文章來源：鮮棗課堂

原文作者：小棗君

本文介紹了先進封裝技術中的晶圓級封裝技術。

晶圓級封裝

我們看下一個先進封裝的關鍵概念——晶圓級封裝（Wafer Level Package，WLP）。

傳統封裝，是先切割晶圓，再封裝。

而晶圓級封裝的核心邏輯，是在晶圓上直接進行封裝，然后再切割，變成芯片。

舉個例子：傳統封裝，是先把大面團切成一塊塊，然后分別烘烤成蛋糕，分給大家吃。而晶圓級封裝，是先烤一個大蛋糕，然后切成一塊塊，分給大家吃。

從更廣泛的意義上講，任何在晶圓這一層級進行全部或部分加工的封裝，都可以被認為是晶圓級封裝。

晶圓級封裝出現于2000年左右，是半導體產業追求更高效率、更低成本的產物。

在晶圓上進行封裝過程，能夠帶來以下好處：

1、由于側面未涂覆封裝材料，因此封裝后的芯片尺寸較小。晶圓上，晶粒的密度更高，平均成本更低。

2、方便批量生產制造芯片，縮短工期，總體成本也比較低。

3、芯片設計和封裝設計可以統一考慮，提升設計效率，降低設計成本。

晶圓級封裝，可以分為：扇入型晶圓級封裝（Fan-In WLP）和扇出型晶圓級封裝（Fan-Out WLP）。

這里的“扇（Fan）”，指的是芯片的尺寸。

我們分別來介紹。

· 扇入型WLP（FIWLP）

早期的WLP，多采用扇入型。扇入型的封裝布線、絕緣層以及錫球，都位于晶圓的頂部。封裝后的尺寸，和芯片尺寸是相同的。

芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14的封裝，是CSP（芯片級封裝）。扇入型WLP都1:1了，顯然也屬于CSP。所以，由扇入型晶圓級封裝技術制成的封裝，也稱為晶圓級芯片級封裝（WLCSP）。

扇入型WLP，通常可以分為BOP（Bump On Pad，墊上凸點）和RDL（ReDistribution Layer，重布線層）兩種方式。

BOP封裝的結構非常簡單，Bump（凸點）直接構建在Al pad（鋁襯板）的上面。如果Bump的位置遠離Al pad，那么，就需要通過借助RDL技術，將Bump與Al pad進行連接。

大名鼎鼎的RDL，終于出現了。

我們需要單開一節，專門介紹一下它。

· RDL

RDL的全稱，是ReDistribution Layer（重布線層）。

RDL是晶圓級封裝（WLP）的核心技術，也是后面2.5D/3D立體封裝的核心技術。在先進封裝里，它占有重要地位。

它是在晶粒下面的中介層上進行重新布線，實現I/O端口的重新布局。

簡單來說，它就像我們平時看到的PCB電路板。只不過，真正的PCB板是在芯片的外面，把各個成品芯片和元器件連起來。

而RDL，是封裝內部的“PCB板”，方便了XY平面（橫向平面）的電氣延伸和互聯。它提升了封裝內部電氣連接的靈活性，能夠讓芯片內部布局更合理、更緊湊。

基于RDL，晶圓芯片上的“細間距”外圍陣列，可以變成“更大間距”陣列。

基于之前晶圓制造的文章，大家會發現，RDL很像晶粒內部的金屬連線（立交橋）。

晶粒內的金屬沉積

是的，RDL的工藝，和晶圓制作流程中的“蓋樓”流程差不多（可以參考晶圓制作的那期），主要就是光刻、涂膠顯影、刻蝕、濺射沉積、電鍍銅等工藝。

RDL也屬于將晶圓制造（前道）工藝降維到封裝（后道）中使用。和凸點一樣，也是中道工序。

目前，主流的RDL工藝有兩種：

第一種，是基于感光高分子聚合物，并結合電鍍銅與刻蝕工藝實現。

1、在晶圓表面涂覆一層聚合物薄膜，可選的聚合物材料包括光敏聚酰亞胺（PI）、苯并環丁烯（BCB）以及聚苯并惡唑（PBO）。這是為了增強芯片的鈍化層并起到應力緩沖的作用。

