的焊料通常為不含鉛的錫銀合金。電鍍完成后，光刻膠隨即被去除，并采用金屬刻蝕工藝去除濺射而成的凸點(diǎn)下金屬層（UBM）2，隨后通過晶圓級回流焊設(shè)備將這些凸點(diǎn)制成球形。這里采用的焊接凸點(diǎn)回流焊工藝可以最大限度減少各凸點(diǎn)的高度差，降低焊接凸點(diǎn)表面的粗糙度，同時去除焊料中自帶的氧化物，進(jìn)而保障在倒片鍵合過程中增加鍵合強(qiáng)度。

1銅柱凸塊（CPB）：用于倒片鍵合的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，旨在減少凸點(diǎn)間距。銅作為材料，被用于制作銅柱來承上方凸點(diǎn)。

2凸點(diǎn)下金屬層（UBM）：在倒片凸點(diǎn)下方形成的金屬層。

重新分配層封裝工藝

▲圖4：重新分配層封裝工藝概覽

▲ 圖5：重新分配層形成工序

利用重新分配層封裝工藝，在晶圓原本焊盤上形成新焊盤，以承載額外的金屬引線，此種工藝主要用于芯片堆疊。因此，如圖4所示，重新分配層工序之后的封裝工序遵循傳統(tǒng)封裝工序。在芯片堆疊過程中，每個單獨(dú)芯片都需重復(fù)進(jìn)行芯片貼裝和引線鍵合這兩道工序。

在重新分配層工藝中，首先通過濺射工藝創(chuàng)建一層金屬薄膜，之后在金屬薄膜上涂覆厚層光刻膠。隨后利用光刻工藝?yán)L制電路圖案，在電路圖案的曝光區(qū)域電鍍金層，以形成金屬引線。由于重新分配工藝本身就是重建焊盤的工藝，因此確保引線鍵合強(qiáng)度是十分重要的。這也正是被廣泛用于引線鍵合的材料---金，被用于電鍍的原因。

扇出型晶圓級芯片封裝工藝

在扇出型晶圓級芯片封裝工藝中，首先需要在等同于晶圓形狀的載片上貼附一層薄膜。切割晶圓后，再按照一定間距將優(yōu)質(zhì)芯片貼在薄膜上，接下來對芯片間隔區(qū)域進(jìn)行模塑，以形成新形狀。晶圓模塑完成后，載片和薄膜將被移除。隨后在新形成的晶圓上，利用晶圓設(shè)備創(chuàng)建金屬導(dǎo)線，并附著錫球以便封裝。最后，將晶圓切割成多個獨(dú)立封裝體。

晶圓模塑

制作扇出型晶圓級芯片封裝體時，晶圓模塑是一項重要工序。對于扇出型晶圓級芯片封裝件而言，晶圓塑膜需先在芯片上貼附同樣形狀的晶圓載片，而后將其放置到模塑框架中。將液狀、粉狀或顆粒狀的環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）3加入到模塑框架內(nèi)，對其進(jìn)行加壓和加熱處理來塑膜成型。晶圓模塑不僅是扇出型晶圓級芯片封裝工藝的重要工序，對于利用硅通孔（TSV）工藝制作已知良好堆疊芯片（KGSD）4也是無可或缺的工序。本篇文章的后續(xù)內(nèi)容，將對此展開更詳細(xì)的探討。

3環(huán)氧樹脂模塑料（EMC）：一種基于環(huán)氧樹脂或熱固性聚合物的散熱材料。這種材料可用于密封半導(dǎo)體芯片，以避免芯片受到外部環(huán)境因素影響，如高溫、潮濕、震動等。

4已知良好堆疊芯片（KGSD）：經(jīng)過測試確認(rèn)質(zhì)量良好的由堆疊芯片組成的產(chǎn)品，最好的例子就是 HBM。

硅通孔封裝工藝

圖6展示了采用中通孔（Via-middle）5方法的硅通孔封裝工藝步驟。首先在晶圓制造過程中形成通孔。隨后在封裝過程中，于晶圓正面形成焊接凸點(diǎn)。之后將晶圓貼附在晶圓載片上并進(jìn)行背面研磨，在晶圓背面形成凸點(diǎn)后，將晶圓切割成獨(dú)立芯片單元，并進(jìn)行堆疊。

接下來，將簡單概括中通孔的基本工序。首先在前道工序（Front-end of Line）中，在晶圓上制作晶體管，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體等。隨后使用硬掩模（Hard Mask）6在硅通孔形成區(qū)域繪制電路圖案。之后利用干刻蝕（Dry Etching）工藝去除未覆蓋硬掩膜的區(qū)域，形成深槽。再利用化學(xué)氣相沉積工藝（Chemical Vapor Deposition）制備絕緣膜，如氧化物等。這層絕緣膜將用于隔絕填入槽中的銅等金屬物質(zhì)，防止硅片被金屬物質(zhì)污染。此外絕緣層上還將制備一層金屬薄層作為屏障。

