晶圆级封装的基本流程
介绍了晶圆级封装的基本流程。本篇文章将侧重介绍不同晶圆级封装方法所涉及的各项工艺。晶圆级封装可分为扇入型晶圆级芯片封装(fan-in wlcsp)、扇出型晶圆级芯片封装(fan-out wlcsp)、重新分配层(rdl)封装、倒片(flip chip)封装、及硅通孔(tsv)封装。此外，本文还将介绍应用于这些晶圆级封装的各项工艺，包括光刻(photolithography)工艺、溅射(sputtering)工艺、电镀(electroplating)工艺和湿法(wet)工艺。
扇入型晶圆级芯片封装工艺
在扇入型晶圆级芯片封装中，合格晶圆首先将进入封装生产线。通过溅射工艺在晶圆表面制备一层金属膜，并在金属膜上涂覆一层较厚的光刻胶，光刻胶厚度需超过用于封装的金属引线。通过光刻工艺在光刻胶上绘制电路图案，再利用铜电镀工艺在曝光区域形成金属引线。随后去除光刻胶，并利用化学刻蚀(chemical etching)工艺去除多余的薄金属膜，然后在晶圆表面制备绝缘层(dielectric layer)，并利用光刻工艺去除锡球(solder ball)放置区域的绝缘层。因此，绝缘层也被称为“阻焊层”(solder resist)，它是晶圆级芯片封装中的钝化层(passivation layer)，即最后的保护层，用于区分锡球放置区域。如没有钝化层，采用回流焊(reflow soldering)等工艺时，附着在金属层上的锡球会持续融化，无法保持球状。利用光刻工艺在绝缘层上绘制电路图案后，再通过植球工艺使锡球附着于绝缘层。植球安装完成后，封装流程也随之结束。对封装完成的整片晶圆进行切割后，即可获得多个独立的扇入型晶圆级芯片封装体。
锡球植球工艺
▲图1：晶圆级回流焊设备平面图(ⓒ hanol出版社)
在植球过程中，需要将锡球附着到晶圆级芯片封装体上。传统封装工艺与晶圆级封装工艺的关键区别在于，前者将锡球放置在基板上，而后者将锡球放置在晶圆顶部。因此，除了用于涂敷助焊剂和植球的模板需在尺寸上与晶圆保持一致之外，助焊剂涂敷、植球工艺、回流焊工艺都遵循相同步骤。
此外，回流焊设备采用基于发热板的回流焊方式，如图1所示，而不是涉及运送器的对流热风回流焊方式(convection reflow)。晶圆级回流焊设备在不同的加工阶段会对晶圆施加不同温度，以便保持回流焊操作所需温度条件，确保封装工艺流程能够顺利进行。
倒片封装凸点工艺
倒片封装体中凸点(bump)是基于晶圆级工艺而完成的，而后续工序则与传统封装工艺相同。
▲图2：倒片封装工艺概览
▲图3：倒片封装凸点制作工序
由于要确保凸点拥有足够的高度，因此需选用能在晶圆上厚涂的光刻胶。铜柱凸块(cpb)1需要先后经历铜电镀和焊料电镀两道工序后形成，所使用的焊料通常为不含铅的锡银合金。电镀完成后，光刻胶随即被去除，并采用金属刻蚀工艺去除溅射而成的凸点下金属层(ubm)2，随后通过晶圆级回流焊设备将这些凸点制成球形。这里采用的焊接凸点回流焊工艺可以最大限度减少各凸点的高度差，降低焊接凸点表面的粗糙度，同时去除焊料中自带的氧化物，进而保障在倒片键合过程中增加键合强度。
1铜柱凸块(cpb)：用于倒片键合的凸点结构，旨在减少凸点间距。铜作为材料，被用于制作铜柱来承上方凸点。
2凸点下金属层(ubm)：在倒片凸点下方形成的金属层。
重新分配层封装工艺
▲图4：重新分配层封装工艺概览
▲图5：重新分配层形成工序
利用重新分配层封装工艺，在晶圆原本焊盘上形成新焊盘，以承载额外的金属引线，此种工艺主要用于芯片堆叠。因此，如图4所示，重新分配层工序之后的封装工序遵循传统封装工序。在芯片堆叠过程中，每个单独芯片都需重复进行芯片贴装和引线键合这两道工序。
在重新分配层工艺中，首先通过溅射工艺创建一层金属薄膜，之后在金属薄膜上涂覆厚层光刻胶。随后利用光刻工艺绘制电路图案，在电路图案的曝光区域电镀金层，以形成金属引线。由于重新分配工艺本身就是重建焊盘的工艺，因此确保引线键合强度是十分重要的。这也正是被广泛用于引线键合的材料—金，被用于电镀的原因。
扇出型晶圆级芯片封装工艺
在扇出型晶圆级芯片封装工艺中，首先需要在等同于晶圆形状的载片上贴附一层薄膜。切割晶圆后，再按照一定间距将优质芯片贴在薄膜上，接下来对芯片间隔区域进行模塑，以形成新形状。晶圆模塑完成后，载片和薄膜将被移除。随后在新形成的晶圆上，利用晶圆设备创建金属导线，并附着锡球以便封装。最后，将晶圆切割成多个独立封装体。
晶圆模塑
制作扇出型晶圆级芯片封装体时，晶圆模塑是一项重要工序。对于扇出型晶圆级芯片封装件而言，晶圆塑膜需先在芯片上贴附同样形状的晶圆载片，而后将其放置到模塑框架中。将液状、粉状或颗粒状的环氧树脂模塑料(emc)3加入到模塑框架内，对其进行加压和加热处理来塑膜成型。晶圆模塑不仅是扇出型晶圆级芯片封装工艺的重要工序，对于利用硅通孔(tsv)工艺制作已知合格堆叠芯片(kgsd)4也是无可或缺的工序。本篇文章的后续内容，将对此展开更详细的探讨。
