文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了在柔性混合電子領(lǐng)域中使用的扇出晶圓級(jí)封裝技術(shù)。

在柔性混合電子（FHE）系統(tǒng)中，柔性實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于異質(zhì)材料的協(xié)同工作。硅基芯片、金屬互連、聚合物基板等組件的彈性模量差異巨大，硅的脆性與金屬的延展性形成鮮明對(duì)比，而聚合物的低模量雖有利于彎曲，卻可能因黏彈性導(dǎo)致性能衰減。

復(fù)合體系彎曲應(yīng)力的分布規(guī)律：基板與薄膜的厚度比、曲率半徑共同決定薄膜中的應(yīng)力水平，當(dāng)彎曲半徑縮小至毫米級(jí)時(shí)，硅芯片需減薄至70微米以下方可避免屈服失效，但減薄工藝本身會(huì)降低材料剛度，甚至引發(fā)DRAM數(shù)據(jù)保留時(shí)間縮短、CMOS載流子遷移率下降等電學(xué)性能退化。

這種矛盾促使轉(zhuǎn)向芯片級(jí)封裝（CSP）技術(shù)，通過聚合物包封為薄型芯片提供機(jī)械保護(hù)，雖犧牲了部分輕薄優(yōu)勢(shì)，卻有效平衡了柔性與可靠性。

封裝的發(fā)展

近年來，微電子領(lǐng)域正經(jīng)歷一場(chǎng)封裝技術(shù)的深刻變革，其發(fā)展軌跡雖曾滯后于摩爾定律驅(qū)動(dòng)的硅工藝縮放，但如今已呈現(xiàn)出加速追趕的態(tài)勢(shì)?；仡櫄v史，摩爾定律的核心在于通過晶體管尺寸的持續(xù)縮小實(shí)現(xiàn)集成度與性能的指數(shù)級(jí)提升，這一趨勢(shì)在下圖中以納米級(jí)特征尺寸的縮放為標(biāo)志，功能結(jié)構(gòu)尺寸縮減超千倍，晶體管密度突破百萬(wàn)級(jí)。

然而，封裝技術(shù)長(zhǎng)期停留在微米級(jí)尺度，直到近年才通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)與硅工藝的協(xié)同演進(jìn)。

封裝技術(shù)加速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力主要源于兩方面：其一，借鑒硅工藝的加工方法對(duì)封裝材料進(jìn)行精細(xì)化處理，例如硅轉(zhuǎn)接板的引入，將半導(dǎo)體制造中的光刻、蝕刻技術(shù)應(yīng)用于封裝基板，實(shí)現(xiàn)了互連節(jié)距的顯著縮小；其二，扇出晶圓級(jí)封裝（FO-WLP）的成熟，該技術(shù)通過重構(gòu)晶圓工藝，將芯片嵌入模塑材料后直接構(gòu)建互連層，突破了傳統(tǒng)封裝中芯片與基板連接的物理限制，大幅提升了封裝密度與電氣性能。

擴(kuò)展封裝技術(shù)的重要性在于其對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能的關(guān)鍵影響。封裝尺寸通常是芯片尺寸的10至100倍，直接影響設(shè)備的整體尺寸、重量與功耗（SWaP）。尤為關(guān)鍵的是，芯片間通信功耗占系統(tǒng)總功耗的30%-40%，而封裝技術(shù)的進(jìn)步能有效縮短互連長(zhǎng)度、降低信號(hào)延遲與功耗，這一提升對(duì)SWaP的優(yōu)化效果遠(yuǎn)超單純依賴硅工藝縮放。對(duì)于柔性混合電子（FHE）而言，這一變化尤為重要——FHE設(shè)備多為可移動(dòng)式，依賴電池供電，封裝技術(shù)的進(jìn)步直接決定了其能否在保持柔性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更緊湊的尺寸、更低的功耗與更高的集成度。