此金屬薄層將被用于電鍍銅層。電鍍完成后，采用化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing）技術(shù)使晶圓表面保持平滑，同時清除其表面銅基材，確保銅基材只留在溝槽中。然后通過后道工序（Back-end of Line）完成晶圓制造。

5中通孔（Via Middle）：一種硅通孔工藝方法，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體形成后及金屬層形成之前開展的工序。

6硬掩膜（Hard Mask）：一種由硬質(zhì)材料而非軟質(zhì)材料制成的薄膜，用于繪制更為精細(xì)的電路圖案。硬掩膜本身對光線并不敏感，所以需使用光刻膠才能進(jìn)一步繪制電路圖案，以最終實(shí)施刻蝕工藝。

▲ 圖6：硅通孔封裝工序（? HANOL出版社）

使用硅通孔技術(shù)制造芯片堆疊封裝體時，一般可采用兩種類型的封裝方法。第一種方法是利用3D芯片堆疊技術(shù)的基板封裝。第二種方法則需創(chuàng)建KGSD，然后基于KGSD來制作2.5D或3D封裝。下文將詳細(xì)介紹如何創(chuàng)建KGSD，以及如何基于KGSD來制作2.5D封裝的過程。

作為利用硅通孔技術(shù)制作而成的芯片堆疊封裝體，制作KGSD必需經(jīng)歷額外封裝工藝，如2.5D封裝、3D封裝以及扇出型晶圓級芯片封裝等，高帶寬存儲器（HBM）就是KGSD產(chǎn)品的一個典型例子。由于KGSD需經(jīng)歷額外封裝工藝，其作為連接引腳的焊接凸點(diǎn)需要比傳統(tǒng)錫球更加精細(xì)。因此3D封裝體中芯片堆疊在基板上，而KGSD中的芯片則堆疊于晶圓上方，晶圓也可以視為KGSD的最底層芯片。就HBM而言，位于最底層的芯片被稱為基礎(chǔ)芯片或基礎(chǔ)晶圓，而位于其上方的芯片則被稱為核心芯片。

此方法工序如下：首先，通過倒片工藝在基礎(chǔ)晶圓和核心晶圓的正面制作凸點(diǎn)。在制作2.5D封裝體時，基底晶圓需要排列凸點(diǎn)，使之能夠附著到中介層（Interposer）；相反，核心晶圓上的凸點(diǎn)布局則是有助于晶圓正面的芯片堆疊。在晶圓正面形成凸點(diǎn)后，應(yīng)減薄晶圓，同時也需在晶圓背面形成凸點(diǎn)。然而，正如前文在介紹背面研磨工藝時所述，需注意在減薄過程中導(dǎo)致晶圓彎曲。在傳統(tǒng)封裝工藝中，進(jìn)行減薄之前，可將晶圓貼附到貼片環(huán)架上，以防止晶圓彎曲，但在硅通孔封裝工藝中，由于凸點(diǎn)形成于晶圓背面，所以這種保護(hù)方法并不適用。為解決此問題，晶圓承載系統(tǒng)（Wafer Support System）應(yīng)運(yùn)而生。利用晶圓承載系統(tǒng)，可借助臨時粘合劑將帶有凸點(diǎn)的晶圓正面貼附于晶圓載片上，同時對晶圓背面進(jìn)行減薄處理。此時晶圓貼附于晶圓載片上，即使經(jīng)過減薄也不會發(fā)生彎曲。

此外，因晶圓載片與晶圓形式相同，因此也可使用晶圓設(shè)備對其進(jìn)行加工?；诖嗽?，可在核心晶圓的背面制作凸點(diǎn)，當(dāng)核心晶圓正面及背面上的凸點(diǎn)均制作完成時，便可對載片進(jìn)行脫粘。隨后將晶圓貼附于貼片環(huán)架中，并參照傳統(tǒng)封裝工藝，對晶圓進(jìn)行切割?；A(chǔ)晶圓始終貼附于晶圓載片上，從核心晶圓上切割下來的芯片則堆疊于基礎(chǔ)晶圓之上。芯片堆疊完成后，再對基礎(chǔ)晶圓進(jìn)行模塑，而后進(jìn)行晶圓載片脫粘。至此，基礎(chǔ)晶圓就變成了堆疊有核心晶圓的模制晶圓。隨后對晶圓進(jìn)行研磨，使其厚度達(dá)到制作2.5D封裝體所需標(biāo)準(zhǔn)，然后再將其切割成獨(dú)立的芯片單元，以制作KGSD。HBM成品包裝后將運(yùn)送至制作2.5D封裝體的客戶手中。

晶圓承載系統(tǒng)工藝

晶圓承載系統(tǒng)是指針對晶圓背面減薄進(jìn)行進(jìn)一步加工的系統(tǒng)，該工藝一般在背面研磨前使用。晶圓承載系統(tǒng)工序涉及兩個步驟：首先是載片鍵合，需將被用于硅通孔封裝的晶圓貼附于載片上；其次是載片脫粘，即在如晶圓背面凸點(diǎn)制作等流程完工后，將載片分離。

