原创 不同晶圆级封装的工艺流程

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。

硅通孔封装工艺

图6展示了采用中通孔（Via-middle）5方法的硅通孔封装工艺步骤。首先在晶圆制造过程中形成通孔。随后在封装过程中，于晶圆正面形成焊接凸点。之后将晶圆贴附在晶圆载片上并进行背面研磨，在晶圆背面形成凸点后，将晶圆切割成独立芯片单元，并进行堆叠。

5中通孔（Via Middle）：一种硅通孔工艺方法，在互补金属氧化物半导体形成后及金属层形成之前开展的工序。

接下来，将简单概括中通孔的基本工序。首先在前道工序（Front-end of Line）中，在晶圆上制作晶体管，如互补金属氧化物半导体等。随后使用硬掩模（Hard Mask）6在硅通孔形成区域绘制电路图案。之后利用干刻蚀（Dry Etching）工艺去除未覆盖硬掩膜的区域，形成深槽。再利用化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition）制备绝缘膜，如氧化物等。这层绝缘膜将用于隔绝填入槽中的铜等金属物质，防止硅片被金属物质污染。此外绝缘层上还将制备一层金属薄层作为屏障。

6硬掩膜（Hard Mask）：一种由硬质材料而非软质材料制成的薄膜，用于绘制更为精细的电路图案。硬掩膜本身对光线并不敏感，所以需使用光刻胶才能进一步绘制电路图案，以最终实施刻蚀工艺。

此金属薄层将被用于电镀铜层。电镀完成后，采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing）技术使晶圆表面保持平滑，同时清除其表面铜基材，确保铜基材只留在沟槽中。然后通过后道工序（Back-end of Line）完成晶圆制造。

▲图6：硅通孔封装工序（ⓒ HANOL出版社）

使用硅通孔技术制造芯片堆叠封装体时，一般可采用两种类型的封装方法。第一种方法是利用3D芯片堆叠技术的基板封装。第二种方法则需创建KGSD，然后基于KGSD来制作2.5D或3D封装。下文将详细介绍如何创建KGSD，以及如何基于KGSD来制作2.5D封装的过程。

作为利用硅通孔技术制作而成的芯片堆叠封装体，制作KGSD必需经历额外封装工艺，如2.5D封装、3D封装以及扇出型晶圆级芯片封装等，高带宽存储器（HBM）就是KGSD产品的一个典型例子。由于KGSD需经历额外封装工艺，其作为连接引脚的焊接凸点需要比传统锡球更加精细。因此3D封装体中芯片堆叠在基板上，而KGSD中的芯片则堆叠于晶圆上方，晶圆也可以视为KGSD的最底层芯片。就HBM而言，位于最底层的芯片被称为基础芯片或基础晶圆，而位于其上方的芯片则被称为核心芯片。

此方法工序如下：首先，通过倒片工艺在基础晶圆和核心晶圆的正面制作凸点。在制作2.5D封装体时，基底晶圆需要排列凸点，使之能够附着到中介层（Interposer）；相反，核心晶圆上的凸点布局则是有助于晶圆正面的芯片堆叠。在晶圆正面形成凸点后，应减薄晶圆，同时也需在晶圆背面形成凸点。然而，正如前文在介绍背面研磨工艺时所述，需注意在减薄过程中导致晶圆弯曲。在传统封装工艺中，进行减薄之前，可将晶圆贴附到贴片环架上，以防止晶圆弯曲，但在硅通孔封装工艺中，由于凸点形成于晶圆背面，所以这种保护方法并不适用。为解决此问题，晶圆承载系统（Wafer Support System）应运而生。利用晶圆承载系统，可借助临时粘合剂将带有凸点的晶圆正面贴附于晶圆载片上，同时对晶圆背面进行减薄处理。此时晶圆贴附于晶圆载片上，即使经过减薄也不会发生弯曲。

此外，因晶圆载片与晶圆形式相同，因此也可使用晶圆设备对其进行加工。基于此原理，可在核心晶圆的背面制作凸点，当核心晶圆正面及背面上的凸点均制作完成时，便可对载片进行脱粘。随后将晶圆贴附于贴片环架中，并参照传统封装工艺，对晶圆进行切割。基础晶圆始终贴附于晶圆载片上，从核心晶圆上切割下来的芯片则堆叠于基础晶圆之上。芯片堆叠完成后，再对基础晶圆进行模塑，而后进行晶圆载片脱粘。至此，基础晶圆就变成了堆叠有核心晶圆的模制晶圆。随后对晶圆进行研磨，使其厚度达到制作2.5D封装体所需标准，然后再将其切割成独立的芯片单元，以制作KGSD。HBM成品包装后将运送至制作2.5D封装体的客户手中。