在此背景下，異構(gòu)集成（HI）成為先進(jìn)封裝的核心特征。盡管傳統(tǒng)封裝早已通過基板集成多芯片實(shí)現(xiàn)“異構(gòu)”，但先進(jìn)封裝中的HI特指一級(jí)封裝層面的裸芯片直接集成，即通過有機(jī)、陶瓷或硅轉(zhuǎn)接板作為基底，以超細(xì)節(jié)距（≤50μm）、短芯片間距（≤2mm）與精細(xì)布線節(jié)距（≤5μm）實(shí)現(xiàn)芯片間的高密度互連。這種集成方式不僅簡(jiǎn)化了信號(hào)路徑，更突破了傳統(tǒng)封裝中芯片與基板連接的物理瓶頸，為高性能計(jì)算、人工智能引擎與內(nèi)存模擬計(jì)算等邊緣應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。

與HI緊密關(guān)聯(lián)的是“小芯片”（Chiplet）與“芯?！备拍?。復(fù)雜系統(tǒng)或大型芯片被分解為多個(gè)小型實(shí)體（小芯片），每個(gè)小芯片獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)例化為芯粒，再通過細(xì)節(jié)距凸點(diǎn)與短間距互連重新集成為子系統(tǒng)或模塊。這種模塊化設(shè)計(jì)不僅降低了單顆芯片的制造難度與成本，更通過靈活組合實(shí)現(xiàn)了功能定制化——例如將高性能處理器芯粒與低功耗內(nèi)存芯粒集成，滿足邊緣計(jì)算對(duì)能效的嚴(yán)苛要求。

值得關(guān)注的是，扇出晶圓級(jí)封裝（FO-WLP）正是實(shí)現(xiàn)上述擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)路徑。該技術(shù)通過模塑工藝重構(gòu)晶圓，將芯片嵌入高分子材料后直接構(gòu)建互連層，無(wú)需傳統(tǒng)基板即可實(shí)現(xiàn)芯片間的超細(xì)間距互連。對(duì)于FHE而言，F(xiàn)O-WLP的優(yōu)勢(shì)在于其兼容柔性基材的特性——通過調(diào)整模塑材料與互連工藝，可在聚酰亞胺等柔性基板上實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)距互連，同時(shí)保持封裝整體的柔性與可靠性。此外，F(xiàn)O-WLP的晶圓級(jí)加工模式天然適合規(guī)?；a(chǎn)，為FHE從原型走向量產(chǎn)提供了工藝基礎(chǔ)。

封裝技術(shù)的演進(jìn)將進(jìn)一步推動(dòng)FHE的應(yīng)用邊界。隨著HI、小芯片與FO-WLP的深度融合，F(xiàn)HE設(shè)備有望在保持柔性的同時(shí)，集成更高性能的處理器、更密集的傳感器陣列與更高效的能源管理模塊。這不僅將優(yōu)化SWaP參數(shù)，更可能催生全新的應(yīng)用場(chǎng)景——例如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，集成AI引擎的柔性可穿戴設(shè)備可實(shí)時(shí)處理本地?cái)?shù)據(jù)，減少云端依賴；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)可貼合復(fù)雜曲面，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。這些變革的背后，正是封裝技術(shù)從“滯后者”向“驅(qū)動(dòng)者”的角色轉(zhuǎn)變，為柔性電子的未來打開了無(wú)限可能。

FO-WLP的FHE—FlexTrate

FlexTrate工藝作為扇出晶圓級(jí)封裝（FO-WLP）在柔性混合電子（FHE）領(lǐng)域的典型應(yīng)用，其技術(shù)路徑緊密圍繞著“高密度集成”與“柔性適配”兩大核心目標(biāo)展開。從設(shè)計(jì)到制造的全流程，每一步都體現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)封裝技術(shù)的突破與對(duì)柔性需求的針對(duì)性優(yōu)化。

工藝的起點(diǎn)是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)考量。與傳統(tǒng)封裝不同，F(xiàn)HE系統(tǒng)往往需要集成多類異質(zhì)芯片——如傳感器、處理器、無(wú)線通信模塊等，這些芯片的電氣特性、尺寸差異顯著，因此平面布局需兼顧信號(hào)完整性、電源傳輸效率及熱管理。設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）與布圖到原理圖（LVS）驗(yàn)證在此階段尤為重要，尤其當(dāng)芯片間距縮小至毫米級(jí)以下時(shí)，微小的布局偏差都可能導(dǎo)致互連失效或電磁干擾。值得關(guān)注的是，盡管異構(gòu)集成（HI）的概念已被廣泛討論，但FlexTrate的獨(dú)特性在于其將HI從“概念”落地為“可制造的實(shí)體”，通過細(xì)節(jié)距（≤50μm）與短芯片間距（≤2mm）的物理實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了多芯粒在柔性基板上的緊密協(xié)作。

