晶圓芯片級(jí)封裝 (WCSP) 去掉了許多傳統(tǒng)的封裝步驟，例如：裸片焊接、引線接合以及芯片級(jí)倒裝片 (flip chip) 連接工藝等。這種方法使半導(dǎo)體客戶加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程。WCSP應(yīng)用正擴(kuò)展到一些新領(lǐng)域，并逐漸出現(xiàn)基于引腳數(shù)量和器件類型的細(xì)分市場(chǎng)。集成無(wú)源分立RF和存儲(chǔ)器件的WCSP應(yīng)用也正擴(kuò)展到邏輯IC和MEMS。但是這種發(fā)展也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，包括裸片尺寸和引腳數(shù)的增長(zhǎng)對(duì)板級(jí)可靠性所產(chǎn)生的影響。本文將介紹我們當(dāng)前面臨的諸多挑戰(zhàn)，以及集成化和硅過(guò)孔 (TSV) 技術(shù)等一些未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。



WCSP在過(guò)去十年獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，已成為主要尺寸封裝之一。WCSP專業(yè)技術(shù)公司已經(jīng)從一些小公司發(fā)展成為大型封裝分包商，以及一些擁有150mm、200mm和300mm 制造能力（制造能力和趕超能力需求迅速增長(zhǎng)）的大型集成器件廠商。由于早期的一些用戶集成了無(wú)源器件和分立器件，使應(yīng)用空間也獲得了相當(dāng)大的增長(zhǎng)。

由于WCSP已經(jīng)發(fā)展成熟，大型裸片和器件類型變得多樣化。在整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，始終保留著一個(gè)關(guān)鍵屬性：在不使用倒裝片底層填充 (underfill) 的情況下獲得可靠性（限制裸片尺寸）。

焊球間距始終主要為0.5mm，而大批量生產(chǎn)時(shí)仍為0.4mm。0.3mm的凸焊能力已得到證明，但其采用受到安裝表面貼裝技術(shù) (SMT) 工具集功能、基板成本以及倒裝片底層填充潛在需求的阻礙。

材料組合以及對(duì)工藝條件的理解能力都已得到提高。這些反過(guò)來(lái)又支持更高的可靠性，以及敏感器件更低的固化溫度，例如：存儲(chǔ)器等。

為什么采用WCSP？

WCSP具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括封裝尺寸縮小、更低的成本、更高的電氣性能以及比傳統(tǒng)封裝相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等。相比倒裝片板上組件，WCSP器件一般不要求倒裝片底層填充。實(shí)際上，已經(jīng)得到證明的是：0.4mm最小焊球間距和126引腳數(shù)的WCSP器件并不需要使用倒裝片底層填充來(lái)滿足板級(jí)可靠性要求。隨著WCSP尺寸和引腳數(shù)的不斷增加，這一優(yōu)點(diǎn)也受到了挑戰(zhàn)，但如果使用了正確的協(xié)同設(shè)計(jì)策略這種優(yōu)點(diǎn)仍然可以保留。由于WCSP向0.3mm焊球間距轉(zhuǎn)移，很可能會(huì)要求使用倒裝片底層填充來(lái)確保滿足板級(jí)可靠性要求。盡管擁有很多優(yōu)勢(shì)，但也存在眾多挑戰(zhàn)——最明顯的便是可靠性和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)

相當(dāng)多的研究已經(jīng)幫助克服了這些挑戰(zhàn)，而WCSP封裝已在許多新的器件類型和應(yīng)用得到應(yīng)用。除可靠性和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以外，其他主要的挑戰(zhàn)還包括測(cè)試和晶圓處理。未來(lái)的一些機(jī)遇（包括3D/TSV）將帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)，從而需要?jiǎng)?chuàng)新型解決方案。

板級(jí)可靠性。一般而言，板級(jí)可靠性 (BLR) 測(cè)試包括溫度周期變化、壓降測(cè)試和彎曲測(cè)試。但是了解對(duì)組件應(yīng)用可靠性的影響也很重要，包括使用實(shí)例和貼裝結(jié)構(gòu)（貼裝至印刷線路板 (PWB) 層壓板模塊還是陶瓷模塊）。焊盤過(guò)孔和非焊盤過(guò)孔混合結(jié)構(gòu)使用的一些模塊應(yīng)用在獲得 BLR 方面最為困難。但是，我們可以使用一些協(xié)同設(shè)計(jì)策略來(lái)提高 BLR 性能，包括層疊結(jié)構(gòu)、智能焊球數(shù)量減少以及獨(dú)特的重新分布層 (RDL) 設(shè)計(jì)。

