晶圓級(jí)封裝（WLCSP）簡介

WLCSP（Wafer-Level Chip-Scale Package）是一種將晶圓級(jí)封裝（WLP）和芯片尺寸封裝（CSP）合為一體的封裝技術(shù)。芯片尺寸封裝（CSP）是指整個(gè)package的面積相比于silicon總面積不超過120%的封裝技術(shù)。該技術(shù)有效促進(jìn)集成電路的小型化，但是其不適合服務(wù)器級(jí)處理器的應(yīng)用。晶圓級(jí)封裝（WLP）是指在晶圓前道工序完成后，直接對(duì)晶圓進(jìn)行封裝，再切割分離成單一芯片，相對(duì)于傳統(tǒng)封裝將晶圓切割成單個(gè)芯片后再進(jìn)行封裝，WLP 技術(shù)在封裝成本和生產(chǎn)效率等方面具有明顯的優(yōu)勢。目前大部分先進(jìn)封裝，比如英特爾的Foveros系列，臺(tái)積電的SOIC, InFO等等都是基于晶圓級(jí)的。WLCSP則是巧妙地結(jié)合上述兩種封裝方式的優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的引線鍵合，WLCSP最大特點(diǎn)就是封裝體積小，互聯(lián)路徑短。WLCSP的應(yīng)用非常廣泛，相比于引線鍵合工藝能夠更好地滿足便攜式電子設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等小型高集成度產(chǎn)品的需求。但是WLCSP也是有其局限性的，因其可用于bump的面積受silicon面積限制，所以總共的IO（input/output）數(shù)量有限，通常其IO密度也相對(duì)較低。

Flip Chip Technologies（于2014年被天水華天收購）在1998年公布了其UltraCSP的專利技術(shù)。他們提出使用再分布層 (RDL) 將芯片的外圍焊盤向芯片內(nèi)部扇入并通過焊球（或凸塊）連接到印刷電路板（PCB）或封裝基板。自2001年開始，Amkor等其他OSATs和晶圓代工廠得申請(qǐng)得到了Flip Chip Technologies的許可來使用UltraCSP技術(shù)，自此WLCSP逐步被大規(guī)模應(yīng)用。值得一提的是，這一專利已經(jīng)過了20年的有效期了。成立于2003年的天水華天科技在2014年末以約2.58億元收購了Flip Chip Technologies的100%股權(quán)。通過本次收購，華天科技進(jìn)一步提高了在晶圓級(jí)封裝及flip chip封裝上的技術(shù)水平。算得上是一次相當(dāng)成功的收購。圖一顯示了天水華天在Phoenix的分部 Flip Chip International。

值得一提的是大陸封測三巨頭，長電，通富和華天的發(fā)家史都曾成功收購境外先進(jìn)封測廠。長電科技公司于2003年上市是中國半導(dǎo)體業(yè)第一家上市公司。長電科技作為大陸封測龍頭，取得如今的地位是跟2015年以“蛇吞象”方式收購星科金朋是分不開的。2015年長電科技以7.8億美元的價(jià)格收購了當(dāng)時(shí)全球排名第四位的新加坡廠商星科金朋 Statschippac，使其一下子躋身全球封測行業(yè)第一梯隊(duì)。2007年上市的通富微電在2015年收購了AMD在蘇州及馬來西亞檳城的兩家專門從事封測業(yè)務(wù)的子公司各85%的股權(quán)。通過此次收購，通富微電得到了AMD的芯片封裝和測試業(yè)務(wù)，進(jìn)而鞏固了其在國內(nèi)的領(lǐng)先地位并進(jìn)一步提升了公司的行業(yè)影響力和海外知名度。這里提到的重大收購案都是在中美科技站開打之前，放如今都是很難完成的交易。

WLCSP可以從有無重布線層來分成兩種結(jié)構(gòu)類型：直接凸塊BOP (bump on pad)和重布層RDL(Redistribution Layer)。直接凸塊WLCSP包含一個(gè)可選的介電層(常見的有聚酰亞胺，苯并環(huán)丁烯 和聚苯并雙惡唑等)，這個(gè)層用作有源裸片表面上的應(yīng)力緩沖器。該介電層覆蓋了除連接焊盤開窗區(qū)域（pad opening）之外的整個(gè)裸片面積。在這些開窗區(qū)域之上濺射或電鍍凸塊下金屬層(UBM)。UBM是不同金屬層的堆疊，包括抗擴(kuò)散層、潤濕層和抗氧化層。然后通過植球回流焊方式來形成焊球或者銅柱加錫膏凸塊。與直接凸塊WLCSP不同的是，重布層WLCSP使用兩層或者更多的介電層。第一層介電層和BOP工藝一樣附在裸片上。然后通過光刻顯影薄膜沉積電鍍等工藝在介電層上形成金屬層。金屬層通過垂直通孔和芯片的pads相連。如果集成度比較高的話，可能需要更多層的重布線。接下去需要在金屬層上再敷上一層介電層，然后在介電層打孔形成vias。然后類似于第一層金屬層的流程來完成制造第二層金屬層。同樣的方法，還可以繼續(xù)用類似的工藝增加更多的重布線層。目前重布線層一般不超過4層。最后在表面涂布表面介電層，然后通過植球形成C4或者帶銅柱的C2 bumps。