2、加熱固化后，使用光刻工藝在所需位置進行開孔，之后進行刻蝕。

3、通過物理氣相沉積工藝（PVD），濺射Ti（鈦）與Cu（銅），分別作為阻擋層與種子層。

4、再來一波光刻、刻蝕工藝，把RDL層的空間給挖出來。

5、通過電鍍Cu工藝，在暴露出的Ti/Cu層上制造第一層RDL。（注意，電鍍是將電解質溶液中的金屬離子還原為金屬并沉積在晶圓表面。）

6、去除掉光刻膠，并刻蝕掉多余的Ti/Cu。

7、涂覆第二層聚合物薄膜，使圓片表面平坦化并保護RDL層。

8、重復上述步驟，制作多層RDL結構。

另一種工藝，是采用Cu大馬士革工藝結合PECVD與CMP工藝實現。

大致流程：

1、先采用PECVD工藝，沉積SiO2或Si3N4，作為絕緣層。

2、利用光刻與反應離子刻蝕，在絕緣層上形成窗口。

3、分別濺射Ti/Cu的阻擋/種子層以及導體銅，和剛才工藝一樣。

4、采用CMP（化學機械研磨，之前介紹過的）工藝，將導體層減薄至所需厚度，形成了一層RDL或通孔層。

5、重復上述步驟，制作多層RDL結構。

基于大馬士革工藝制作的多層RDL內部構架

第二種工藝需要采用CMP，制造成本比第一種高。在行業里，第一種用得比較多。

制作完RDL之后，是制作UBM（凸點下金屬層），工藝和RDL相似。

制作完UBM之后，通過掩膜板準確定位焊膏和焊料球，并將其放置于UBM上。

隨后，進行回流，使焊料與UBM形成良好的浸潤結合，從而確保達到理想的焊接效果。

綜合以上步驟，扇入型WLP的大致工藝流程如下：

1、完成RDL布線，方便將I/O引出至方便焊接的位置。

2、對晶圓進行減薄加工。

3、在RDL層所連接的金屬焊盤上，進行植球。

4、對晶圓進行切割，得到獨立的芯片。

5、完成FT測試，出廠。

過去的20多年，扇入型WLP廣泛應用于移動、便攜式和消費類產品。特別是低I/O引腳數（≤200）、小芯片尺寸（≤ 6mm x 6 mm）、低成本、低端、薄型和大容量應用的半導體器件，使用這種封裝比較多。

· 扇出型WLP（FOWLP）

扇入型WLP雖然面積小，但是支持的I/O引腳數也少。隨著時間的推移，芯片的I/O引腳數逐漸增加，扇入型WLP無法滿足要求。于是，就有了扇出型WLP（FOWLP）。

Fan-In WLP與Fan-Out WLP

扇出型WLP中，RDL可以向外延伸布線。這樣一來，封裝的面積大于晶粒的面積，I/O引腳數可以更多，引腳間距也寬松。

扇出型WLP如果符合CSP的尺寸比例要求，就是扇出型WLCSP。

扇出型WLP最早于2006年由英飛凌最先提出。他們在手機基帶芯片封裝中實現了量產，并將其命名為嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）。

后來，扇出型WLP并沒有獲得什么關注。

直到2016年，臺積電基于FOWLP，推出了集成扇出型（InFO）封裝，并成功應用于蘋果公司iPhone 7系列手機的A10處理器（AP）中，才讓扇出型WLP獲得了整個行業的高度關注。

憑借該項技術，臺積電成功包攬了蘋果公司之后每一代手機的AP芯片制造和封裝訂單。

后來，FOWLP高速發展，衍生出多種變體，包括核心扇出（Core FO）、高密度扇出（High-Density FO）和超高密度扇出（Ultra High Density FO）等，可以應用于不同的需求場景。

我們來看看FOWLP的工藝過程。

前面說WLP是先封裝，再切割。這句話其實不太適用于FOWLP。

FOWLP，是先切割，然后把芯片重新放置在人工載板上。接下來，再進行晶圓級封裝。封裝完，再次切割，變成最終的芯片。

Fan-Out WLCSP工藝流程

根據工藝過程，扇出式WLP可以分為芯片先裝（Die First）和芯片后裝（Die Last）。芯片先裝又分為面朝下（Face Down）、面朝上（Face Up）。