由于移動(dòng)設(shè)備廠商壓低其印刷電路板 () 上無(wú)源組件的高度，半導(dǎo)體供應(yīng)商也同步降低了封裝高度。結(jié)果，隨著焊料基準(zhǔn)距的減小，板級(jí)溫度周期性能也被降低，因?yàn)楣韬筒牧现g熱膨脹的錯(cuò)配系數(shù)。在低引腳數(shù)模擬器件中，例如：音頻放大器等，這些整體應(yīng)力并不是一個(gè)大問(wèn)題。但是，隨著器件功能增加以及更多組件集成到同一塊硅片中，最遠(yuǎn)焊球DNP（到中性點(diǎn)的距離）會(huì)更大，從而增加BLR風(fēng)險(xiǎn)。

新一代WCSP將側(cè)重于封裝的掩模組減少。掩模減少，可以實(shí)現(xiàn)更短的產(chǎn)品上市時(shí)間和更低的封裝成本。但是，必須要在不犧牲電遷移和BLR的情況下實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。在WCSP中，我們習(xí)慣上認(rèn)為最必需的一層是凸塊底部金屬層，其會(huì)減緩焊料中錫和RDL之間的反應(yīng)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散阻隔層將會(huì)與重分布層混合，從而除去UBM層。



設(shè)計(jì)。WCSP供應(yīng)商在從焊盤到區(qū)域陣列范圍 (area array pattern) 的什么地方構(gòu)建布線所需的RDL存在爭(zhēng)議。晶圓加工廠方法（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）中，通常將一個(gè)額外增加的鋁層用于這種連接。這種方法的缺點(diǎn)是凸塊支持會(huì)占用很多的頂層金屬面積。



最常見(jiàn)是使用銅的凸塊晶圓廠RDL（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）方法。這種方法具有更高的電流密度和可靠性，因?yàn)榭梢允褂酶竦碾娊橘|(zhì)和金屬層。凸塊晶圓廠RDL還允許將出貨晶圓分成不同的封裝類型，包括傳統(tǒng)的引線接合封裝或者WCSP，其為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段理想的選擇，因?yàn)榭梢院苋菀椎厣a(chǎn)電氣特性的快速批量樣片。相同器件可以使用不同方法時(shí)，客戶會(huì)根據(jù)散熱額定值、單價(jià)以及最適合其應(yīng)用的尺寸來(lái)選擇某種封裝。未來(lái)，隨著晶圓廠采用一些創(chuàng)新型銅工藝解決方案/結(jié)構(gòu)，并增加更厚的電介質(zhì)容量，業(yè)界對(duì)于從單獨(dú)凸焊廠向晶圓廠轉(zhuǎn)移的這一過(guò)程可能會(huì)進(jìn)行重新評(píng)估。

另一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是了解RDL布局對(duì)RF性能的影響。作為協(xié)同設(shè)計(jì)努力的一個(gè)部分，IC處于平面布局說(shuō)明時(shí)就必須對(duì)RDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在優(yōu)化器件性能。另外，必須遵循一種結(jié)構(gòu)化的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以保證電氣性能和機(jī)械可靠性，因?yàn)榻M件焊球的位置也在平面布局期間確定。多種封裝配置（WCSP、引線接合BGA、倒裝片BGA）中相同硅設(shè)計(jì)的使用，也可以在結(jié)構(gòu)化協(xié)同設(shè)計(jì)嘗試期間確定。

隨著硅節(jié)點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)步以及裸片尺寸的縮小，我們必須注意其他一些挑戰(zhàn)。我們必須理解低介電常數(shù) (low-k) 電介質(zhì)的WCSP完整性、劃片街區(qū) (saw streets) 寬度減少以及多個(gè)晶圓廠和組裝廠的整合，目的是確保WCSP封裝的完整性和可靠性得到維持。

更多挑戰(zhàn)

測(cè)試。典型WCSP工藝的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是缺少最終封裝測(cè)試。大多數(shù)情況下，最終電氣測(cè)試都是在凸塊回流后在晶圓層進(jìn)行。因此，在制造過(guò)程的這一“后端”部分，必須進(jìn)行高強(qiáng)度的目視檢查，其包括激光標(biāo)記、切割和封裝。隨著這種封裝進(jìn)入汽車和醫(yī)療行業(yè)，工藝控制和質(zhì)量檢查系統(tǒng)便成為必需。

晶圓承載。從合格制造到SMT組裝的整個(gè)過(guò)程期間，正確的WCSP器件承載都至關(guān)重要。為了確保WCSP生產(chǎn)期間較高的組裝良率，很重要的一點(diǎn)就是將所有過(guò)程步驟都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而保證操作員晶圓承載從少到無(wú)。在合格檢查期間，在應(yīng)力測(cè)試和電氣測(cè)試之間承載器件時(shí)，使用試片板等臨時(shí)載板可以幫助防止對(duì)器件的損壞。WCSP組件一般在切割成形以前以晶圓形式測(cè)試，其有助于避免承載單個(gè)封裝帶來(lái)的器件損壞。

