晶圓級封裝: 熱機(jī)械失效模式和挑戰(zhàn)及整改建議

摘要

WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圓級封裝)的設(shè)計(jì)意圖是降低芯片制造成本，實(shí)現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。本文旨在于介紹這種新封裝技術(shù)的特異性，探討最常見的熱機(jī)械失效問題，并提出相應(yīng)的控制方案和改進(jìn)方法。

晶圓級封裝技術(shù)雖然有優(yōu)勢，但是存在特殊的熱機(jī)械失效問題。很多實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鈍化層或底層破裂、濕氣滲透和/或裸片邊緣離層是晶圓級封裝常見的熱機(jī)械失效模式。此外，裸片邊緣是一個(gè)特別敏感的區(qū)域，我們必須給予更多的關(guān)注。事實(shí)上，扇入型封裝裸片是暴露于空氣中的(裸片周圍沒有模壓復(fù)合物覆蓋)，容易被化學(xué)物質(zhì)污染或發(fā)生破裂現(xiàn)象。所涉及的原因很多，例如晶圓切割工序未經(jīng)優(yōu)化，密封環(huán)結(jié)構(gòu)缺陷(密封環(huán)是指裸片四周的金屬花紋，起到機(jī)械和化學(xué)防護(hù)作用)。此外，由于焊球非?？拷g化層，焊球工序與線路后端?？赡軙?huì)相互影響。

本文采用FEM(Finite Element Method，有限元法)方法分析應(yīng)力，重點(diǎn)放在扇入型封裝上。我們給出了典型的應(yīng)力區(qū)域。為降低機(jī)械失效的風(fēng)險(xiǎn)，我們還簡要介紹了晶圓級封裝的特異性。在描述完機(jī)械失效后，我們還對裸片和鈍化邊緣進(jìn)行了全面的分析。分析結(jié)果顯示，鈍化邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力，這對沉積策略(直接或錐體沉積方法)和邊緣位置提出了要求。此外，研究結(jié)果還顯示，必須降低殘余應(yīng)力，并提高BEoL(線路后端)的鈍化層厚度。

1. 前言和背景

晶圓級封裝的設(shè)計(jì)意圖是降低芯片制造成本，實(shí)現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。雙層電介質(zhì)、RDL(ReDistributionLayer, 重新布線層)、UBM (可焊接薄層，用于焊球底部金屬化)和焊球都位于標(biāo)準(zhǔn)BEoL棧之上。因此，這些層級擴(kuò)展了傳統(tǒng)晶片制程(多層沉積薄膜配合光刻工藝)范圍。晶圓級封裝的焊球工藝與倒裝片封裝非常相似。

圖1：)[A]扇入型封裝(晶圓級封裝)和[B]扇出封裝(封裝大小取決于裸片邊緣與裝配棧層的間隙)

晶圓級封裝主要分為扇入型封裝和扇出型封裝(圖1)兩種。扇入型封裝是在晶圓片未切割前完成封裝工序，即先封裝后切割。因此，裸片封裝后與裸片本身的尺寸相同(圖2 [A])。扇出型封裝是先在人造模壓晶圓片上重構(gòu)每顆裸片，“新”晶圓片是加工RDL布線層的基板，然后按照普通扇入型晶圓級封裝后工序，完成最后的封裝流程(圖2 [B]) [1-2-3-4-5]。

圖2：扇入和扇出型封裝流程

這里需要說明的是，為提高晶圓級封裝的可靠性，目前存在多種焊球裝配工藝，其中包括氮化物層上焊球[6]、聚合物層上焊球[7-8]、銅柱晶圓級封裝等等。本文重點(diǎn)討論在RDL層/聚合物層上用UBM層裝配焊球的方法(圖3)。

圖3：采用聚合物方案裝配UBM焊球

下一章重點(diǎn)介紹晶圓級封裝特有的熱機(jī)械失效現(xiàn)象。

2. 晶圓級封裝集成技術(shù)引起的熱機(jī)械問題

本文特別分析了發(fā)生在BEoL層遠(yuǎn)端(Far-BEoL)和BEoL層的熱失效問題。焊球疲勞等與裸片封裝相關(guān)的失效模式不在本文討論范圍，想了解更信息，請查閱相關(guān)資料，例如本文后面的文獻(xiàn)[9]。我們先用BEoL層大面積離層實(shí)驗(yàn)圖解釋裸片邊緣敏感性問題，然后討論焊球附近區(qū)域是BEoL遠(yuǎn)端層破裂的關(guān)鍵位置。

