晶圓凸起—晶圓級封裝工藝技術(shù)

來源：半導(dǎo)體國際
晶圓級封裝(WLP)是一項(xiàng)公認(rèn)成熟的工藝，元器件供應(yīng)商正尋求在更多應(yīng)用中使用WLP，而支持WLP的技術(shù)也正快速走向成熟。WLP中一個(gè)關(guān)鍵工藝是晶圓凸起，其技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入實(shí)用階段，日趨成熟穩(wěn)定。隨著元件供應(yīng)商(包括功率和光電子器件)正積極轉(zhuǎn)向WLP應(yīng)用，其使用范圍也在不斷擴(kuò)大。
目前有5種成熟的工藝技術(shù)可用于晶圓凸起，每種技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中金線柱焊接凸點(diǎn)和電解或化學(xué)鍍金焊接凸點(diǎn)主要用于引腳數(shù)較少的封裝(一般少于40)，應(yīng)用領(lǐng)域包括玻璃覆晶封裝(COG)、軟膜覆晶封裝(COF)和RF模塊。由于這類技術(shù)材料成本高、工序時(shí)間長，因此不適合I/O引腳多的封裝件。另一種技術(shù)是先置放焊球，再對預(yù)成形的焊球進(jìn)行回流焊處理，這種技術(shù)適用于引腳數(shù)多達(dá)300的封裝件。目前用得最多的兩種晶圓凸起工藝是電解或化學(xué)電鍍焊料，以及使用高精度壓印平臺的印刷焊膏。
印刷焊膏的優(yōu)點(diǎn)之一是設(shè)備投資少，這使很多晶圓凸起加工制造商都能進(jìn)入該市場，為半導(dǎo)體廠商服務(wù)。隨著
WLP逐漸為商業(yè)市場所接受，全新晶圓凸起專業(yè)加工服務(wù)需求持續(xù)迅速增長。的確，大多數(shù)晶圓凸起加工廠都以印刷功能為首要條件，并提供一項(xiàng)或多項(xiàng)其它技術(shù)。業(yè)界許多人士都認(rèn)為焊膏印刷技術(shù)將主導(dǎo)多數(shù)晶圓凸起應(yīng)用。
實(shí)用工藝開發(fā)
很多新興應(yīng)用(如用于手機(jī)和便攜式設(shè)備的直立式功率MOSFET器件WLP封裝)所需焊凸數(shù)量較少，這類應(yīng)用的關(guān)鍵要求是焊凸必須具有較大的橫截面，以降低無裸片封裝的電阻(DFPR)，因?yàn)槠骷膶?dǎo)通電阻R(DS)on主要來自這種DFPR，它最終會影響終端產(chǎn)品(如手機(jī)、PDA、媒體播放器或消費(fèi)電子產(chǎn)品及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療儀器)的效率和電池壽命。采用焊球最大直徑為0.5mm的焊球粘植工藝，可以在焊凸間距允許的前提下，涂敷大體積焊錫以形成最大限度的連接橫截面。
最近，歐洲發(fā)起了一項(xiàng)開發(fā)焊球粘植技術(shù)的計(jì)劃，能使WLP應(yīng)用于直立式功率MOSFET，較之于標(biāo)準(zhǔn)的TO封裝能減小30%的封裝占位面積和90%的DFPR。該計(jì)劃由歐盟提供資助，目標(biāo)是開發(fā)出局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無線便攜式設(shè)備應(yīng)用(即藍(lán)鯨計(jì)劃)的下一代WLP封裝器件，包括實(shí)現(xiàn)高度小型化短程無線聯(lián)網(wǎng)基帶設(shè)備所需的SoC(系統(tǒng)級芯片)和功率放大器。
WLP技術(shù)已成功用于橫置式器件，但直立式結(jié)構(gòu)占位較小，較適合于移動應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)直立式WLP功率器件的困難在于，生成焊凸前，需要將背面的連接觸點(diǎn)重新走線，引到晶圓的正面才能完成WLP封裝。重新走線需通過經(jīng)電鍍和填充微小導(dǎo)通孔來實(shí)現(xiàn)，這就要求很薄的晶圓，以達(dá)致合適的縱橫比。如果導(dǎo)通孔直徑為300μm，就得采用厚度150μm的晶圓以維持2：1的縱橫比。
因此，藍(lán)鯨計(jì)劃向焊球粘植工藝提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)。其一是必須在采用無鉛焊球和焊凸間距為500μm的情況下達(dá)到高工藝可重復(fù)性和良率；其二是確保能在很薄(厚度為150μm)的晶圓上附著焊球，并且在隨后的回流處理中不會因晶圓的撓曲而損壞晶圓或破壞焊球的對位。
為了完成MOSFET功率放大器所需WLP封裝工藝的開發(fā)，藍(lán)鯨計(jì)劃聯(lián)盟的成員DEK和柏林工業(yè)大學(xué)(TUB)開發(fā)出一種焊球粘植工藝，可在直徑為6英寸的晶圓上以500μm的間距粘植直徑為300μm±10μm的焊球。
首先采用680μm厚的晶圓對工藝進(jìn)行初步驗(yàn)證，之后才在更薄的150μm晶圓上成功實(shí)現(xiàn)焊球粘植。
焊球粘植工藝需要兩臺排成直線的印刷機(jī)。第一臺在晶圓焊盤上涂敷助焊劑；第二臺負(fù)責(zé)置放焊球并完成回流焊處理前的所有工序。
第一臺機(jī)器裝載晶圓，利用視像識別系統(tǒng)校準(zhǔn)位置，然后將助焊劑壓印在焊凸下金屬焊盤處。晶圓之后輸送到第二臺機(jī)器，把壓印了助焊劑的晶圓裝載到機(jī)器上，并對準(zhǔn)位置使其緊貼鋼板。焊球置放頭然后移到鋼板上面，同時(shí)分離焊球使其形成單層，再稍加正向力量將焊球推入開孔。這個(gè)動作能保證焊球與助焊劑緊密接觸，有利于減少焊球在后續(xù)處理中的移動。
焊球置放可進(jìn)行多次，以確保所有開孔都被填充。藍(lán)鯨計(jì)劃已確定在每秒10mm的移動速度下進(jìn)行兩次置放操作達(dá)致99.9%以上的焊球置放良率。經(jīng)過植球后的晶圓將在機(jī)器的控制下按預(yù)設(shè)的速度往后移，脫離鋼板，并傳送到回流爐中。
在藍(lán)鯨計(jì)劃中，助焊劑采用絲網(wǎng)來涂敷，因此涂敷層可以很薄，每次工藝周期之間還使用了絲網(wǎng)助焊劑清洗技術(shù)。在焊球置放階段需要采用由兩層組成的“混合型”鋼板，以形成間隔，防止開孔被前一次印刷留下的助焊劑污染。鋼板的主體層上含有粘植焊球的通孔，另一層(即隔離層)則接合于鋼板底側(cè)。
專為藍(lán)鯨計(jì)劃而開發(fā)的工藝采用了50μm厚、穿孔直徑為200μm的絲網(wǎng)進(jìn)行助焊劑印刷，外加總厚度為300μm的混合型鋼板用于焊球置放。
除了能夠涂敷大體積焊錫外，焊球粘植工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所涂敷焊球的體積不會在回流處理后縮減，這樣可重復(fù)性便會更高，使到最終完成封裝件的焊凸高度更加均勻。