隨著WCSP封裝厚度不斷減小來(lái)滿足終端客戶高度要求，晶圓承載變得越來(lái)越重要，同時(shí)也越來(lái)越富有挑戰(zhàn)性。更薄的WCSP封裝意味著更薄的晶圓，其在WCSP制造過(guò)程期間導(dǎo)致晶圓彎曲變形。另外，終端客戶SMT工藝必須能夠在沒(méi)有組裝損壞的情況下承載薄硅片。

未來(lái)趨勢(shì)

隨著WCSP的發(fā)展，我們將見(jiàn)證TSV互連技術(shù)的融合，其提供有源端到裸片后端的電氣連接。這種能力允許IC或者其他組件（MEMS、無(wú)源組件等）堆疊，從而構(gòu)建起高集成度的芯片組或者系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 系統(tǒng)。

針對(duì)CMOS圖像傳感器 (CIS) 和 MEMS 產(chǎn)品的一些TSV型解決方案已經(jīng)投產(chǎn)，同時(shí)將這種技術(shù)用于那些要求高性能、低功耗、異構(gòu)功能集成、小體積和低成本的產(chǎn)品應(yīng)用很有益處。



圖3描述了堆疊WCSP封裝概念。底部TSV晶圓可以是一個(gè)有源WCSP器件（一個(gè)中介層）或者是一個(gè)集成無(wú)源中介層，而頂部則可以為一個(gè)IC、MEMS器件、分立無(wú)源器件或者另一個(gè)此類器件。

由于這種堆疊WCSP封裝組裝的配置結(jié)構(gòu)和方法有很多種，因此在選擇產(chǎn)品集成流程或路徑以前，需要仔細(xì)考慮集成方案、可靠性問(wèn)題、商業(yè)模式（供應(yīng)鏈）和成本。就TSV制造來(lái)說(shuō)，較普遍的流程是“中間過(guò)孔”工藝（BEOL層中晶圓變薄以前形成的過(guò)孔），然后是“后過(guò)孔”工藝（完成包括變薄等WCSP晶圓處理以后形成的過(guò)孔）。

后過(guò)孔工藝成本較低，因?yàn)門SV和后端RDL同時(shí)生產(chǎn)。要求細(xì)間距和更小過(guò)孔直徑時(shí)，中間過(guò)孔工藝具有優(yōu)勢(shì)；這些要求的目的是獲得高性能，以及實(shí)現(xiàn)芯片尺寸符合要求。隨后，堆疊組件的組裝涉及使用引線接合、SMT或者倒裝片工藝的連接，之后是二次成型步驟（如果需要）。另外一種可能性是，最終封裝僅為一種獨(dú)立TSV-WCSP，各種組件堆疊在其上面，同POP（堆疊式封裝）類似，也可以簡(jiǎn)單地將其嵌入到基板或?qū)訅喊逯小?br />
堆疊WCSP制造流程的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域之一是TSV蝕刻及電鍍步驟（部分或者全部填充）、組件堆疊互連及組裝方法（取決于散熱預(yù)算）、二次成型材料的選擇（可產(chǎn)生最小晶圓級(jí)和封裝級(jí)扭曲變形）、兼容二氧化物沉淀和堆疊組件組裝工藝的載體晶圓粘合劑的選擇以及薄未模塑或模塑晶圓或者薄裸片的承載和出貨。



所有這些都要求追加資金實(shí)現(xiàn)載體晶圓支持系統(tǒng)，用于接合/剝落器件晶圓或堆疊晶圓配件、芯片到晶圓 (C2W) 抓放或倒裝片接合機(jī)、晶圓級(jí)模機(jī)、后端光刻以及氧化物沉積工具等。

正如任何新的封裝技術(shù)一樣，都會(huì)面臨巨大的可靠性和可制造性挑戰(zhàn)。在WCSP封裝中使用倒裝片底層填充和模具復(fù)合材料后，封裝濕度敏感水平 (MSL) 級(jí)別不再是MSL1。中間過(guò)程步驟期間和最終封裝級(jí)的扭曲控制，對(duì)避免出現(xiàn)SMT問(wèn)題至關(guān)重要。

TSV裸片本身的強(qiáng)度較低，其會(huì)轉(zhuǎn)化成裸片開(kāi)裂或者電介質(zhì)開(kāi)裂和脫層問(wèn)題。其他一些潛在的可靠性問(wèn)題還包括TSV氧化物襯墊開(kāi)裂、CTE錯(cuò)位帶來(lái)的空隙、微凸塊或互連可靠性以及RDL層脫層或線跡開(kāi)裂等。

結(jié)論

對(duì)于那些尋求更低成本和更短產(chǎn)品上市時(shí)間的一些客戶來(lái)說(shuō)，WCSP具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但卻并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。隨著時(shí)間的推移，WCSP將會(huì)不斷發(fā)展，對(duì)它的需求也會(huì)不斷增加。我們今天面臨的挑戰(zhàn)正逐一得到克服，為新一代封裝鋪平了道路——包括集成技術(shù)和3D結(jié)構(gòu)，它們將會(huì)為半導(dǎo)體產(chǎn)品增加更多的功能。