从工艺到设备全方位解析锡膏在晶圆级封装中的应用

在半导体领域，晶圆级封装凭借其在提升芯片性能、缩小封装尺寸等方面的显著优势，成为行业发展的关键方向。锡膏作为实现电气连接与机械固定的关键材料，在晶圆级封装的多种工艺中扮演着不可或缺的角色。今天，傲牛科技的工程师从锡膏厂家的视角，深入探讨晶圆级封装的常见工艺，以及锡膏在其中的具体应用环节、所涉及的工艺与设备。

一、晶圆级封装常见工艺

晶圆级封装主要包括扇入型（Fan-In）、扇出型（Fan- Out）、倒装芯片（Flip Chip）及硅通孔（TSV）封装等工艺。

1、扇入型晶圆级芯片封装（Fan-In WLCSP）

该工艺是在晶圆切割前，将芯片的输入输出（I/O）引脚重新分布在芯片有源区周围，实现芯片尺寸与封装尺寸的接近。其基本流程为：先在晶圆表面通过溅射工艺形成金属膜，接着涂覆光刻胶并利用光刻工艺绘制电路图案，随后进行铜电镀形成金属引线，去除光刻胶和多余金属膜后，制备绝缘层（阻焊层），再通过光刻去除锡球放置区域的绝缘层，最后进行植球工艺。

2、扇出型晶圆级芯片封装（Fan-Out WLCSP）

扇出型工艺则突破了芯片原有的边界限制，将芯片的 I/O 引脚扩展到芯片之外。其操作过程是，先在载片上贴附薄膜，切割晶圆后把优质芯片按间距贴在薄膜上，对芯片间隔区域进行模塑形成新形状，移除载片和薄膜，然后在新晶圆上利用设备创建金属导线，并附着锡球，最后切割成独立封装体。

3、倒装芯片封装（Flip Chip）

倒装芯片封装是将芯片有源面朝下，通过凸点与基板直接互连。在晶圆阶段，需先制作凸点下金属层（UBM），再通过光刻、电镀等工艺形成凸点，凸点材料常为铜柱搭配锡银合金等焊料，之后进行回流焊使凸点成球。

4、硅通孔封装（TSV）

硅通孔封装主要应用于芯片的3D堆叠，实现芯片间的垂直互连。在晶圆制造过程中先形成通孔，封装时在晶圆正面形成焊接凸点，将晶圆贴附在载片上进行背面研磨，在背面也形成凸点，最后切割晶圆并进行芯片堆叠。

二、锡膏在不同工艺中的应用环节

1、扇入型与扇出型工艺中的植球环节

在扇入型和扇出型晶圆级封装的植球工艺中，锡膏都发挥着关键作用。植球前，通常会先通过钢网印刷将锡膏精确地涂覆在晶圆的焊盘上。以扇入型为例，在完成绝缘层制备且去除锡球放置区域的绝缘层后，需确保锡膏准确覆盖焊盘，为后续锡球的附着提供基础。在扇出型工艺中，在创建金属导线后，同样要借助锡膏将锡球固定在正确位置，以实现芯片与外部电路的可靠连接。

2、倒装芯片工艺的凸点制作与互连

倒装芯片工艺中，凸点制作是核心步骤。一种常见方式是通过钢网印刷在 UBM 上印刷锡膏，再经回流焊形成具有一定高度和形状的凸点。此外，在芯片与基板互连时，也会使用锡膏。将涂有锡膏的芯片倒装在基板上，经过回流焊，锡膏熔化并在芯片凸点与基板焊盘间形成牢固的电气与机械连接，确保信号的高效传输。

3、硅通孔封装的连接环节

在硅通孔封装中，当完成晶圆正面和背面的凸点制作后，进行芯片堆叠时，锡膏可用于芯片之间以及芯片与基板之间的连接。通过控制锡膏的涂覆量与位置，在回流焊后能形成稳定的焊点，实现芯片在三维结构中的可靠互连，满足高性能芯片对数据传输速度和密度的要求。

三、锡膏应用所涉及的工艺与设备

1、钢网印刷工艺与设备

无论是在植球还是凸点制作等环节，钢网印刷都是将锡膏精准涂覆到晶圆焊盘的关键工艺。印刷时，先将锡膏放置在具有特定图案开孔的钢网上，通过刮刀以一定的压力、速度和角度推动锡膏，使其通过钢网开孔沉积到晶圆焊盘上。钢网与晶圆间的距离（印刷间隙）、印刷角度、压力、速度以及锡膏自身的流变特性，都是影响印刷质量的关键参数。

在设备方面，高精度的钢网印刷机被广泛应用。这类印刷机能够精确控制刮刀的运动参数，确保锡膏均匀、准确地填充钢网开孔，并在晶圆焊盘上形成稳定的锡膏图形。

同时，为了适应不同的晶圆级封装需求，业内常选用纳米涂层钢网和电铸钢网。纳米涂层钢网是在激光切割钢网的基础上，经清洗、内壁打磨抛光后涂覆纳米涂层，可降低钢网表面能，利于锡膏脱模；电铸钢网则是通过光刻技术制备模板，再直流电铸而成，其开孔内壁光滑，印刷脱模表现稳定，尤其适用于超细间距应用，但价格相对昂贵。

2、回流焊工艺与设备

回流焊是使锡膏熔化并形成焊点的重要工艺。在完成锡膏印刷或锡球放置后，将晶圆放入回流焊设备中。回流焊设备会按照特定的温度曲线对晶圆进行加热，使锡膏中的焊料熔化，在表面张力作用下，焊料回流并在焊盘与相关连接部位之间形成冶金结合，冷却后形成牢固的焊点。

常见的回流焊设备有基于发热板的回流焊设备以及对流热风回流焊设备等。在晶圆级封装中，基于发热板的回流焊设备应用较为广泛，它能在不同加工阶段对晶圆施加精准的温度控制，满足回流焊操作所需的温度条件，确保封装工艺流程顺利进行，保障焊点的质量与可靠性。

晶圆级封装中的多种工艺对半导体芯片的性能提升与小型化发展意义重大，而锡膏在各个关键环节的应用，配合先进的钢网印刷和回流焊等工艺及设备，为实现高质量的芯片封装提供了有力支撑。随着行业的不断发展，对锡膏性能、印刷精度以及焊接可靠性等方面的要求也在持续提高，这也促使相关工艺与设备不断创新与优化，以适应半导体产业日益增长的技术需求。