晶圓級(jí)封裝 (WLP)總覽

晶圓級(jí)封裝 (WLP) 代表了一種特定的集成電路封裝技術(shù)路線(xiàn)，其核心特征在于所有關(guān)鍵的封裝工藝步驟均在硅片尚未被分割成單個(gè)芯片的整體狀態(tài)下執(zhí)行。在此技術(shù)框架下，早期的 WLP 設(shè)計(jì)方案明確要求封裝的所有輸入輸出 (I/O) 接點(diǎn)必須完全且不間斷地布局在單個(gè)芯片的物理邊界輪廓之內(nèi)（即扇入型設(shè)計(jì)），從而實(shí)現(xiàn)了真正意義上的芯片尺寸級(jí)封裝結(jié)構(gòu)。這種對(duì)完整晶圓進(jìn)行順序加工處理的模式，構(gòu)成了扇入型晶圓級(jí)封裝的基礎(chǔ)。從系統(tǒng)集成的視角審視，這種封裝架構(gòu)的復(fù)雜度限制因素主要在于：如何在芯片下方有限的空間內(nèi)有效容納所需數(shù)量的 I/O 接點(diǎn)，同時(shí)確保后續(xù)的電路板布線(xiàn)設(shè)計(jì)具有可行性。特別是在持續(xù)追求器件尺寸微型化、集成電路工作頻率不斷提升以及制造成本持續(xù)降低的應(yīng)用需求背景下，當(dāng)傳統(tǒng)的封裝解決方案（例如引線(xiàn)鍵合或倒裝芯片互連）難以滿(mǎn)足這些苛刻要求時(shí)，WLP 技術(shù)提供了一種有效的替代路徑。

WLP領(lǐng)域已涌現(xiàn)出采用標(biāo)準(zhǔn)扇入型結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的新型產(chǎn)品，此類(lèi)創(chuàng)新封裝被定義為“扇出型”WLP。其核心工藝在于將切割后的單個(gè)芯片植入具有標(biāo)準(zhǔn)硅片形態(tài)因子的聚合物或其他基體材料中，形成重構(gòu)晶圓；該人工晶圓經(jīng)與傳統(tǒng)硅片完全相同的封裝制程處理后進(jìn)行分割。芯片在基體中的間距經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，確保每個(gè)芯片外圍均保留環(huán)形基材區(qū)域，使得嵌入式器件可布設(shè)扇出式再分布層（RDL），將電氣互連擴(kuò)展至原始芯片面積之外。該技術(shù)突破使微型芯片在無(wú)需物理增大的前提下，仍能兼容標(biāo)準(zhǔn)WLP焊球間距的I/O布局模式。由此，可實(shí)施WLP工藝的對(duì)象不再局限于完整硅片，更延伸至硅基混合材料構(gòu)成的晶圓形態(tài)基體，此類(lèi)產(chǎn)品現(xiàn)已被廣義歸類(lèi)為WLP范疇。隨著硅通孔（TSV）、集成無(wú)源器件（IPD）、芯片優(yōu)先/后置扇出技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與傳感器封裝技術(shù)以及處理器-存儲(chǔ)器異構(gòu)集成方案的相繼引入，多種集成架構(gòu)的WLP技術(shù)體系已實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化應(yīng)用。如圖1所示，從低I/O數(shù)量的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）到高I/O密度、高功能復(fù)雜度的扇出技術(shù)，多元集成方案已在廣闊應(yīng)用場(chǎng)景中落地。這些封裝技術(shù)為晶圓級(jí)封裝領(lǐng)域開(kāi)啟了全新的發(fā)展維度。

圖1 使用WLP的異構(gòu)集成

一、晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP）

晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP）在2000年左右出現(xiàn)，主要局限于單芯片封裝。根據(jù)封裝的性質(zhì)，WLCSP集成多個(gè)組件的能力有限。圖2顯示了基本單芯片WLCSP的簡(jiǎn)單圖像。

圖2 基礎(chǔ)單模

在此之前，大多數(shù)封裝工藝都是機(jī)械的，如研磨、鋸切、引線(xiàn)鍵合等。封裝工藝步驟主要在芯片單片化后進(jìn)行，如圖3的簡(jiǎn)化工藝流程所示

圖3 傳統(tǒng)封裝工藝流程

WLCSP是晶圓凸塊的自然延伸，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，IBM一直在使用晶圓凸塊。主要區(qū)別在于使用比傳統(tǒng)凸塊管芯更粗間距的大焊球。與之前的封裝不同，幾乎所有的WLCSP封裝工藝步驟都是并行完成的，同時(shí)仍然是晶片形式，而不是如圖3所示的一系列步驟。圖4顯示了簡(jiǎn)化的圖示。

