晶圓級(jí)封裝的背景

晶圓級(jí)封裝技術(shù)源自于倒裝芯片。晶圓級(jí)封裝的開(kāi)發(fā)主要是由集成器件制造廠家（IBM）率先啟動(dòng)。1964年，美國(guó)IBM公司在其M360計(jì)算器中最先采用了FCOB焊料凸點(diǎn)倒裝芯片器件。1969年，美國(guó)Delco公司在汽車中使用了焊料凸點(diǎn)器件。二十世紀(jì)70年代，NEC、日立等日本公司開(kāi)始在一些計(jì)算器和超級(jí)計(jì)算器中采用FCOB器件。到了二十世紀(jì)90年代，世界上成立了諸如Kulicke and Soffa’s Flip Chip Division、Unitive、Fujitsu Tohoku Electronics、IC Interconnect等眾多晶圓凸點(diǎn)的制造公司，這些公司擁有的基礎(chǔ)技術(shù)是電鍍工藝與焊膏工藝。這些公司利用凸點(diǎn)技術(shù)和薄膜再分布技術(shù)開(kāi)發(fā)了晶圓級(jí)封裝技術(shù)。FCD公司和富士通公司的超級(jí)CSP（Ultra? CSP與Supper CSP）是首批進(jìn)入市場(chǎng)的晶圓級(jí)封裝產(chǎn)品。

1999年，晶圓凸點(diǎn)的制造公司開(kāi)始給主要的封裝配套廠家發(fā)放技術(shù)許可證。這樣，倒裝芯片和晶圓級(jí)封裝也就逐漸在世界各地推廣開(kāi)來(lái)。例如，***的ASE公司和Siliconware公司以及韓國(guó)的Amkor公司就是按照FCD公司的技術(shù)授權(quán)來(lái)制造超級(jí)CSP（Ultra CSP）的。

晶圓級(jí)封裝技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著IC芯片技術(shù)的發(fā)展，芯片封裝技術(shù)也不斷達(dá)到新的水平，目前已可在單芯片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

在眾多的新型封裝技術(shù)中，晶圓級(jí)封裝技術(shù)最具創(chuàng)新性、最受世人矚目，是封裝技術(shù)取得革命性突破的標(biāo)志。晶圓級(jí)封裝技術(shù)的構(gòu)思是在整片晶圓上進(jìn)行CSP封裝技術(shù)的制造，也就是在晶圓級(jí)基本完成了大部分的封裝工作。因此，晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，則可省略覆晶技術(shù)點(diǎn)膠的步驟，目前可采用彈性體或是類彈性體來(lái)抵消應(yīng)力，而這些彈性體的制程，可在整片晶圓上完成，因此省去了對(duì)一個(gè)個(gè)組件分別點(diǎn)膠的復(fù)雜制程。方形晶圓封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，首先為增加組件與底材之間的距離，亦即選用更大的錫鉛焊料球?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電性，現(xiàn)有的晶圓級(jí)封裝技術(shù)，采用重新布局技術(shù)來(lái)加大錫鉛焊料球的間距，以達(dá)到加大錫鉛焊料球體積的需求，進(jìn)而降低并承受由基板與組件之間熱膨脹差異而產(chǎn)生的應(yīng)力，提高組件的可靠性。

晶圓級(jí)封裝和晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）是同一概念，它是芯片尺寸封裝的一個(gè)突破性進(jìn)展，表示的是一類電路封裝完成后仍以晶圓形式存在的封裝，其流行的主要原因是它可將封裝尺寸減小到和IC芯片一樣大小以及其加工的成本低，晶圓級(jí)封裝目前正以驚人的速度增長(zhǎng)，其平均年增長(zhǎng)率（CAGR）可達(dá)210%，推動(dòng)這種增長(zhǎng)的器件主要是集成電路、無(wú)源組件、高性能存儲(chǔ)器和較少引腳數(shù)的器件。