進(jìn)入制造環(huán)節(jié)，第一層臨時(shí)載板的制備是工藝的基礎(chǔ)。選用玻璃載板的優(yōu)勢(shì)在于其透明性——當(dāng)芯片以正面朝下的方式貼裝時(shí)，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)可通過載板直接觀測(cè)芯片與基板的標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的貼裝精度。這種“所見即所得”的對(duì)準(zhǔn)方式，對(duì)后續(xù)互連的可靠性至關(guān)重要。臨時(shí)膠黏劑層的應(yīng)用則暗含巧思：熱釋膠帶通過溫度控制實(shí)現(xiàn)分層，既保證了貼裝階段的粘附力，又避免了固化后難以剝離的問題。不過，膠帶的表面粗糙度曾是技術(shù)瓶頸——在顯示屏等對(duì)表面平整度要求極高的應(yīng)用中，需額外引入平面化層以消除粗糙度對(duì)光刻工藝的影響，這體現(xiàn)了工藝對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的適配能力。

芯片貼裝環(huán)節(jié)的核心是精度與效率的平衡。雙面紅外相機(jī)系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)芯片與載板的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)1μm級(jí)的貼裝精度。這一精度不僅滿足了細(xì)線寬互連的需求，更從根本上減少了后續(xù)工藝中的修正需求。值得注意的是，芯片厚度的控制（通?！?00μm）在此階段同樣關(guān)鍵——過厚的芯片易在壓縮成型時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致偏移或翹曲，而過薄的芯片則可能因機(jī)械強(qiáng)度不足在貼裝過程中破損。

基板重構(gòu)是FlexTrate工藝中最具創(chuàng)新性的步驟之一。選用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作為成型材料，既利用了其柔性與生物相容性，又通過低溫固化（室溫24小時(shí)）顯著降低了芯片偏移的風(fēng)險(xiǎn)。壓縮成型過程中，特氟龍環(huán)的引入巧妙解決了基板尺寸控制的問題——通過調(diào)整環(huán)的高度與形狀，可精確控制重構(gòu)基板的厚度與邊緣輪廓，這對(duì)后續(xù)多層金屬化的堆疊至關(guān)重要。實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，通過優(yōu)化PDMS的固化參數(shù)與壓縮壓力，芯片偏移可控制在6μm以內(nèi)，這一水平已能滿足大多數(shù)FHE應(yīng)用的需求。

應(yīng)力緩沖層的沉積是解決柔性基板與剛性金屬互連矛盾的關(guān)鍵。PDMS表面因臨時(shí)膠黏劑剝離產(chǎn)生的粗糙度，若直接進(jìn)行光刻，易導(dǎo)致光刻膠開裂。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）保形涂覆聚氯代對(duì)二甲苯（一種生物相容性聚合物），并在其上旋涂SU-8層，既實(shí)現(xiàn)了表面的平面化，又通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力緩沖作用，避免了金屬化層在柔性變形時(shí)的開裂。這一步驟的巧妙之處在于，它并未試圖“消除”柔性基板的特性，而是通過材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，讓剛性金屬互連“適應(yīng)”基板的柔性變形。

SU-8波紋結(jié)構(gòu)的引入，則是針對(duì)金屬導(dǎo)線在柔性基板上易彎曲問題的創(chuàng)新解決方案。當(dāng)PDMS從第二層載板剝離時(shí)，其因粘附力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會(huì)突然釋放，導(dǎo)致金屬導(dǎo)線承受壓縮應(yīng)力。傳統(tǒng)長(zhǎng)導(dǎo)線在此場(chǎng)景下易發(fā)生彎曲甚至斷裂，而通過將長(zhǎng)導(dǎo)線分解為垂直波紋的短段，有效縮短了導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，將臨界彎曲應(yīng)力提升了數(shù)倍。實(shí)驗(yàn)表明，這種波紋結(jié)構(gòu)可使彎曲振幅降低5倍，顯著提高了導(dǎo)線的機(jī)械可靠性。這一設(shè)計(jì)思想，本質(zhì)上是通過“預(yù)變形”抵消后續(xù)應(yīng)力，體現(xiàn)了對(duì)材料力學(xué)特性的深刻理解。

