晶圆级封装: 热机械失效模式和挑战及整改建议

摘要
WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圆级封装)的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。本文旨在于介绍这种新封装技术的特异性，探讨最常见的热机械失效问题，并提出相应的控制方案和改进方法。

晶圆级封装技术虽然有优势，但是存在特殊的热机械失效问题。很多实验研究发现，钝化层或底层破裂、湿气渗透和/或裸片边缘离层是晶圆级封装常见的热机械失效模式。此外，裸片边缘是一个特别敏感的区域，我们必须给予更多的关注。事实上，扇入型封装裸片是暴露于空气中的（裸片周围没有模压复合物覆盖），容易被化学物质污染或发生破裂现象。所涉及的原因很多，例如晶圆切割工序未经优化，密封环结构缺陷(密封环是指裸片四周的金属花纹，起到机械和化学防护作用)。此外，由于焊球非常靠近钝化层，焊球工序与线路后端栈可能会相互影响。

本文采用FEM(Finite Element Method，有限元法)方法分析应力，重点放在扇入型封装上。我们给出了典型的应力区域。为降低机械失效的风险，我们还简要介绍了晶圆级封装的特异性。在描述完机械失效后，我们还对裸片和钝化边缘进行了全面的分析。分析结果显示，钝化边缘产生最大应力，这对沉积策略(直接或锥体沉积方法)和边缘位置提出了要求。此外，研究结果还显示，必须降低残余应力，并提高BEoL(线路后端)的钝化层厚度。

1. 前言和背景
晶圆级封装的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。双层电介质、RDL(ReDistribution Layer, 重新布线层)、UBM (可焊接薄层，用于焊球底部金属化)和焊球都位于标准BEoL栈之上。因此，这些层级扩展了传统晶片制程(多层沉积薄膜配合光刻工艺)范围。晶圆级封装的焊球工艺与倒装片封装非常相似。


图1：) [A]扇入型封装(晶圆级封装)和[B]扇出封装(封装大小取决于裸片边缘与装配栈层的间隙)

晶圆级封装主要分为扇入型封装和扇出型封装(图1)两种。扇入型封装是在晶圆片未切割前完成封装工序，即先封装后切割。因此，裸片封装后与裸片本身的尺寸相同(图2 [A])。扇出型封装是先在人造模压晶圆片上重构每颗裸片，"新"晶圆片是加工RDL布线层的基板，然后按照普通扇入型晶圆级封装后工序，完成最后的封装流程(图2 [B]) [1-2-3-4-5]。


图2：扇入和扇出型封装流程

这里需要说明的是，为提高晶圆级封装的可靠性，目前存在多种焊球装配工艺，其中包括氮化物层上焊球[6]、聚合物层上焊球[7-8]、铜柱晶圆级封装等等。本文重点讨论在RDL层/聚合物层上用UBM层装配焊球的方法(图3)。


图3：采用聚合物方案装配UBM焊球

下一章重点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。
2. 晶圆级封装集成技术引起的热机械问题
本文特别分析了发生在BEoL层远端(Far-BEoL)和BEoL层的热失效问题。焊球疲劳等与裸片封装相关的失效模式不在本文讨论范围，想了解更信息，请查阅相关资料，例如本文后面的文献[9]。我们先用 BEoL层大面积离层实验图解释裸片边缘敏感性问题，然后讨论焊球附近区域是BEoL远端层破裂的关键位置。

图1：) [A]扇入型封装(晶圆级封装)和[B]扇出封装(封装大小取决于裸片边缘与装配栈层的间隙)

晶圆级封装主要分为扇入型封装和扇出型封装(图1)两种。扇入型封装是在晶圆片未切割前完成封装工序，即先封装后切割。因此，裸片封装后与裸片本身的尺寸相同(图2 [A])。扇出型封装是先在人造模压晶圆片上重构每颗裸片，"新"晶圆片是加工RDL布线层的基板，然后按照普通扇入型晶圆级封装后工序，完成最后的封装流程(图2 [B]) [1-2-3-4-5]。

图2：扇入和扇出型封装流程

这里需要说明的是，为提高晶圆级封装的可靠性，目前存在多种焊球装配工艺，其中包括氮化物层上焊球[6]、聚合物层上焊球[7-8]、铜柱晶圆级封装等等。本文重点讨论在RDL层/聚合物层上用UBM层装配焊球的方法(图3)。

图3：采用聚合物方案装配UBM焊球

下一章重点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。

2. 晶圆级封装集成技术引起的热机械问题
本文特别分析了发生在BEoL层远端(Far-BEoL)和BEoL层的热失效问题。焊球疲劳等与裸片封装相关的失效模式不在本文讨论范围，想了解更信息，请查阅相关资料，例如本文后面的文献[9]。我们先用 BEoL层大面积离层实验图解释裸片边缘敏感性问题，然后讨论焊球附近区域是BEoL远端层破裂的关键位置。

扇入型标准封装裸片是直接暴露于空气中(裸片周围无模压复