晶圆凸起—晶圆级封装工艺技术

来源：半导体国际
晶圆级封装(WLP)是一项公认成熟的工艺，元器件供应商正寻求在更多应用中使用WLP，而支持WLP的技术也正快速走向成熟。WLP中一个关键工艺是晶圆凸起，其技术发展已进入实用阶段，日趋成熟稳定。随着元件供应商(包括功率和光电子器件)正积极转向WLP应用，其使用范围也在不断扩大。
目前有5种成熟的工艺技术可用于晶圆凸起，每种技术有各自的优缺点。其中金线柱焊接凸点和电解或化学镀金焊接凸点主要用于引脚数较少的封装(一般少于40)，应用领域包括玻璃覆晶封装(COG)、软膜覆晶封装(COF)和RF模块。由于这类技术材料成本高、工序时间长，因此不适合I/O引脚多的封装件。另一种技术是先置放焊球，再对预成形的焊球进行回流焊处理，这种技术适用于引脚数多达300的封装件。目前用得最多的两种晶圆凸起工艺是电解或化学电镀焊料，以及使用高精度压印平台的印刷焊膏。
印刷焊膏的优点之一是设备投资少，这使很多晶圆凸起加工制造商都能进入该市场，为半导体厂商服务。随着
WLP逐渐为商业市场所接受，全新晶圆凸起专业加工服务需求持续迅速增长。的确，大多数晶圆凸起加工厂都以印刷功能为首要条件，并提供一项或多项其它技术。业界许多人士都认为焊膏印刷技术将主导多数晶圆凸起应用。
实用工艺开发
很多新兴应用(如用于手机和便携式设备的直立式功率MOSFET器件WLP封装)所需焊凸数量较少，这类应用的关键要求是焊凸必须具有较大的横截面，以降低无裸片封装的电阻(DFPR)，因为器件的导通电阻R(DS)on主要来自这种DFPR，它最终会影响终端产品(如手机、PDA、媒体播放器或消费电子产品及工业、科学和医疗仪器)的效率和电池寿命。采用焊球最大直径为0.5mm的焊球粘植工艺，可以在焊凸间距允许的前提下，涂敷大体积焊锡以形成最大限度的连接横截面。
最近，欧洲发起了一项开发焊球粘植技术的计划，能使WLP应用于直立式功率MOSFET，较之于标准的TO封装能减小30%的封装占位面积和90%的DFPR。该计划由欧盟提供资助，目标是开发出局域网络环境中无线便携式设备应用(即蓝鲸计划)的下一代WLP封装器件，包括实现高度小型化短程无线联网基带设备所需的SoC(系统级芯片)和功率放大器。
WLP技术已成功用于横置式器件，但直立式结构占位较小，较适合于移动应用。实现直立式WLP功率器件的困难在于，生成焊凸前，需要将背面的连接触点重新走线，引到晶圆的正面才能完成WLP封装。重新走线需通过经电镀和填充微小导通孔来实现，这就要求很薄的晶圆，以达致合适的纵横比。如果导通孔直径为300μm，就得采用厚度150μm的晶圆以维持2：1的纵横比。
因此，蓝鲸计划向焊球粘植工艺提出了两个挑战。其一是必须在采用无铅焊球和焊凸间距为500μm的情况下达到高工艺可重复性和良率；其二是确保能在很薄(厚度为150μm)的晶圆上附着焊球，并且在随后的回流处理中不会因晶圆的挠曲而损坏晶圆或破坏焊球的对位。
为了完成MOSFET功率放大器所需WLP封装工艺的开发，蓝鲸计划联盟的成员DEK和柏林工业大学(TUB)开发出一种焊球粘植工艺，可在直径为6英寸的晶圆上以500μm的间距粘植直径为300μm±10μm的焊球。
首先采用680μm厚的晶圆对工艺进行初步验证，之后才在更薄的150μm晶圆上成功实现焊球粘植。
焊球粘植工艺需要两台排成直线的印刷机。第一台在晶圆焊盘上涂敷助焊剂；第二台负责置放焊球并完成回流焊处理前的所有工序。
第一台机器装载晶圆，利用视像识别系统校准位置，然后将助焊剂压印在焊凸下金属焊盘处。晶圆之后输送到第二台机器，把压印了助焊剂的晶圆装载到机器上，并对准位置使其紧贴钢板。焊球置放头然后移到钢板上面，同时分离焊球使其形成单层，再稍加正向力量将焊球推入开孔。这个动作能保证焊球与助焊剂紧密接触，有利于减少焊球在后续处理中的移动。
焊球置放可进行多次，以确保所有开孔都被填充。蓝鲸计划已确定在每秒10mm的移动速度下进行两次置放操作达致99.9%以上的焊球置放良率。经过植球后的晶圆将在机器的控制下按预设的速度往后移，脱离钢板，并传送到回流炉中。
在蓝鲸计划中，助焊剂采用丝网来涂敷，因此涂敷层可以很薄，每次工艺周期之间还使用了丝网助焊剂清洗技术。在焊球置放阶段需要采用由两层组成的“混合型”钢板，以形成间隔，防止开孔被前一次印刷留下的助焊剂污染。钢板的主体层上含有粘植焊球的通孔，另一层(即隔离层)则接合于钢板底侧。
专为蓝鲸计划而开发的工艺采用了50μm厚、穿孔直径为200μm的丝网进行助焊剂印刷，外加总厚度为300μm的混合型钢板用于焊球置放。
除了能够涂敷大体积焊锡外，焊球粘植工艺的另一个优点是所涂敷焊球的体积不会在回流处理后缩减，这样可重复性便会更高，使到最终完成封装件的焊凸高度更加均匀。