目前有5種成熟的工藝技術(shù)可用于晶圓凸點(diǎn)，每種技術(shù)各有利弊。其中金線柱焊接凸點(diǎn)和電解或化學(xué)鍍金焊接凸點(diǎn)主要用于引腳數(shù)較少的封裝（一般少于40），應(yīng)用領(lǐng)域包括玻璃覆晶封裝（COG）、軟膜覆晶封裝（COF）和RF模塊。由于這類技術(shù)材料成本高、工序時(shí)間長(zhǎng)，因此不適合I/O引腳多的封裝件。另一種技術(shù)是先置放焊料球，再對(duì)預(yù)成形的焊料球進(jìn)行回流焊接，這種技術(shù)適用于引腳數(shù)多達(dá)300的封裝件。目前用得最多的兩種晶圓凸點(diǎn)工藝是電解或化學(xué)電鍍焊料，以及使用高精度壓印平臺(tái)的焊膏印刷。

印刷焊膏的優(yōu)點(diǎn)之一是設(shè)備投資少，這使很多晶圓凸點(diǎn)加工制造廠家都能進(jìn)入該市場(chǎng)，為半導(dǎo)體制造廠家服務(wù)。隨著WLP逐漸為商業(yè)市場(chǎng)所接受，全新的晶圓凸點(diǎn)專業(yè)加工服務(wù)需求持續(xù)迅速增長(zhǎng)。的確，大多數(shù)晶圓凸點(diǎn)加工廠都以印刷功能為首要條件，并提供一項(xiàng)或多項(xiàng)其它技術(shù)。業(yè)界許多人士都認(rèn)為焊膏印刷技術(shù)將主導(dǎo)多數(shù)晶圓凸點(diǎn)的應(yīng)用。

最近幾年，將四種不同類型的CSP確定為區(qū)別新涌現(xiàn)出的封裝方法的商業(yè)化途徑：作為小型化的BGA的剛性和柔性互連、引線框架基和晶圓級(jí)封裝。由于經(jīng)濟(jì)方面的考慮推動(dòng)著封裝技術(shù)向著晶圓級(jí)封裝（WLP）的方向發(fā)展，以便在布局定位之前，使每種芯片的封裝定形，并確定測(cè)試方法。向300mm晶圓尺寸過(guò)渡推動(dòng)著越來(lái)越多的晶圓級(jí)封裝程序的定形方法的出臺(tái)。WLP對(duì)于低針腳數(shù)無(wú)源組件、EEPROM、閃存、DRAM、ASIC和微處理機(jī)已是一種經(jīng)濟(jì)的方法。用于互連的面數(shù)組對(duì)于IC的I/O間距與印制電路板（PCB）的布線密度匹配也是很有必要的，這對(duì)于將用于微電子系統(tǒng)的不同組件或模塊組合到一起是很必要的。因此，10年前開(kāi)發(fā)出的重新布局技術(shù)對(duì)于WLP來(lái)說(shuō)是一種最基本的工藝步驟。

目前的大容量WLP與Phoenix, Arizona和Unitive（自1999年在***）（開(kāi)始從MCNC分離出來(lái)，現(xiàn)在屬于Amkor的一部分）的FCI（前者倒裝芯片技術(shù)）的技術(shù)類似。他們的商標(biāo)名為UltraCSP（FCI）和Xtreme（Unitive/Amkor）的這種技術(shù)制定了標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在WLP每星期的出貨量達(dá)百萬(wàn)件。

WLP是在市場(chǎng)不斷地追求小型化的壓力下，倒裝芯片技術(shù)與SMT和BGA結(jié)合的產(chǎn)物。業(yè)內(nèi)對(duì)于晶圓級(jí)封裝理念的命名還不明確，定義上有些混亂。關(guān)鍵是在組裝前是否需要對(duì)器件進(jìn)行進(jìn)一步的封裝。如果不需要的話，就應(yīng)將這種技術(shù)定義為晶圓級(jí)封裝。對(duì)于多數(shù)高I/O微處理機(jī)和ASIC來(lái)說(shuō)，在實(shí)施最后表面組裝焊接前，芯片是裝在互連載體上的，這樣的話，就不是晶圓級(jí)封裝了。縮略語(yǔ)FCIP（封裝內(nèi)倒裝芯片，F(xiàn)lip Chip in Package）應(yīng)用于這些方法中。