RDL（再分布層）制造環(huán)節(jié)，F(xiàn)lexTrate展現(xiàn)了其在高密度互連上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過半加成電鍍（SAP）工藝，結(jié)合防反射層與基板感知掩模技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)40μm節(jié)距互連，并探索了10μm以下節(jié)距的可能性。兩層金屬化的設(shè)計(jì)（銅/鈦種子層+電鍍銅），配合SU-8介質(zhì)層通孔，為復(fù)雜系統(tǒng)（如集成AI引擎的傳感器陣列）提供了足夠的布線資源。值得注意的是，這種高密度互連并非單純追求線寬的縮小，而是通過工藝優(yōu)化（如電鍍參數(shù)調(diào)整、光刻膠選擇）在柔性基板上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)剛性封裝才具備的電氣性能。

鈍化與最終釋放步驟，則聚焦于FHE的長(zhǎng)期可靠性。聚氯代對(duì)二甲苯的CVD沉積不僅增強(qiáng)了基板的生物相容性（這對(duì)可穿戴設(shè)備至關(guān)重要），更通過其致密結(jié)構(gòu)阻擋了水分與腐蝕性離子的滲透。在此基礎(chǔ)上疊加氧化鋁或二氧化硅無(wú)機(jī)層，進(jìn)一步提升了防潮性能。最終釋放時(shí)，通過精確控制熱釋膠帶的溫度（170℃），既保證了載板的順利剝離，又避免了高溫對(duì)已成型金屬互連的影響。

回顧整個(gè)工藝流程，F(xiàn)lexTrate的成功在于其對(duì)“柔性”與“高性能”矛盾的精準(zhǔn)把握。通過材料選擇（如PDMS的柔性與SU-8的剛性）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如波紋導(dǎo)線）、工藝創(chuàng)新（如細(xì)節(jié)距貼裝與應(yīng)力緩沖層），該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在柔性基板上集成高密度、高性能異構(gòu)芯粒的目標(biāo)。對(duì)于FHE而言，這種工藝不僅提升了系統(tǒng)的集成度與柔韌性，更通過降低芯片間通信功耗（占系統(tǒng)總功耗的30%-40%），顯著優(yōu)化了SWaP參數(shù)。

FlexTrate的應(yīng)用

FlexTrate技術(shù)作為扇出晶圓級(jí)封裝在柔性電子領(lǐng)域的集大成者，其應(yīng)用場(chǎng)景的拓展正深刻改變著多個(gè)行業(yè)的技術(shù)邊界。從消費(fèi)級(jí)可穿戴設(shè)備到醫(yī)療植入物，從高密度顯示到環(huán)境監(jiān)測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)通過材料創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，將"柔性"與"高性能"的矛盾轉(zhuǎn)化為協(xié)同優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用實(shí)踐可歸納為五大方向，每個(gè)方向均體現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)電子制造范式的突破。

在可折疊顯示領(lǐng)域，F(xiàn)lexTrate首次實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)彎曲半徑下的可靠運(yùn)行。通過將市售InGaN LED與自研硅芯片集成于0.5mm厚基板，七段式顯示屏在1mm半徑折疊1000次后仍保持零分層、零性能衰減。這一成就得益于40μm節(jié)距垂直波紋互連的機(jī)械強(qiáng)化設(shè)計(jì)——波紋結(jié)構(gòu)將金屬導(dǎo)線有效長(zhǎng)度縮短至微米級(jí)，使臨界彎曲應(yīng)力提升5倍，即便在極端變形時(shí)也能避免導(dǎo)線斷裂。更值得注意的是，LED與硅芯片的異構(gòu)集成通過亞微米級(jí)對(duì)位精度實(shí)現(xiàn)，這種精度在柔性基板上達(dá)成，標(biāo)志著封裝技術(shù)從"被動(dòng)適配"向"主動(dòng)設(shè)計(jì)"的轉(zhuǎn)型。