- 裸片邊緣

扇入型標(biāo)準(zhǔn)封裝裸片是直接暴露于空氣中(裸片周圍無模壓復(fù)合物)，人們擔(dān)心這種封裝非常容易受到外部風(fēng)險(xiǎn)的影響。優(yōu)化晶片切割工藝是降低失效風(fēng)險(xiǎn)的首要措施。為防止破裂在封裝工序和/或可靠性測試過程中曼延，必須控制切割工序在裸片邊緣產(chǎn)生的裂縫(圖4 [A])。此外，這種封裝技術(shù)的聚合物層末端靠近裸片邊緣，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)(CTE)失匹，這個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)附加的殘余應(yīng)力。

為預(yù)防這些問題發(fā)生，最新技術(shù)提出有側(cè)壁的扇入型封裝解決方案。具體做法是，采用與扇出型封裝相同的制程，給裸片加一保護(hù)層(幾十微米厚)，將其完全封閉起來，封裝大小不變，只是增加了一個(gè)機(jī)械保護(hù)罩。

圖4：在BEoL內(nèi)部的裸片邊緣離層;[A]扇入型封裝[B]扇出型封裝

樹脂、聚合物層和裸片邊緣相互作用，致使扇出型封裝的失效風(fēng)險(xiǎn)增加(圖4 [B])。

在這種情況下，密封環(huán)結(jié)構(gòu)是一個(gè)有效的壓制應(yīng)力的方法。作為BEoL層的一部分，密封環(huán)是圍繞在裸片四周的金屬圖案，具有防護(hù)作用，避免化學(xué)污染和裂縫曼延，然而這個(gè)結(jié)構(gòu)不足以預(yù)防所有的失效問題，所以，必須從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化：

-焊球和鈍化層下面

晶圓級封裝的焊球可以裝配在BEoL層上面。鈍化層、UBM層和焊球組件具有不同的熱膨脹系數(shù)，這會(huì)在聚合物層上產(chǎn)生應(yīng)力，在某些極端情況下，甚至還會(huì)導(dǎo)致聚合物層破裂，并有可能最終曼延到BEoL棧。BEoL的最上層是鈍化層，是由氧化物層和氮化物層組成，前者是化學(xué)污染保護(hù)層，后者則用于預(yù)防機(jī)械應(yīng)力。如果鈍化層受損，裸片就會(huì)受到各種形式的污染，導(dǎo)致電氣失效。因此，必須精心設(shè)計(jì)BEoL遠(yuǎn)端層(RDL、焊球和聚合物)。RDL層的密度及其布線需要分布均勻。聚合物及其沉積方法的選擇對于器件的可靠性也很重要。圖5描述了某些典型缺陷。

圖5：[A]焊球靠近鈍化層而引起聚合物層破裂的頂視圖[B]在整個(gè)棧內(nèi)出現(xiàn)破裂的BEoL遠(yuǎn)端層和BEoL層的橫截面

解決這些問題需要我們深入了解相關(guān)結(jié)構(gòu)和專用的優(yōu)化方法。

3. 有限元法數(shù)值分析

本文重點(diǎn)介紹扇入型封裝配置。需要說明地是，某些分析結(jié)果同樣適用于扇出型封裝解決方案(例如，焊球附近結(jié)構(gòu))。

數(shù)值模型

我們使用Ansys的商用軟件進(jìn)行了有限元法分析。第一步是創(chuàng)建一個(gè)3D封裝模型，以了解WLP封裝的應(yīng)力分布區(qū)域。我們探討了焊球附近和裸片邊緣附件的應(yīng)力分布情況。出于對稱性考慮，只描述封裝的四分之一(圖6)。