芯片先裝，簡單地說，就是先把芯片放上， 再做布線（RDL）。

芯片后裝，就是先做布線（RDL）。測試合格的單元，再把芯片放上去。

芯片后裝的優點，是可以提高合格芯片的利用率，以此提高成品率，降低成本。也有缺點，就是工藝相對復雜。

總結一下FOWLP的優點：

1、FOWLP是一種無載板（Substrate-less）的封裝方式，不需要封裝載板，更不用引線，可以大幅降低成本。

2、FOWLP沒有封裝載板，所以垂直高度更低，能夠提供額外的垂直空間，向上堆疊更多的元件。

3、FOWLP厚度較薄，縮短芯片與散熱片之間的距離，有利于散熱。

4、FOWLP可以將不同功能的芯片進行靈活集成，進而完成系統級封裝（SiP）。這是后摩爾時代非常重要的技術手段之一。

· 扇出面板級封裝（FOPLP）

提到FOWLP，就肯定要提一下最近幾年特別火的FOPLP。

FOPLP（扇出面板級封裝），是扇出型封裝的一種，也基于重新布線層（RDL）工藝。

它和FOWLP非常類似，最大的區別在于：FOPLP使用的載板，不是8寸/12寸的晶圓，而是方形的大尺寸面板。

FOPLP具有以下優勢：

1、低成本。

FOPLP采用方形的大尺寸面板，不僅單片產出的芯片數量更多，而且面積利用率更高。根據國際權威研究機構Yole的數據，FOWLP技術面積使用率<85%，而FOPLP技術面積使用率>95%。

以600mmX600mm尺寸的面板為例，面積為12寸wafer carrier的5.1倍，單片產出數量大幅提升。

FOPLP可以大幅提高材料利用率和生產效率，進而降低生產成本。

例如，FOWLP采用旋轉涂布工藝，PI、PR等光敏材料（價格昂貴）的有效利用率只有20%。FOPLP采用狹縫涂布工藝，材料有效利用率達到85%以上。

2、高靈活性。

FOPLP的生產靈活性更高，適合大批量生產，生產周期更短。

例如，FOWLP封裝中，光罩的尺寸小，單次曝光面積有上限，需要通過拼接的方式曝光，效率低，良率低，影響產能。

而FOPLP封裝，單次曝光面積是FOWLP的4倍以上，效率高、良率高，大幅提升了產能。

3、優秀的熱管理。

通過優化封裝結構，以及選擇合適的材料，FOPLP可以有更好的散熱性能，降低芯片工作溫度，提高芯片的可靠性和壽命。

4、高集成度。

FOPLP在大面板上重新分布半導體芯片，能夠在單個封裝內集成多個芯片、無源元件和連接，可以實現更高的集成度，甚至更高的性能。

集成更多功能模塊，可以減少封裝步驟和材料消耗，也能降低成本。

5、高電氣性能。

FOPLP具有更低的電感和電容效應，電氣性能出色。

圖片來自亞智科技

當然，FOPLP也有缺點，包括面板尺寸和組裝工藝未能標準化、封裝密度較低（與FOWLP相比），以及芯片翹曲問題等。

目前，FOPLP板級封裝憑借剛才提到的優點，在射頻芯片、電源芯片、高頻芯片、傳感器芯片等領域展現了非常不錯的應用前景。

另外值得一提的，是FOPLP所使用的玻璃載板材料。

FOPLP載板的面積大，所以，在生產和處理的過程中，容易出現翹曲等問題。

所以，相比于傳統的硅材料，FOPLP的載板材料主要是金屬、玻璃或其它高分子聚合物材料。在這些材料之中，玻璃在機械、物理、光學等性能上具有明顯的優勢，現在已經成為行業關注的焦點。

玻璃基板的表面比塑料（有機材料）基板更光滑。在同樣面積下，能夠開孔（下期會提到的通孔）的數量也比塑料基板多。這極大提升了芯片之間的互連密度，有利于實現更復雜的設計，更有效地利用空間。

在熱學性能、物理穩定度方面，玻璃基板也表現出色，不容易因為溫度高而發生翹曲或變形。

玻璃基板的電氣性能也突出，介電損耗更低，電氣連接更穩定、高效。