由于BOP WLCSP工藝流程可以被包含到RDL WLCSP中，接下來我們來大體地講講RDL WLCSP的制造工藝流程步驟。如圖二所示，一層RDL WLCSP的主要制造流程步驟有：

1. 清洗前端制程完成后的晶圓，通常使用超聲波清洗
2. 旋涂Spin coating介電層，常用的介電層材料有聚酰亞胺(PI)苯并環(huán)丁烯 (BCB)、聚苯并雙惡唑 (PBO) 等聚合物, 偶爾也會(huì)用到基板材料ABF等。
3. 固化介電層，通常需要一個(gè)小時(shí)。介電層的厚度通常在4-7微米之間
4. 旋涂Spin coating涂上光刻膠
5. 然后使用光刻技術(shù)（對(duì)準(zhǔn)，曝光，顯影）在光刻膠層對(duì)應(yīng)芯片pads的地方打開通孔。然后通常用干法蝕刻 PI、BCB或PBO介電層。介電層通孔完成后剝離光刻膠。取決于線距線寬，bump pitch等因素，也可以使用激光直接在介電層上鉆孔。這種方案更經(jīng)濟(jì)，流程也更簡單。
6. 在整個(gè)晶圓上濺射鈦銅種子層，通常種子層相對(duì)來說比較薄，不超過2微米
7. 旋涂光刻膠
8. 通過曝光顯影等來定義金屬層結(jié)構(gòu)
9. 在光刻膠開口處電鍍銅，也可以根據(jù)需要來電鍍鎳鈀金
10. 剝離光刻膠
11. 蝕刻掉鈦銅種子層
12. 旋涂Spin coating介電層
13. 旋涂Spin coating涂上光刻膠
14. 然后使用光刻技術(shù)（對(duì)準(zhǔn)，曝光，顯影）在光刻膠層對(duì)應(yīng)焊盤凸點(diǎn)的地方打開通孔。然后通常用干法蝕刻 PI、BCB 或 PBO介電層。介電層通孔完成后剝離光刻膠
15. 在整個(gè)晶片上濺射鈦銅種子層
16. 涂上光刻膠和掩模，然后用光刻技術(shù)打開凸點(diǎn)焊盤上的通孔以暴露帶有 UBM 的區(qū)域
17. 電鍍銅芯
18. 電鍍焊料，通常是SnAg等材料
19. 剝離光刻膠
20. 蝕刻掉鈦銅種子層
21. 涂抹助焊劑并回流焊料

多層RDL WLCSP的制造工藝，就是重復(fù)步驟2-11。另外PI材料本身就是一種光刻膠，所以在使用PI作為介電材料層時(shí)，光刻膠相關(guān)的步驟就可以略去。

只有正面有介電層的WLCSP芯片的mechanical reliability是相對(duì)比較差的。背面碎裂和側(cè)壁開裂等failure modes相當(dāng)程度上限制WLCSP的應(yīng)用。成本較高的5面甚至6面塑封WLCSP封裝工藝大大改進(jìn)了可靠性，進(jìn)而也越來越受歡迎。星科金朋（2015年被長電收購）在2011年公布了他們的5面塑封WLCSP專利，他們稱之為eWLCSP，如圖三所示。芯片的背面和四個(gè)側(cè)面都受到塑封料保護(hù)。值得指出的是eWLCSP跟eWLB技術(shù)是非常類似的。關(guān)注艾邦，今后我們還會(huì)詳細(xì)講講eWLB技術(shù)。星科金朋的eWLCSP跟Chip first face down扇出型工藝非常類似。Device wafer經(jīng)過CP測試后被切割成一個(gè)個(gè)芯片。良品芯片被選擇出來重新貼裝到一個(gè)晶圓載板上。塑封后把芯片從晶圓載板脫離開。在芯片的正面做重布線層，植球等，最后切割成一個(gè)個(gè)單顆eWLCSP芯片。

新加坡的UTAC公司，臺(tái)灣的矽品公司和大陸的華天科技分別在2015年，2016年和2018年推出了6面受保護(hù)的WLCSP，如圖四所示。UTAC公司的WLCSP芯片的四個(gè)側(cè)面和正面受到環(huán)氧樹脂保護(hù)，芯片的背面則是由傳統(tǒng)的膠帶貼膜的方法。矽品和華天科技公司則是推出了6面都受環(huán)氧樹脂保護(hù)的WLCSP芯片制造工藝。這三家公司的WLCSP工藝是非常相似，不同之處在于他們背面芯片的保護(hù)層工藝。他們都沒有像星科金朋那樣去先切割和臨時(shí)鍵合到一個(gè)晶圓載板上再塑封，然后翻過來再去來制作重布線，植球，劃片等工藝。如圖五所示，他們的工藝流程大體可以分成以下步驟：

1. 清洗前端制程完成后的晶圓
2. 重布線層制作
3. 植球
4. 晶圓厚度部分切割
5. 晶圓正面塑封
6. 背部研磨直到都出環(huán)氧樹脂層
7. 芯片背部塑封
8. 切割

受益消費(fèi)電子、汽車電子等小尺寸芯片的需求拉動(dòng)，WLCSP 封裝的市場容量已結(jié)占到先進(jìn)封裝總量的約12%。我們預(yù)計(jì)WLCSP封裝市場容量有望進(jìn)一步提升。艾邦半導(dǎo)體在后面的文章中會(huì)接著這個(gè)話題討論P(yáng)LCSP封裝工藝和市場現(xiàn)狀。

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