晶圆级封装技术的发展现状

晶圆级封装技术的发展现状

2016-04-18 12:36来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部

晶圆级封装随着IC芯片技术的发展，芯片封装技术也不断达到新的水平，目前已可在单芯片上实现系统的集成。

在众多的新型封装技术中，晶圆级封装技术最具创新性、最受世人瞩目，是封装技术取得革命性突破的标志。晶圆级封装技术的构思是在整片晶圆上进行CSP封装技术的制造，也就是在晶圆级基本完成了大部分的封装工作。因此，晶圆级封装结构，则可省略覆晶技术点胶的步骤，目前可采用弹性体或是类弹性体来抵消应力，而这些弹性体的制程，可在整片晶圆上完成，因此省去了对一个个组件分别点胶的复杂制程。方形晶圆封装技术的设计理念，首先为增加组件与底材之间的距离，亦即选用更大的锡铅焊料球实现导电性，现有的晶圆级封装技术，采用重新布局技术来加大锡铅焊料球的间距，以达到加大锡铅焊料球体积的需求，进而降低并承受由基板与组件之间热膨胀差异而产生的应力，提高组件的可靠性。

晶圆级封装和晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）是同一概念，它是芯片尺寸封装的一个突破性进展，表示的是一类电路封装完成后仍以晶圆形式存在的封装，其流行的主要原因是它可将封装尺寸减小到和IC芯片一样大小以及其加工的成本低，晶圆级封装目前正以惊人的速度增长，其平均年增长率（CAGR）可达210%，推动这种增长的器件主要是集成电路、无源组件、高性能存储器和较少引脚数的器件。

目前有5种成熟的工艺技术可用于晶圆凸点，每种技术各有利弊。其中金线柱焊接凸点和电解或化学镀金焊接凸点主要用于引脚数较少的封装（一般少于40），应用领域包括玻璃覆晶封装（COG）、软膜覆晶封装（COF）和RF模块。由于这类技术材料成本高、工序时间长，因此不适合I/O引脚多的封装件。另一种技术是先置放焊料球，再对预成形的焊料球进行回流焊接，这种技术适用于引脚数多达300的封装件。目前用得最多的两种晶圆凸点工艺是电解或化学电镀焊料，以及使用高精度压印平台的焊膏印刷。

印刷焊膏的优点之一是设备投资少，这使很多晶圆凸点加工制造厂家都能进入该市场，为半导体制造厂家服务。随着WLP逐渐为商业市场所接受，全新的晶圆凸点专业加工服务需求持续迅速增长。的确，大多数晶圆凸点加工厂都以印刷功能为首要条件，并提供一项或多项其它技术。业界许多人士都认为焊膏印刷技术将主导多数晶圆凸点的应用。

最近几年，将四种不同类型的CSP确定为区别新涌现出的封装方法的商业化途径：作为小型化的BGA的刚性和柔性互连、引线框架基和晶圆级封装。由于经济方面的考虑推动着封装技术向着晶圆级封装（WLP）的方向发展，以便在布局定位之前，使每种芯片的封装定形，并确定测试方法。向300mm晶圆尺寸过渡推动着越来越多的晶圆级封装程序的定形方法的出台。WLP对于低针脚数无源组件、EEPROM、闪存、DRAM、ASIC和微处理机已是一种经济的方法。用于互连的面数组对于IC的I/O间距与印制电路板（PCB）的布线密度匹配也是很有必要的，这对于将用于微电子系统的不同组件或模块组合到一起是很必要的。因此，10年前开发出的重新布局技术对于WLP来说是一种最基本的工艺步骤。

目前的大容量WLP与Phoenix, Arizona和Unitive（自1999年在台湾）（开始从MCNC分离出来，现在属于Amkor的一部分）的FCI（前者倒装芯片技术）的技术类似。他们的商标名为UltraCSP（FCI）和Xtreme（Unitive/Amkor）的这种技术制定了标准，现在WLP每星期的出货量达百万件。

WLP是在市场不断地追求小型化的压力下，倒装芯片技术与SMT和BGA结合的产物。业内对于晶圆级封装理念的命名还不明确，定义上有些混乱。关键是在组装前是否需要对器件进行进一步的封装。如果不需要的话，就应将这种技术定义为晶圆级封装。对于多数高I/O微处理机和ASIC来说，在实施最后表面组装焊接前，芯片是装在互连载体上的，这样的话，就不是晶圆级封装了。缩略语FCIP（封装内倒装芯片，Flip Chip in Package）应用于这些方法中。

用于CSP的所有晶圆级方法的独特性能是在封装内没有采用（圆片级）键合技术。其是集BGA/CSP、倒装芯片和晶圆处理的经济性优点于一体，使其成为一种低成本的封装方法。

新的和改良的微电子系统要求更加复杂的器件，由于板上的子系统布线方面的因素，这类器件会限制性能。堆栈的各塑料封装不仅有成本高的缺点，而且不能够为实现缩小整体封装尺寸和像电阻、电容、电感和滤波器这样的无源组件的集成提供有效的方法。3D系统集成提供了一种可以克服这些缺点的技术。

采用倒装芯片进行垂直集成要求有一个重新布局轨迹的基体芯片，使其与二个芯片的I/O布局匹配。这样，就能够使倒装芯片的性能优点与集成到重新布局层中的无源组件的选择相结合。图2所示是在重新布局的IC焊盘的第二个硅芯片上装有倒装芯片的微控制器的堆栈式FC-WLP。从基体芯片到WLCSP基板的互连是使用线焊的方法完成的。

在这种方法中，晶圆级上的功能基体芯片被用作第二个芯片的倒装芯片键合的有源基板。使用共晶或无铅焊料球实现电子和机械互连，其方法是采用电镀技术沉积无铅焊料。将基体芯片重新布局在可焊的UBM的面数组。重新布局是由电镀铜轨迹达到低电氘率。