用于CSP的所有晶圓級(jí)方法的獨(dú)特性能是在封裝內(nèi)沒(méi)有采用（圓片級(jí)）鍵合技術(shù)。其是集BGA/CSP、倒裝芯片和晶圓處理的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)于一體，使其成為一種低成本的封裝方法。

新的和改良的微電子系統(tǒng)要求更加復(fù)雜的器件，由于板上的子系統(tǒng)布線方面的因素，這類器件會(huì)限制性能。堆棧的各塑料封裝不僅有成本高的缺點(diǎn)，而且不能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)縮小整體封裝尺寸和像電阻、電容、電感和濾波器這樣的無(wú)源組件的集成提供有效的方法。3D系統(tǒng)集成提供了一種可以克服這些缺點(diǎn)的技術(shù)。

采用倒裝芯片進(jìn)行垂直集成要求有一個(gè)重新布局軌跡的基體芯片，使其與二個(gè)芯片的I/O布局匹配。這樣，就能夠使倒裝芯片的性能優(yōu)點(diǎn)與集成到重新布局層中的無(wú)源組件的選擇相結(jié)合。圖2所示是在重新布局的IC焊盤(pán)的第二個(gè)硅芯片上裝有倒裝芯片的微控制器的堆棧式FC-WLP。從基體芯片到WLCSP基板的互連是使用線焊的方法完成的。

在這種方法中，晶圓級(jí)上的功能基體芯片被用作第二個(gè)芯片的倒裝芯片鍵合的有源基板。使用共晶或無(wú)鉛焊料球?qū)崿F(xiàn)電子和機(jī)械互連，其方法是采用電鍍技術(shù)沉積無(wú)鉛焊料。將基體芯片重新布局在可焊的UBM的面數(shù)組。重新布局是由電鍍銅軌跡達(dá)到低電氘率。

使用低K成像的BCB實(shí)現(xiàn)介質(zhì)隔離

目前，晶圓級(jí)封裝正向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)渡：MEMS和MOEMS乃至被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1995年，Shellcase公司將用于光學(xué)組件的WLP應(yīng)用于兩塊平行玻璃板之間的芯片密封。外部焊盤(pán)擴(kuò)充到芯片的劃線。

然后，將晶圓的有源面膠粘到玻璃板，使晶圓的厚度減薄到100μm。將第二塊玻璃板膠粘到晶圓的反面，并將其局部鋸開(kāi)，使延長(zhǎng)的焊盤(pán)裸露出來(lái)。操作員在UBM焊盤(pán)的數(shù)組面上進(jìn)行鍍覆，粘附焊料球，通過(guò)切片使最終的晶圓定位。在這個(gè)封裝中的芯片的有源面有通路。

Schott電子封裝公司已推出了以光學(xué)應(yīng)用為重點(diǎn)的新的封裝技術(shù)。光學(xué)封裝和多數(shù)MEMS封裝必須解決一個(gè)最基本的問(wèn)題，即當(dāng)將SMT組裝技術(shù)應(yīng)用于器件中時(shí)：必須使傳感器表面與環(huán)境相互作用而不會(huì)出現(xiàn)由于封裝所造成的任何限制，同時(shí)，保護(hù)傳感器器件不受環(huán)境的影響。

如果傳感器的有源面是在器件的一面，而用于互連的柵數(shù)組觸點(diǎn)布設(shè)在圖像傳感器芯片反面的話，用于傳感器的WLP是可制造的。硅-導(dǎo)通孔-觸點(diǎn)對(duì)于這種方法來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。這種方法對(duì)以光學(xué)應(yīng)用為重點(diǎn)的新的封裝技術(shù)是一種將WLP和MEMS工藝技術(shù)智能的組合，是Schott 電子封裝公司所獲得的結(jié)果，而且柏林的Fraunhofer IZM公司為生產(chǎn)進(jìn)行的共同深層次開(kāi)發(fā)。這種新技術(shù)的特性是在完成了低成本組裝后能夠完全接觸到傳感器前面的硅-導(dǎo)通孔-觸點(diǎn)。因此，是可以采用晶圓級(jí)封裝的，因?yàn)閭鞲衅鞯挠性疵媸窃阪I合到玻璃晶圓器件的一面和在底部對(duì)互連的柵數(shù)組觸點(diǎn)重新布局。