3环氧树脂模塑料(emc)：一种基于环氧树脂或热固性聚合物的散热材料。这种材料可用于密封半导体芯片，以避免芯片受到外部环境因素影响，如高温、潮湿、震动等。
4已知合格堆叠芯片(kgsd)：经过测试确认质量良好的由堆叠芯片组成的产品，最好的例子就是 hbm。
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扇入型晶圆级芯片封装工艺
在扇入型晶圆级芯片封装中，合格晶圆首先将进入封装生产线。通过溅射工艺在晶圆表面制备一层金属膜，并在金属膜上涂覆一层较厚的光刻胶，光刻胶厚度需超过用于封装的金属引线。通过光刻工艺在光刻胶上绘制电路图案，再利用铜电镀工艺在曝光区域形成金属引线。随后去除光刻胶，并利用化学刻蚀(chemical etching)工艺去除多余的薄金属膜，然后在晶圆表面制备绝缘层(dielectric layer)，并利用光刻工艺去除锡球(solder ball)放置区域的绝缘层。因此，绝缘层也被称为“阻焊层”(solder resist)，它是晶圆级芯片封装中的钝化层(passivation layer)，即最后的保护层，用于区分锡球放置区域。如没有钝化层，采用回流焊(reflow soldering)等工艺时，附着在金属层上的锡球会持续融化，无法保持球状。利用光刻工艺在绝缘层上绘制电路图案后，再通过植球工艺使锡球附着于绝缘层。植球安装完成后，封装流程也随之结束。对封装完成的整片晶圆进行切割后，即可获得多个独立的扇入型晶圆级芯片封装体。
锡球植球工艺
▲图1：晶圆级回流焊设备平面图(ⓒ hanol出版社)
在植球过程中，需要将锡球附着到晶圆级芯片封装体上。传统封装工艺与晶圆级封装工艺的关键区别在于，前者将锡球放置在基板上，而后者将锡球放置在晶圆顶部。因此，除了用于涂敷助焊剂和植球的模板需在尺寸上与晶圆保持一致之外，助焊剂涂敷、植球工艺、回流焊工艺都遵循相同步骤。
此外，回流焊设备采用基于发热板的回流焊方式，如图1所示，而不是涉及运送器的对流热风回流焊方式(convection reflow)。晶圆级回流焊设备在不同的加工阶段会对晶圆施加不同温度，以便保持回流焊操作所需温度条件，确保封装工艺流程能够顺利进行。
倒片封装凸点工艺
倒片封装体中凸点(bump)是基于晶圆级工艺而完成的，而后续工序则与传统封装工艺相同。
▲图2：倒片封装工艺概览
▲图3：倒片封装凸点制作工序
由于要确保凸点拥有足够的高度，因此需选用能在晶圆上厚涂的光刻胶。铜柱凸块(cpb)1需要先后经历铜电镀和焊料电镀两道工序后形成，所使用的焊料通常为不含铅的锡银合金。电镀完成后，光刻胶随即被去除，并采用金属刻蚀工艺去除溅射而成的凸点下金属层(ubm)2，随后通过晶圆级回流焊设备将这些凸点制成球形。这里采用的焊接凸点回流焊工艺可以最大限度减少各凸点的高度差，降低焊接凸点表面的粗糙度，同时去除焊料中自带的氧化物，进而保障在倒片键合过程中增加键合强度。
1铜柱凸块(cpb)：用于倒片键合的凸点结构，旨在减少凸点间距。铜作为材料，被用于制作铜柱来承上方凸点。
2凸点下金属层(ubm)：在倒片凸点下方形成的金属层。
重新分配层封装工艺
▲图4：重新分配层封装工艺概览
▲图5：重新分配层形成工序
利用重新分配层封装工艺，在晶圆原本焊盘上形成新焊盘，以承载额外的金属引线，此种工艺主要用于芯片堆叠。因此，如图4所示，重新分配层工序之后的封装工序遵循传统封装工序。在芯片堆叠过程中，每个单独芯片都需重复进行芯片贴装和引线键合这两道工序。
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在扇出型晶圆级芯片封装工艺中，首先需要在等同于晶圆形状的载片上贴附一层薄膜。切割晶圆后，再按照一定间距将优质芯片贴在薄膜上，接下来对芯片间隔区域进行模塑，以形成新形状。晶圆模塑完成后，载片和薄膜将被移除。随后在新形成的晶圆上，利用晶圆设备创建金属导线，并附着锡球以便封装。最后，将晶圆切割成多个独立封装体。
晶圆模塑
制作扇出型晶圆级芯片封装体时，晶圆模塑是一项重要工序。对于扇出型晶圆级芯片封装件而言，晶圆塑膜需先在芯片上贴附同样形状的晶圆载片，而后将其放置到模塑框架中。将液状、粉状或颗粒状的环氧树脂模塑料(emc)3加入到模塑框架内，对其进行加压和加热处理来塑膜成型。晶圆模塑不仅是扇出型晶圆级芯片封装工艺的重要工序，对于利用硅通孔(tsv)工艺制作已知合格堆叠芯片(kgsd)4也是无可或缺的工序。本篇文章的后续内容，将对此展开更详细的探讨。
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