晶圆承载系统工艺

晶圆承载系统是指针对晶圆背面减薄进行进一步加工的系统，该工艺一般在背面研磨前使用。晶圆承载系统工序涉及两个步骤：首先是载片键合，需将被用于硅通孔封装的晶圆贴附于载片上；其次是载片脱粘，即在如晶圆背面凸点制作等流程完工后，将载片分离。

图7展示了晶圆承载系统的工艺步骤。首先在晶圆表面涂覆临时粘合剂，使其贴附于载片上；待晶圆背面的加工工序完成后，即可对载片进行脱粘，并去除残留粘合剂，以确保晶圆表面清洁。

▲图7：晶圆承载系统工序

进行载片键合时，需要注意几个因素：首先，载片键合后的晶圆整体厚度应均匀一致；其次，键合面不应存在空隙，两片晶圆对齐应准确无误；此外还应确保晶圆边缘不受到粘合剂污染，且在处理过程中应尽量避免晶圆发生弯曲。在载片脱粘过程中，还应注意：避免晶圆脱离载片后发生损坏，如边缘剥落（Chipping）7或出现裂纹等；避免粘合剂残留；避免凸点变形。

7边缘剥落（Chipping）：芯片或晶圆边角损坏。

在基于晶圆承载系统的封装工艺中，载片脱粘是一个相对复杂且重要的工序。因此，业界已经提出并研发多种脱粘方法，并针对每一种脱粘方法开发出相应的临时粘合剂。典型的脱粘方法包括热技术、激光烧蚀（Laser Ablation）后剥离、化学溶解、机器剥离后化学清洗等。

晶圆边缘切筋工艺

▲图8：未切筋（上图）与切筋后（下图）的晶圆边缘对比图

如图8上半部分红圈内区域所示，将采用硅通孔工艺封装的晶圆键合到晶圆载片上，经过背面研磨后，其边缘会变得较为尖锐。此种状态下，晶圆后续还将经历光刻、金属薄膜制备、电镀以在背面制作凸点等工序，这些工序会增加晶圆边缘剥落的风险。边缘裂纹可能会延伸至晶圆内部，进而导致后续工序无法进行，最终造成严重的良品损失。为避免此问题，对于采用硅通孔工艺封装的晶圆，在其进行载片键合前，应先对晶圆正面边缘进行切筋并去除修剪部分。如图8下半部分区域所示，将切筋后的晶圆贴附于晶圆载片并对其进行背面研磨时，锋利而凸起的边缘已消失。因此，在后续工序中，晶圆边缘剥落的风险也被消除。在切筋过程中，旋转的晶圆切割刀片穿过晶圆边缘，将指定的边缘区域切除。

堆叠工艺

硅通孔封装工艺中，在晶圆正面和背面形成的凸点均用于键合，以便堆叠。同样地，在倒片键合时，批量回流焊（Mass Reflow）工艺8和热压缩（Thermocompression）工艺9也用于键合。根据堆叠方式的不同，堆叠工艺可分为芯片与芯片（Chip-to-Chip）堆叠、芯片与晶圆（Chip-to-Wafer）堆叠、晶圆与晶圆（Wafer-to-Wafer）堆叠。

8批量回流焊工艺（Mass Reflow）：将多个器件按陈列连接到基板上，然后在烤箱等中一起加热，以熔化焊料使之形成互联的工艺。因一次性处理多个器件，所以在这个术语中使用了“批量”这一词。

9热压缩工艺（Thermocompression）：对物体进行加热和加压处理，使其进行键合的一种工艺。

使用硅通孔工艺堆叠芯片时，需使用微型凸点。因此，凸点之间的间距很小，堆叠芯片之间的间距也很小，这就是以可靠性著称的热压缩工艺因被广泛使用的原因。然而，热压缩工艺也存在缺点，那就是耗时长，生产率底，因为在键合过程中必然会耗时去加热加压。因此热压缩工艺逐渐被批量回流焊工艺取代的趋势日益明显。

来源：skhynix