基本工藝步驟是將傳感器晶圓鍵合到玻璃晶圓上，研磨傳感器晶圓，在硅中蝕刻導(dǎo)通孔，以便在反面開(kāi)出一個(gè)焊盤(pán)，采用噴涂的方法，在反面重新布局觸點(diǎn)，進(jìn)行深層金屬板印刷，最后植球。所有的工藝步驟都是高產(chǎn)量的全自動(dòng)生產(chǎn)。像CCD這樣的光學(xué)傳感器的性能沒(méi)有變化。

這種新的高可靠性技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步降低傳感器的封裝成本，為客戶或汽車產(chǎn)品市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出一種新的應(yīng)用方法。還開(kāi)發(fā)出了晶圓級(jí)封裝的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。可移植的無(wú)線中樞神經(jīng)界面這種新的封裝理念正在開(kāi)發(fā)中。完全集成的、無(wú)線中樞神經(jīng)記錄器件將使患者從與聯(lián)機(jī)相關(guān)的感染和障礙的風(fēng)險(xiǎn)中解脫出來(lái)，允許接口節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)穿過(guò)中心和外圍神經(jīng)系統(tǒng)分布。長(zhǎng)期可移植的無(wú)線神經(jīng)中樞界面要求在濕電化學(xué)環(huán)境下感應(yīng)、數(shù)據(jù)處理、通訊和操作功率的生物配伍和長(zhǎng)期穩(wěn)定的高密度集成。此項(xiàng)研究的目的是為下一代無(wú)線猶他神經(jīng)中樞界面的硅聚酰亞胺、陶瓷和SMD組件的堆?；旌辖M裝開(kāi)發(fā)一種生物配伍晶圓級(jí)集成和互連技術(shù)。

晶圓級(jí)封裝的未來(lái)趨勢(shì)

使用無(wú)鉛和細(xì)間距凸點(diǎn)的晶圓級(jí)封裝（WLP）在全球WLP的市場(chǎng)需求中所占份額還較小。盡管根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）預(yù)測(cè)：到2009年，凸點(diǎn)間的間距（相鄰?fù)裹c(diǎn)中心到中心的距離）為100mm。但對(duì)于量產(chǎn)的凸點(diǎn)制造商來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)對(duì)間距<100mm凸點(diǎn)的需求量非常低。例如，焊料凸點(diǎn)的先導(dǎo)者IBM，仍在許多產(chǎn)品中使用間距為220mm的C4凸點(diǎn)技術(shù)。對(duì)細(xì)間距互連來(lái)說(shuō)，目前一個(gè)很小但增長(zhǎng)迅速的應(yīng)用領(lǐng)域是在高密度象素探測(cè)器數(shù)組上的應(yīng)用。與此同時(shí)，很多市場(chǎng)和實(shí)際應(yīng)用對(duì)無(wú)鉛焊料的需求也呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。大量汽車電子產(chǎn)品和手機(jī)的OEM供貨商發(fā)現(xiàn)，客戶對(duì)于無(wú)鉛產(chǎn)品的需求正持續(xù)增長(zhǎng)。

結(jié)論

隨著越來(lái)越多晶圓焊料凸點(diǎn)專業(yè)廠家將焊膏印刷工藝用于WLP封裝，批量壓印技術(shù)開(kāi)始在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域廣泛普及。然而，大型EMS企業(yè)也走進(jìn)了WLP領(lǐng)域。封裝和板卡之間的邊界，以及封裝與組裝工藝之間的邊界日漸模糊，迫使企業(yè)必須具備晶圓級(jí)和芯片級(jí)工藝技術(shù)來(lái)為客戶服務(wù)。當(dāng)然，這些企業(yè)對(duì)精密絲網(wǎng)印刷工藝已很熟悉，多年來(lái)一直采用這種工藝技術(shù)進(jìn)行器件貼裝前的焊膏涂敷。因此，將印刷技術(shù)轉(zhuǎn)向WLP工藝相對(duì)比較容易。