柔性無(wú)機(jī)uLED顯示器的突破則體現(xiàn)在材料與工藝的雙重創(chuàng)新。采用激光剝離（LLO）技術(shù)從藍(lán)寶石基板轉(zhuǎn)移GaN LED至FlexTrate基板，通過鎳鍍層緩沖應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)99%良率的單步轉(zhuǎn)移。200PPI像素密度在5mm彎曲半徑下仍保持穩(wěn)定發(fā)光，證明該技術(shù)可同時(shí)滿足高分辨率與柔性的雙重需求。這一成果的意義不僅在于顯示性能的提升，更在于其構(gòu)建了"剝離-轉(zhuǎn)移-集成"的全流程解決方案，為未來全彩柔性顯示的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了工藝基礎(chǔ)。

無(wú)線大腦植入系統(tǒng)的開發(fā)則凸顯了FlexTrate在生物電子領(lǐng)域的潛力。系統(tǒng)集成無(wú)線供電線圈、二極管、電容陣列與LED，通過40μm節(jié)距互連實(shí)現(xiàn)無(wú)焊料集成，總厚度僅535μm，直徑20mm。在10mm耦合距離下，15%的功率傳輸效率雖低于剛性植入物，但5mm彎曲半徑下的千次循環(huán)測(cè)試證明其可靠性，這為光遺傳學(xué)等需要長(zhǎng)期植入的醫(yī)療應(yīng)用提供了新選擇。值得注意的是，該系統(tǒng)的成功依賴于PDMS基板的生物相容性與應(yīng)力緩沖層的協(xié)同作用——聚氯代對(duì)二甲苯與SU-8的復(fù)合結(jié)構(gòu)既阻擋了體液侵蝕，又緩解了金屬互連的應(yīng)力集中。

個(gè)人環(huán)境監(jiān)測(cè)器的案例則展示了FlexTrate在傳感器集成方面的優(yōu)勢(shì)。通過將MEMS氣體傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、藍(lán)牙模塊集成于同一基板，系統(tǒng)厚度控制在1mm以內(nèi)，重量?jī)H5g。關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新在于聚合物保護(hù)層的引入，使傳感器良率從10%提升至90%，同時(shí)5V加熱器電壓下的300秒恢復(fù)時(shí)間與50秒響應(yīng)時(shí)間，驗(yàn)證了柔性基板對(duì)微熱管理的有效性。這種高度集成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是通過扇出工藝將分立元件轉(zhuǎn)化為"系統(tǒng)級(jí)芯片"，為可穿戴設(shè)備的小型化提供了新范式。

最后，F(xiàn)lexsEMG多通道表面肌電系統(tǒng)的開發(fā)，揭示了FlexTrate在醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的擴(kuò)展能力。20通道金包銅電極以12mm間距排布，通過40μm互連與處理芯片連接，系統(tǒng)總重5g，卻能采集與商用Ag/AgCl電極相當(dāng)?shù)男盘?hào)質(zhì)量。8通道評(píng)估肌肉參數(shù)的能力，結(jié)合無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)，使其在脊柱手術(shù)監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中具有替代傳統(tǒng)有線系統(tǒng)的潛力。這一應(yīng)用的突破點(diǎn)在于，通過垂直波紋互連與柔性基板的結(jié)合，解決了多電極陣列的信號(hào)完整性與機(jī)械柔性的矛盾。

縱觀這些應(yīng)用，F(xiàn)lexTrate的核心價(jià)值在于其構(gòu)建了"材料-工藝-設(shè)計(jì)"三位一體的創(chuàng)新體系：PDMS基板提供本質(zhì)柔性，垂直波紋互連解決機(jī)械可靠性，細(xì)節(jié)距集成提升系統(tǒng)密度，而生物相容性涂層則拓展了應(yīng)用邊界。

這種體系化的創(chuàng)新，不僅推動(dòng)了柔性電子從"概念驗(yàn)證"向"產(chǎn)品落地"的跨越，更預(yù)示著未來電子系統(tǒng)將更深度地融入人體與環(huán)境，實(shí)現(xiàn)真正的"人機(jī)物"三元共融。