圖7展示了晶圓承載系統(tǒng)的工藝步驟。首先在晶圓表面涂覆臨時粘合劑，使其貼附于載片上；待晶圓背面的加工工序完成后，即可對載片進(jìn)行脫粘，并去除殘留粘合劑，以確保晶圓表面清潔。

▲ 圖7：晶圓承載系統(tǒng)工序

進(jìn)行載片鍵合時，需要注意幾個因素：首先，載片鍵合后的晶圓整體厚度應(yīng)均勻一致；其次，鍵合面不應(yīng)存在空隙，兩片晶圓對齊應(yīng)準(zhǔn)確無誤；此外還應(yīng)確保晶圓邊緣不受到粘合劑污染，且在處理過程中應(yīng)盡量避免晶圓發(fā)生彎曲。在載片脫粘過程中，還應(yīng)注意：避免晶圓脫離載片后發(fā)生損壞，如邊緣剝落（Chipping）7或出現(xiàn)裂紋等；避免粘合劑殘留；避免凸點(diǎn)變形。

在基于晶圓承載系統(tǒng)的封裝工藝中，載片脫粘是一個相對復(fù)雜且重要的工序。因此，業(yè)界已經(jīng)提出并研發(fā)多種脫粘方法，并針對每一種脫粘方法開發(fā)出相應(yīng)的臨時粘合劑。典型的脫粘方法包括熱技術(shù)、激光燒蝕（Laser Ablation）后剝離、化學(xué)溶解、機(jī)器剝離后化學(xué)清洗等。

7邊緣剝落（Chipping）：芯片或晶圓邊角損壞。

晶圓邊緣切筋工藝

▲圖8：未切筋（上圖）與切筋后（下圖）的晶圓邊緣對比圖

如圖8上半部分紅圈內(nèi)區(qū)域所示，將采用硅通孔工藝封裝的晶圓鍵合到晶圓載片上，經(jīng)過背面研磨后，其邊緣會變得較為尖銳。此種狀態(tài)下，晶圓后續(xù)還將經(jīng)歷光刻、金屬薄膜制備、電鍍以在背面制作凸點(diǎn)等工序，這些工序會增加晶圓邊緣剝落的風(fēng)險。邊緣裂紋可能會延伸至晶圓內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)工序無法進(jìn)行，最終造成嚴(yán)重的良品損失。為避免此問題，對于采用硅通孔工藝封裝的晶圓，在其進(jìn)行載片鍵合前，應(yīng)先對晶圓正面邊緣進(jìn)行切筋并去除修剪部分。如圖8下半部分區(qū)域所示，將切筋后的晶圓貼附于晶圓載片并對其進(jìn)行背面研磨時，鋒利而凸起的邊緣已消失。因此，在后續(xù)工序中，晶圓邊緣剝落的風(fēng)險也被消除。在切筋過程中，旋轉(zhuǎn)的晶圓切割刀片穿過晶圓邊緣，將指定的邊緣區(qū)域切除。

堆疊工藝

硅通孔封裝工藝中，在晶圓正面和背面形成的凸點(diǎn)均用于鍵合，以便堆疊。同樣地，在倒片鍵合時，批量回流焊（Mass Reflow）工藝8和熱壓縮（Thermocompression）工藝9也用于鍵合。根據(jù)堆疊方式的不同，堆疊工藝可分為芯片與芯片（Chip-to-Chip）堆疊、芯片與晶圓（Chip-to-Wafer）堆疊、晶圓與晶圓（Wafer-to-Wafer）堆疊。

使用硅通孔工藝堆疊芯片時，需使用微型凸點(diǎn)。因此，凸點(diǎn)之間的間距很小，堆疊芯片之間的間距也很小，這就是以可靠性著稱的熱壓縮工藝因被廣泛使用的原因。然而，熱壓縮工藝也存在缺點(diǎn)，那就是耗時長，生產(chǎn)率底，因為在鍵合過程中必然會耗時去加熱加壓。因此熱壓縮工藝逐漸被批量回流焊工藝取代的趨勢日益明顯。

8批量回流焊工藝（Mass Reflow）：將多個器件按陳列連接到基板上，然后在烤箱等中一起加熱，以熔化焊料使之形成互聯(lián)的工藝。因一次性處理多個器件，所以在這個術(shù)語中使用了“批量”這一詞。

9熱壓縮工藝（Thermocompression）：對物體進(jìn)行加熱和加壓處理，使其進(jìn)行鍵合的一種工藝。

探索晶圓封裝工藝的其它范疇

在此系列最近兩篇文章對傳統(tǒng)封裝工藝和晶圓級封裝工藝進(jìn)行探索后，本系列下一篇文章將深入探究構(gòu)成這些封裝體的各種組件原材料。值得關(guān)注的是，下篇文章還將介紹這些小型材料的獨(dú)有特性，并分析它們對半導(dǎo)體產(chǎn)品性能的影響。