先進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)之五大要素

追溯芯片封裝歷史，將單個(gè)單元從整個(gè)晶圓中切割下來再進(jìn)行后續(xù)封裝測試的方式一直以來都是半導(dǎo)體芯片制造的“規(guī)定范式”。然而，隨著芯片制造成本的飛速提升以及消費(fèi)市場對(duì)于芯片性能的不斷追求，人們開始意識(shí)到革新先進(jìn)封裝技術(shù)的必要性。

對(duì)傳統(tǒng)封裝方式的改革創(chuàng)新，促成了晶圓級(jí)封裝技術(shù)（Wafer Level Package，WLP）的“應(yīng)運(yùn)而生”。

晶圓級(jí)封裝技術(shù)可定義為：直接在晶圓上進(jìn)行大部分或全部的封裝、測試程序，然后再進(jìn)行安裝焊球并切割，產(chǎn)出一顆顆的 IC 成品單元（如下圖所示）。

(圖片來源：長電科技)

晶圓級(jí)封裝技術(shù)與打線型（Wire-Bond）和倒裝型（Flip-Chip）封裝技術(shù)相比 ，能省去打金屬線、外延引腳（如QFP）、基板或引線框等工序，所以具備封裝尺寸小、電氣性能好的優(yōu)勢。

封裝行業(yè)的領(lǐng)跑者們大多基于晶圓模式來批量生產(chǎn)先進(jìn)晶圓級(jí)封裝產(chǎn)品，不但可利用現(xiàn)有的晶圓級(jí)制造設(shè)備來完成主體封裝制程的操作，而且讓封裝結(jié)構(gòu)、芯片布局的設(shè)計(jì)并行成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而顯著縮短了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低了整體項(xiàng)目成本。

先進(jìn)晶圓級(jí)封裝的主要優(yōu)勢包括：

1. 縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低整體項(xiàng)目成本；

2. 在晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)高密度 I/O 互聯(lián)，縮小線距；

3. 優(yōu)化電、熱特性，尤其適用于射頻/微波、高速信號(hào)傳輸、超低功耗等應(yīng)用；

4. 封裝尺寸更小、用料更少，與輕薄、短小、價(jià)優(yōu)的智能手機(jī)、可穿戴類產(chǎn)品達(dá)到完美契合；

5. 實(shí)現(xiàn)多功能整合，如系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package，SiP）、集成無源件（Integrated Passive Devices，IPD）等。

需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，與打線型封裝技術(shù)不同，用晶圓級(jí)封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)信號(hào)布線（Internal Signal Routing）有多個(gè)選項(xiàng)：晶圓級(jí)凸塊（Wafer Bumping）技術(shù)、再分布層（Re-Distribution Layer）技術(shù)、硅介層（Silicon Interposer）技術(shù)、硅穿孔（Through Silicon Via）技術(shù)等。

先進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)，主要包括了五大要素：

1. 圓級(jí)凸塊（Wafer Bumping）技術(shù)；

2. 扇入型（Fan-In）晶圓級(jí)封裝技術(shù)；

3. 扇出型（Fan-Out）晶圓級(jí)封裝技術(shù)；

4. 2.5D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)（包含IPD）；

5. 3D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)（包含IPD）。

作為芯片封裝行業(yè)內(nèi)的先鋒，隨著芯片尺寸和光刻節(jié)點(diǎn)縮小，長電科技正在全面推進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)各細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)。在晶圓級(jí)凸塊技術(shù)、扇入型晶圓級(jí)封裝技術(shù)、扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)、2.5D 和 3D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)領(lǐng)域，長電科技都有著足夠完善的集成解決方案。

晶圓凸塊（Wafer Bumping），顧名思義，即是在切割晶圓之前，于晶圓的預(yù)設(shè)位置上形成或安裝焊球（亦稱凸塊）。晶圓凸塊是實(shí)現(xiàn)芯片與 PCB 或基板（Substrate）互連的關(guān)鍵技術(shù)。凸塊的選材、構(gòu)造、尺寸設(shè)計(jì)，受多種因素影響，如封裝大小、成本及電氣、機(jī)械、散熱等性能要求。

長電科技在晶圓凸點(diǎn)設(shè)計(jì)和工藝流程等方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，業(yè)務(wù)涵蓋印刷型凸點(diǎn)（Printed Bump）技術(shù)、共晶電鍍型落球（Ball Drop with Eutectic Plating）技術(shù)、無鉛合金（Lead-Free Alloy）及銅支柱合金（Copper-Pillar Alloy）凸點(diǎn)技術(shù)等，并經(jīng)量產(chǎn)驗(yàn)證適用于 8 英寸（200mm）和 12 英寸（300mm）大小的標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓。下圖所示為幾款典型的晶圓凸塊實(shí)例：

