WLCSP封装在机械性能方面的特异性

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。

- 裸片边缘

扇入型标准封装裸片是直接暴露于空气中（裸片周围无模压复合物），人们担心这种封装非常容易受到外部风险的影响。优化晶片切割工艺是降低失效风险的首要措施。为防止破裂在封装工序和/或可靠性测试过程中曼延，必须控制切割工序在裸片边缘产生的裂缝（图4 ［A］）。此外，这种封装技术的聚合物层末端靠近裸片边缘，因为热膨胀系数（CTE）失匹，这个区域会出现附加的残余应力。

为预防这些问题发生，最新技术提出有侧壁的扇入型封装解决方案。具体做法是，采用与扇出型封装相同的制程，给裸片加一保护层（几十微米厚），将其完全封闭起来，封装大小不变，只是增加了一个机械保护罩。

图4：在BEoL内部的裸片边缘离层;［A］扇入型封装［B］扇出型封装

树脂、聚合物层和裸片边缘相互作用，致使扇出型封装的失效风险增加（图4 ［B］）。

在这种情况下，密封环结构是一个有效的压制应力的方法。作为BEoL层的一部分，密封环是围绕在裸片四周的金属图案，具有防护作用，避免化学污染和裂缝曼延，然而这个结构不足以预防所有的失效问题，所以，必须从以下两方面进行优化：

- 焊球和钝化层下面

晶圆级封装的焊球可以装配在BEoL层上面。钝化层、UB