【光电集成】晶圆级扇出型封装工艺详解

今日光电 2023-10-10 19:09

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扇出型晶圆级封装技术采取在芯片尺寸以外的区域做I/O接点的布线设计，提高I/O接点数量。采用RDL工艺让芯片可以使用的布线区域增加，充分利用到芯片的有效面积，达到降低成本的目的。扇出型封装技术完成芯片锡球连接后，不需要使用封装载板便可直接焊接在印刷线路板上，这样可以缩短信号传输距离，提高电学性能。

扇出型晶圆级封装技术的优势在于能够利用高密度布线制造工艺，形成功率损耗更低、功能性更强的芯片封装结构，让系统级封装（System in a Package, SiP）和3D芯片封装更愿意采用扇出型晶圆级封装工艺。

第一代FOWLP技术是由德国英飞凌（Infineon）开发的嵌入式晶圆级球栅阵列（Embedded Wafer Level Ball Grid Array, eWLB）技术（见图1），随后出现了台积电（TSMC）的整合式扇出型晶圆级封装（Integrated Fan-Out Package, InFO）技术和飞思卡尔（Freescale）的重分布芯片封装（Redistributed Chip Package, RCP）技术等。由于其成本相对较低，功能性强大，所以逐步被市场接受，例如苹果公司（Apple）已经在A12处理器采用扇出型封装进行量产。同时其不仅在无线领域发展迅速，现在也正渗透进汽车和医疗应用，相信未来我们生活中的大部分设备都会采用扇出型晶圆级封装工艺。

图1 英飞凌eWLB工艺技术示例图

传统的封装技术如倒装封装、引线键合等，其信号互连线的形式包括引线、通孔、锡球等复杂的互连结构。这些复杂的互连结构会影响芯片信号传输的性能。在扇出型封装中（见图2），根据重布线的工序顺序，主要分为先芯片（Chip first）和后芯片（Chip last）两种工艺，根据芯片的放置方式，主要分为面朝上（Face up）和面朝下（Face down）两种工艺，综合上述四种工艺，封装厂根据操作的便利性，综合出以下三种组合工艺，分别是面朝上的先芯片处理（Chip first-face up）、面朝下的先芯片处理（Chip first-face down）和面朝下的后芯片处理（Chip last-face down）。接下来分别对这三种工艺进行阐述。

图2 FOWLP工艺互连结构示意图

1、面朝上的先芯片处理。

面朝上是让芯片的线路面朝上，采用RDL工艺的方式构建凸块，让I/O接触点连接，最后切割单元芯片。（见图3）

图3 面朝上的先芯片处理工艺示意图

面朝上的先芯片处理工艺流程如下：

2、面朝下的先芯片处理。

面朝下是让芯片的线路面朝下的工艺。面朝下与面朝上的区别主要在于芯片带有焊盘一侧的放置方向不同。（见图4）

图4 面朝下的先芯片处理工艺示意图

面朝下的先芯片处理工艺流程如下：

3、面朝下的后芯片处理。

后芯片是先在临时胶带表面进行RDL工艺，然后通过面朝下的方式将芯片与RDL互连，在注塑机中进行塑封、植锡球后完成切割。其与先芯片的主要区别在于RDL的先后顺序。

图5 面朝下的后芯片处理工艺示意图

面朝下的后芯片处理工艺流程如下：

综上所述，面朝上的先芯片处理工艺由于需要利用CMP将塑封层减薄，所以此工艺成本较高，一般封装厂较少采用。面朝下的先芯片处理工艺在移除载板并添加RDL制程时易造成翘曲，所以工艺操作时需要提前防范，但是此工艺封装厂应用较多，例如苹果的A10处理器。面朝下的后芯片处理工艺先采用RDL工艺，这样可以降低芯片封装制程产生的不合格率，目前封装厂应用也较多。

在FOWLP工艺中，重布线层作为工艺中必不可少的一个环节，它是在晶圆表面沉积金属层和绝缘层形成相应的金属布线图案，采用高分子薄膜材料和Al/Cu金属化布线对芯片的I/O焊盘重新布局成面阵分布形式，将其延伸到更为宽松的区域来植锡球。

在扇出型晶圆级封装中主要有两种RDL工艺，分别是：①感光高分子聚合物+电镀铜+蚀刻；②PECVD+Cu-damascene+CMP。市场上第一种工艺应用更为广泛。接下来分别对这两种RDL工艺进行详细解读。

（1）感光高分子聚合物+电镀铜+蚀刻。首先在整个晶圆表面涂覆一层感光绝缘的PI材料，然后使用光刻机对感光绝缘层进行曝光显影；感光绝缘层在200℃的环境下烘烤一小时后形成大约5微米厚的绝缘层；在175℃的环境下通过PVD设备在整个晶圆表面溅射Ti作为阻挡层（Barrier Layer）和Cu作为导电的种子层（Seed Layer）；再通过涂覆光刻胶曝光显影；接着在暴露出来的Ti/Cu层上电镀铜，用于增加铜层厚度，确保芯片线路的导电性；剥离光刻胶并蚀刻Ti/Cu种子层，此时第一层的RDL制作完成。重复上述步骤便可形成更多层的RDL线路。此工艺在扇出型封装工艺中应用较为广泛。（见图6）

图6 第一种RDL工艺流程示意图

（2）PECVD+Cu-damascene+CMP。

该工艺使用SiO2或Si3N4作为绝缘层，并使用电镀工艺在整个晶圆上沉积一层铜，然后使用CMP去除凹槽外多余的铜和种子层以制备RDL的铜导电层。

首先，使用等离子体增强型化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）在晶圆表面形成一层薄的SiO2（或Si3N4）层，然后在SiO2表面涂覆一层光刻胶，随后使用光刻机对感光绝缘层进行曝光显影，并使用反应式离子蚀刻法（Reactive Ion Etching, RIE）除去SiO2，接下来剥离剩余的光刻胶。再重新涂覆光刻胶后，进行曝光显影形成图案，然后再用RIE除去开口处一定厚度的SiO2。接着在表面溅镀Ti/Cu种子层，并在整个晶圆上使用电镀工艺镀上一层铜，接下来采用CMP去除多余的电镀铜和Ti/Cu种子层，最后得到第一层的RDL线路，此方法称为双重Cu-damascene法。重复以上步骤以获得更多的RDL。（见图7）