(圖片來源：長電科技) 

扇入型晶圓級(jí)封裝（Fan-In Wafer Level Package，F(xiàn)IWLP）技術(shù)，業(yè)內(nèi)亦稱晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝（Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP）技術(shù)，是當(dāng)今各類晶圓級(jí)封裝技術(shù)中的主力。近兩年，扇入型晶圓級(jí)封裝產(chǎn)品的全球出貨量都保持在每年三百億顆以上，主要供給手機(jī)、智能穿戴等便攜型電子產(chǎn)品市場。

隨著便攜型電子產(chǎn)品的空間不斷縮小、工作頻率日益升高及功能需求的多樣化，芯片輸入/輸出（I/O）信號(hào)接口的數(shù)目大幅增加，凸塊及焊球間距（Bump Pitch & Ball Pitch）的精密程度要求漸趨嚴(yán)格，再分布層（RDL）技術(shù)的量產(chǎn)良率也因此越發(fā)受重視。在這種背景下，扇出型封裝（Fan-Out Wafer Level Package，F(xiàn)OWLP） 及扇入扇出混合型（Hybrid Fan-In/Fan-Out）等高端晶圓級(jí)封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。下圖所示為FIWLP（左）、FOWLP（右）的典型結(jié)構(gòu)：

(圖片來源：長電科技)

在晶圓級(jí)封裝制程里, 再分布層（Re Distribution Layer, RDL）技術(shù)主要用于在裸芯（Bare Die）和焊球之間重新規(guī)劃（也可理解為優(yōu)化）信號(hào)布線、傳輸?shù)穆窂?，以達(dá)到將晶圓級(jí)封裝產(chǎn)品的信號(hào)互聯(lián)密度、整體靈活度最大化的目的。RDL 的技術(shù)核心，簡單來說就是在原本的晶圓上附加一層或多層的橫向連接，用來傳輸信號(hào)。

下圖所示為典型的 Chip-First RDL 方案。值得注意的是，在該方案中有兩層電介質(zhì)（Dielectric）材料，用來保護(hù)被其包裹的 RDL 層（可理解為應(yīng)力緩沖）。另外，凸塊冶金（Under Bump Metallurgy，UBM）技術(shù)在這里也派上了用場，來幫助觸點(diǎn)（Contact Pad）支撐焊球、RDL 還有電介質(zhì)。

(圖片來源：Springer)

隨著超高密度多芯片模組（Multiple Chip Module，MCM）乃至系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）產(chǎn)品在 5G、AI、高性能運(yùn)算、汽車自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的普及，2.5D 和 3D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)備受設(shè)計(jì)人員青睞。下圖所示為 2.5D（左）和 3D（右）晶圓級(jí)封裝技術(shù)。

(圖片來源：長電科技)

如上方圖左所示，對(duì) 2.5D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)而言，兩顆芯片的信號(hào)互聯(lián)，可以通過再分布層（Re-Distribution Layer，RDL）或者硅介層（Silicon Interposer）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

如上方圖右所示，對(duì) 3D 晶圓級(jí)封裝技術(shù)而言，邏輯、通訊類芯片如 CPU、GPU、ASIC、PHY 的信號(hào)互聯(lián)，也可通過再分布層（RDL）或硅介層（Silicon Interposer）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是，3D 堆疊起來的多個(gè)高帶寬存儲(chǔ)（High-Bandwidth Memory，HBM）芯片與其底部的邏輯類芯片的信號(hào)互聯(lián)，則由硅穿孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，以上幾種互聯(lián)（Interconnect）如何取舍，需根據(jù)實(shí)際規(guī)格、成本目標(biāo)具體問題具體分析。

不論著眼現(xiàn)在，還是放眼未來，隨著 5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等大技術(shù)趨勢奔涌而至，在高密度異構(gòu)集成的技術(shù)競賽中，晶圓級(jí)封裝技術(shù)必將占有一席之地。

長電科技也將繼續(xù)推進(jìn)先進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)發(fā)展，通過自身高集成度的先進(jìn)晶圓級(jí)封裝技術(shù)與解決方案，滿足全球范圍內(nèi)客戶的多方位需求，推動(dòng)中國封測產(chǎn)業(yè)向著高質(zhì)量、高端化的目標(biāo)不斷前行。