圖6：有限元法3D扇入型封裝模型 [A] 獨(dú)立封裝 [B] 組裝好的封裝

第二步是簡化BEoL層和聚合物層的建模，用一個(gè)20D模型進(jìn)一步探討各層之間的相互作用(圖7)。這個(gè)棧包括四個(gè)頂層共行覆膜的金屬層和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。為避免數(shù)值錯(cuò)誤，所有配置均保持網(wǎng)格不變，并根據(jù)結(jié)果分析材料性質(zhì)。

圖7：有限元法2D模型包括標(biāo)準(zhǔn)密封環(huán)和聚合物層末端

我們對兩個(gè)模型都施加了225°C至25°C的熱負(fù)載，模擬回流焊工序，并做了一個(gè)線彈性分析。

概述

我們可以考慮獨(dú)立封裝(圖6 [A])和安裝在主板上的封裝(圖6 [B])兩種封裝工藝。本文主要討論前者，讓讀者初步了解WLCSP封裝的特異性。

BEoL層應(yīng)力如圖8所示。在這樣一個(gè)配置中，因?yàn)楹盖蚝屯鈬骷臒崤蛎浵禂?shù)失匹，每個(gè)焊接區(qū)都會(huì)發(fā)生類似的應(yīng)力問題。此外，在裸片外圍可以看到聚合物層邊緣的影響(見圖8中的箭頭)。因此，我們已開始懷疑聚合物、焊球和裸片邊緣的相互作用。需要指出的是，在這個(gè)層面，應(yīng)力的產(chǎn)生唯一原因是本地的熱膨脹失匹，而與封裝尺寸大小無關(guān)。

聚合物邊緣的影響

焊球覆蓋區(qū)域

圖8：BEoL區(qū)的S1應(yīng)力分量(MPa) - 獨(dú)立配置(頂視圖–重點(diǎn)分析封裝角部)

一旦組裝到主板上后，應(yīng)力區(qū)域特性接近在標(biāo)準(zhǔn)倒裝片配置上觀察到的應(yīng)力區(qū)域[10]。在最外層焊球區(qū)域觀察到應(yīng)力最大值，因?yàn)樽钔鈱雍盖虻街行渣c(diǎn)(DNP)(即封裝中心)的距離最遠(yuǎn)(圖9)。我們還觀察到，焊球下面的應(yīng)力分布受焊球至封裝中心的相對位置的影響。因此，壓縮力和拉伸力區(qū)域方向隨焊球位置不同而變化。

圖9：BEoL區(qū)的SZ應(yīng)力分量(MPa) - 組裝到主板上的封裝 (頂視圖)

與獨(dú)立封裝相比，已焊接的焊球使焊盤受到更大的應(yīng)力。不過，無論封裝尺寸多大，裸片和聚會(huì)物邊緣受到的應(yīng)力都會(huì)保持不變。

聚合物層

聚合物邊緣可選用兩種設(shè)計(jì)策略，錐體或直接沉積方法，具體選用哪一種方法，取決于第二層聚合物止于第一層薄膜之前還是之后。我們從機(jī)械學(xué)角度評測兩個(gè)配置，在BEoL區(qū)域內(nèi)，沿裸片對角線提取應(yīng)力值(圖10)。因?yàn)殛P(guān)注點(diǎn)放在了聚合物邊緣，所以圖中只給出了封裝的角部受力情況。如前文所述，在BEoL區(qū)能夠觀察到焊球的影響(見圖中的反復(fù)出現(xiàn)的圖形)。此外，正如我們所預(yù)想的，在聚合物邊緣發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力最大值，不過，應(yīng)力的影響只限于這個(gè)區(qū)域。有限元分析顯示，與錐體沉積法相比，直接沉積法的應(yīng)力更高，這是因?yàn)榍罢哌吘壧幘酆衔锖穸容^大。兩種沉積方法導(dǎo)致厚度相差大約5% (圖10 (B))。

圖10：[A] 直接配置和錐體配置的BEoL層和聚合物層應(yīng)力分布圖[B] BEoL棧周圍應(yīng)力變化(見應(yīng)力提取通道圖[A]上的灰箭頭) (獨(dú)立封裝配置)

在決定了邊緣設(shè)計(jì)方法后，我們需要確定在BEoL棧上發(fā)生較低應(yīng)力的準(zhǔn)確位置。為此，我們測試了各種位置：平坦區(qū)(圖11 #1, #4)、密封環(huán)(圖11 #6)上方、鈍化拓?fù)涞撞坎煌恢?圖11 #2 #3 #5)。

