扇入型晶圆级封装技术介绍

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述扇入型封装。

扇入技术属于单芯片晶圆级或板级封装形式，常被用于制备晶圆级或面板级芯片尺寸封装（W/PLCSP，一般简称为WLCSP）。从严格的技术分类标准来看，WLCSP并不属于先进封装范畴，但该封装形式在实际应用中仍面临一系列问题，同时也催生出诸多改进需求。一方面，WLCSP正面的介电材料容易出现分层现象，特别是14nm以下先进工艺节点的芯片，通常会使用力学性能较弱的聚酰亚胺材料，分层风险更为突出；另一方面，晶圆机械切割过程中，容易在芯片背面产生毛刺，同时引发芯片侧壁开裂；此外，在芯片拾取、放置以及表面贴装技术（SMT）等工序中，操作过程容易对芯片造成机械损伤。随着汽车电子领域的快速发展，诸多新增功能对无钎焊料封装的可靠性提出了更高要求，例如先进驾驶辅助系统（ADAS）、发动机舱内部件等应用场景，需要封装能够承受极端高低温环境。在此背景下，成本相对较高的5面/6面全包裹模塑型WLCSP逐渐受到行业的广泛关注。

6面模塑的晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）

图1为6面模塑WLCSP的截面结构示意图，该结构实现了芯片六个表面（正面、背面以及四个侧壁）的全方位包裹与防护。封装内部设有一层再布线层（RDL），由绝缘介质层与金属布线层共同构成，整体厚度约为20μm。再布线层的金属线宽与线间距均为20μm，绝缘层开窗尺寸设定为50μm。相关工艺研究中详细阐述了6面模塑WLCSP的完整制备流程。

图2展示了6面模塑WLCSP的外观与结构特征。芯片侧壁的平均模塑层厚度约为78μm，正面模塑层平均厚度约为53μm，焊球的平均支撑高度约为100μm，芯片本体厚度为390μm。其中，图2a为传统结构的WLCSP；图2b为正面带有模塑保护层的6面模塑WLCSP；图2c为经过等离子刻蚀处理后，6面模塑WLCSP的焊点形态。传统WLCSP的焊球平均高度为148μm（设计目标高度为150μm），而6面模塑WLCSP的焊球平均高度为103μm（设计目标高度为100μm）。

WLCSP的可靠性对比：常规型与6面模塑型

研究人员将6面模塑WLCSP与常规WLCSP分别完成PCB板组装后，开展温度循环可靠性测试，测试温度区间为-55℃~125℃。测试以菊花链电阻值上升50%作为失效判定标准，将封装内首个焊点出现失效时所经历的循环周期，定义为该封装的失效寿命。

图3为基于中位秩法绘制的Weibull分布曲线。从曲线可以看出，6面模塑WLCSP的特征寿命达到1037个循环周期，远优于常规WLCSP的368个循环周期。针对千分之九百九十九的样本而言，6面模塑WLCSP的平均寿命约为常规WLCSP的2.9倍。两种封装的焊点失效位置基本一致，均出现在焊点阵列最外侧靠近芯片拐角的位置。

从图4能够清晰发现，常规WLCSP与6面模塑WLCSP的焊点失效模式存在显著差异。常规WLCSP的失效模式为焊料在芯片/RDL层与焊料本体的界面处发生断裂，如图4a所示；而6面模塑WLCSP的失效模式则为焊料在焊料本体与PCB的界面处发生断裂，如图4b所示。上述失效模式已通过非线性有限元结构仿真得到验证，仿真结果如图5所示。

图5a、b分别为常规WLCSP拐角处焊点，在85℃保温450s与-40℃保温2250s条件下的累积蠕变应变云图，结果显示最大累积蠕变应变集中在芯片/RDL层与焊料本体的界面位置。图5c、d分别为6面模塑WLCSP拐角处焊点，在相同温度与时间条件下的累积蠕变应变云图，最大累积蠕变应变则出现在焊料本体与PCB的界面位置。

焊点失效位置从芯片/RDL与焊料界面转移至焊料与PCB界面，核心原因是6面模塑结构中，焊点顶部的环氧模塑复合材料（EMC）为焊点提供了有效机械防护。

虽然6面模塑WLCSP与常规WLCSP在拐角焊点处的最大累积蠕变应变数值相近，但该最大值仅出现在6面模塑WLCSP焊点极小的局部区域内，其焊点大部分体积内的累积蠕变应变均低于常规WLCSP。因此，6面模塑WLCSP具备更优异的热疲劳寿命，可靠性显著提升。