圖4 晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP）工藝流程

晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）因其將芯片直接作為封裝本體的特性，成為可量產(chǎn)的最小封裝形態(tài)；基于顯著的尺寸縮減優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于小型移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域。早期版本僅通過(guò)在芯片焊盤(pán)上制備特殊可焊性金屬層（凸點(diǎn)下金屬化，UBM）并植球?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)封裝功能。然而，隨著器件復(fù)雜度的提升，必須引入金屬再分布布線(xiàn)層（RDL）以實(shí)現(xiàn)焊球與原始焊盤(pán)的解耦布局，這導(dǎo)致WLP封裝尺寸與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度同步增長(zhǎng)。盡管此類(lèi)封裝仍屬單芯片解決方案，但通過(guò)開(kāi)發(fā)新型工藝、材料及結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)至少一枚減薄芯片以"負(fù)鼠式"倒裝貼裝于主芯片下方——該次芯片精確嵌入既有焊球間隙內(nèi)，其厚度經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)確保WLCSP整體貼裝后仍保持足夠的底部空間余量。如圖5所示，此結(jié)構(gòu)成為早期異構(gòu)集成WLP的典型代表之一。

圖 5 WLCSP，第二個(gè)模具安裝在下側(cè)

隨著用于3D應(yīng)用的硅通孔（TSV）技術(shù)的發(fā)展，可以在WLCSP中形成TSV，提供雙面連接。雖然TSV集成使用“先通孔”和“后通孔”工藝，但在WLCSP的情況下，采用了“最后通孔”的方法。這種集成使得能夠在主WLCSP管芯或其他組件（如無(wú)源器件）的頂部安裝第二個(gè)管芯。該工藝已被MEMS行業(yè)用于在MEMS管芯上安裝邏輯或模擬管芯，反之亦然，如圖6所示。這成為WLCSP異構(gòu)集成復(fù)雜性的另一個(gè)層次.

圖6 WLCSP硅通孔雙面安裝

此類(lèi)集成方案已率先應(yīng)用于移動(dòng)端CMOS圖像傳感器封裝，近期更延伸至汽車(chē)電子傳感領(lǐng)域?；陔姎饣ミB路徑縮短、封裝尺寸微型化及低成本優(yōu)勢(shì)，采用硅通孔（TSV）的三維晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（3D WLCSP）正逐步取代傳統(tǒng)板上芯片（COB）封裝技術(shù)。與大多數(shù)汽車(chē)級(jí)應(yīng)用類(lèi)似，該技術(shù)面臨的核心挑戰(zhàn)在于滿(mǎn)足嚴(yán)苛的可靠性標(biāo)準(zhǔn)：如圖7所示，專(zhuān)為汽車(chē)CMOS圖像傳感器背面照明（BSI）設(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)，其尺寸為5.82mm×5.22mm、厚度850μm，采用深寬比3:1的TSV技術(shù)，硅材料占封裝體積比例高達(dá)99.27%。

圖7 （a） CIS-WLCSP結(jié)構(gòu)的三維視圖；（b）CIS-WLCSP的橫截面。

隨著工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)微縮及晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）尺寸增大，可靠性與芯片-封裝交互作用（CPI）面臨更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這不僅涉及封裝本體的可靠性表現(xiàn)，更需應(yīng)對(duì)制造完成后在運(yùn)輸、操作直至電路板貼裝等后續(xù)流程中可能引發(fā)的負(fù)面效應(yīng)。為響應(yīng)業(yè)界對(duì)側(cè)壁防護(hù)日益增長(zhǎng)的需求，顛覆性技術(shù)如扇入型M系列產(chǎn)品（基于Deca技術(shù)授權(quán)）應(yīng)運(yùn)而生，推動(dòng)六面(6S)防護(hù)體系成為保障高板級(jí)可靠性的行業(yè)金標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前市場(chǎng)仍由大型外包封測(cè)代工廠（OSAT）主導(dǎo)（日月光/矽品、安靠及長(zhǎng)電科技），但近年臺(tái)積電、三星等晶圓代工廠亦進(jìn)軍該領(lǐng)域并提供全流程解決方案；德州儀器、恩智浦、意法半導(dǎo)體等集成器件制造商（IDM）則持續(xù)構(gòu)成WLCSP供應(yīng)鏈的核心環(huán)節(jié)。

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