圖11：有聚合物的配置與無聚合物的配置之間的應(yīng)力變化。在SiN鈍化層內(nèi)提取拉伸應(yīng)力Sy。不同配置間的應(yīng)力差異主要出現(xiàn)在聚合物邊緣。

鑒于聚合物末端在BEoL棧上產(chǎn)生拉伸性負(fù)載，確定選項(xiàng)#6為首選。因此，密封環(huán)的‘錨定’特性可限制其潛在的不利影響。為辨別結(jié)構(gòu)差異，關(guān)注點(diǎn)放在鈍化層應(yīng)力上。

不出所料，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)大類：第一類(#2, #3 & #5)是聚合物層末端靠近一個(gè)幾何奇點(diǎn)，引發(fā)最大應(yīng)力;第二類(#1, #4 & #6)是聚合物層末端在一個(gè)平坦面上，這里觀察到最小應(yīng)力。提案#6(即密封圈上方)的改進(jìn)作用并不明顯，需要說明地是，這可能是所用分析標(biāo)準(zhǔn)造成的，本文只分析了SiN層的完整性，BEoL中間層的離層風(fēng)險(xiǎn)并未視為一種失效模式?；谶@些結(jié)果和過程可變因素，將邊緣置于較大的平坦區(qū)域是比較安全的，這對應(yīng)配置#4。

鈍化性質(zhì)

聚合物層邊緣、暴露于空氣中的結(jié)構(gòu)和焊盤的存在，讓W(xué)LCSP封裝的鈍化層成為一個(gè)重要區(qū)域。開發(fā)人員可以從厚度和殘余應(yīng)力角度探討最佳設(shè)計(jì)。因?yàn)槲覀兏櫟氖ь愋褪菣C(jī)械失效，所以討論重點(diǎn)放在氮化物層的特性方面。為此，我們測試了不同厚度與殘余應(yīng)力的相對變化，見表1.

表1.探討過的參數(shù)表

圖12：[A]SiN厚度的影響[B]SiN殘余應(yīng)力的影響

應(yīng)力是從聚合物層下面的SiN層提取的(圖12)。測試結(jié)果顯示，SiN越厚，應(yīng)力越小。還應(yīng)記住，如果厚度較大，真層拓?fù)淇赡軙?huì)更平滑，奇點(diǎn)更少，因此，可降低失效風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于殘余應(yīng)力影響，根據(jù)最初假定值，最終應(yīng)力被遷移。因此，通過降低殘余應(yīng)力，降低了最終應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)學(xué)值。不過，增加厚度方法不能隨意修改，還要記住對其它特性(例如，電氣、可靠性和熱變形)的影響。因此，必須找到一個(gè)折衷的辦法，考慮到所有的副作用。

4. 結(jié)論

本文概述了WLCSP晶圓級封裝的特異性，先簡要介紹了扇入和扇出型封裝特異性以及封裝流程;然后，描述了在制程工序和/或可靠性測試期間發(fā)生的不同的熱機(jī)械失效。裸片邊緣帶和焊球四周是高度敏感區(qū)域，發(fā)生過很多失效問題。為更深入地了解所涉及的結(jié)構(gòu)，本文采用有限元法分析了WLCSP封裝失效問題。首先，建立一個(gè)3D封裝模型，初步了解扇入型封裝的熱機(jī)械特性。研究發(fā)現(xiàn)，焊球和聚合物邊緣是影響可靠性的重要位置。然后，用一個(gè)2D模型深入分析聚合物邊緣的影響，優(yōu)化BEoL層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，終止在平坦區(qū)域的錐體沉積法可降低在BEoL鈍化層發(fā)生的應(yīng)力。最后，我們研究了SiN厚度及殘余應(yīng)力的影響，并建議提高SiN層厚度，以降低殘余應(yīng)力。

本文能夠讓讀者朋友更好地了解WLCSP封裝在機(jī)械性能方面的特異性。通過介紹一組與有限元法結(jié)果相關(guān)的典型失效，我們概括了主要有效參數(shù)和可靠性改進(jìn)建議。