概述2026
本文主要介紹扇出型（先上晶芯片面朝下）晶圓級(jí)封裝（FOWLP）。首個(gè)關(guān)于扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）的美國(guó)專利由英飛凌（Infineon）于2001年10月31日提交，最早的技術(shù)論文則由英飛凌與其行業(yè)合作伙伴日本長(zhǎng)瀨（Nagase）、日東電工（Nitto Denko）和日本山田（Yamada）等公司，在ECTC2006和EPTC2006會(huì)議上聯(lián)合發(fā)表。當(dāng)時(shí)該技術(shù)被命名為嵌入式晶圓級(jí)焊球（embedded wafer-level ball，eWLB）陣列，這種方法摒棄了引線鍵合、晶圓凸點(diǎn)成型工藝，同時(shí)不再使用引線框和封裝基板，有望實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、小型化的封裝效果。該方法需借助臨時(shí)支撐片完成合格芯片（known-good die，KGD）的晶圓重構(gòu)、環(huán)氧模塑料（epoxy molding compound，EMC）模塑以及再布線層（redistribution layer, RDL）的制備。ECTC2007會(huì)議上，飛思卡爾（Freescale）發(fā)表了一項(xiàng)類似技術(shù)，并將其命名為重構(gòu)芯片封裝（redistributed chip package，RCP）。ECTC2008會(huì)議上，新加坡微電子所（IME）研發(fā)出支持多芯片及多芯片3D堆疊的FOWLP技術(shù)；ECTC2009會(huì)議上，IME發(fā)表4篇FOWLP相關(guān)論文，分別聚焦于模壓成型過(guò)程中芯片移位的預(yù)測(cè)新方法、超薄芯片的橫向放置與垂直堆疊、3D FOWLP的可靠性，以及高質(zhì)量、低損耗毫米波無(wú)源器件FOWLP的演示。
扇出型（先上晶面朝下）晶圓級(jí)封裝可用于異質(zhì)集成，相關(guān)技術(shù)中采用液態(tài)環(huán)氧模塑料（EMC）進(jìn)行模壓成型，所制備的RDL金屬線寬/線距為10/15μm。本節(jié)采用全新的干膜EMC層壓方法，替代傳統(tǒng)液態(tài)EMC模塑方式，所制備的RDL金屬線寬/線距可縮小至5~10μm。同時(shí)，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實(shí)現(xiàn)小型化（薄型）封裝，提出了一種特殊的組裝工藝。
測(cè)試芯片2026
圖1為所采用的兩顆測(cè)試芯片。圖1a為大測(cè)試芯片及其焊盤排布，該芯片尺寸為5mm×5mm×150μm，共包含160個(gè)焊盤，內(nèi)側(cè)焊盤節(jié)距為100μm。鋁焊盤上SiO?鈍化層開窗尺寸為50μm×50μm，鋁焊盤本身尺寸為70μm×70μm。小芯片尺寸為3mm×3mm×150μm，圖1b為該芯片的實(shí)物圖，其包含80個(gè)焊盤，內(nèi)側(cè)焊盤節(jié)距同樣為100μm，焊盤截面及尺寸與大測(cè)試芯片完全一致。
測(cè)試封裝體2026
圖2a為測(cè)試封裝體的結(jié)構(gòu)示意圖，封裝體尺寸為10mm×10mm，包含1顆大芯片（5mm×5mm）和3顆小芯片（3mm×3mm），大芯片與小芯片之間的間距為100μm。該封裝體設(shè)有2層再布線層（RDL），圖2b為芯片到RDL1的再布線層結(jié)構(gòu)，圖2c為RDL1到RDL2的再布線層結(jié)構(gòu)，圖2d為RDL2到PCB的連接結(jié)構(gòu)，圖2e為封裝體的整體輪廓。封裝體全部在12in臨時(shí)玻璃重構(gòu)晶圓上制備完成，晶圓上封裝體的節(jié)距為10.2mm。實(shí)際應(yīng)用中，大芯片可作為應(yīng)用處理器芯片，小芯片可作為存儲(chǔ)芯片，這種制備方式效率極高，可一次性實(shí)現(xiàn)629個(gè)封裝體（10mm×10mm，每個(gè)含4顆芯片）的異質(zhì)集成。
圖3為測(cè)試封裝體的截面示意圖，從中可清晰看到2層RDL結(jié)構(gòu)，其中RDL1的金屬層厚度為3μm，RDL2的金屬層厚度為7.5μm；RDL1的金屬線寬和線距均為5μm，RDL2的金屬線寬和線距均為10μm。DL1和DL2的介質(zhì)層厚度為5μm，DL3的介質(zhì)層厚度為10μm。連接測(cè)試芯片銅焊盤與RDL1、穿過(guò)介質(zhì)層（DL1）的孔（VC1）直徑為20~30μm，RDL1焊盤直徑為55μm，通過(guò)直徑30~40μm的過(guò)孔（V12）與RDL2連接，RDL2焊盤直徑為65μm。最終在RDL2上形成直徑220μm的焊球銅焊盤，鈍化層（DL3）開窗直徑為180μm，焊球直徑為200μm，節(jié)距為0.4mm。
傳統(tǒng)的先上晶（面朝下）晶圓級(jí)工藝2026
圖4為傳統(tǒng)先上晶面朝下FOWLP工藝流程圖。首先，對(duì)器件晶圓進(jìn)行合格芯片（KGD）測(cè)試，測(cè)試合格后切割得到單顆芯片；隨后拾取KGD，將其面朝下放置在圓形（晶圓狀）或矩形（面板狀）的臨時(shí)支撐片上（支撐片可選用金屬、硅或玻璃材質(zhì)），如圖4b所示。臨時(shí)載具上預(yù)先粘貼雙面熱剝離膠帶，如圖4a所示。KGD放置完成后，對(duì)重構(gòu)支撐片進(jìn)行EMC模塑處理（見圖4c），模塑過(guò)程采用模壓+后固化處理（post mold cure，PMC）。模塑完成后，去除臨時(shí)支撐片并剝離膠帶（見圖4d），接著在重構(gòu)晶圓上制備RDL（見圖4e），最后進(jìn)行植球操作，并將包含KGD、RDL和焊球的整個(gè)重構(gòu)晶圓劃片切割，得到單獨(dú)的封裝體（見圖4f）。
本文未采用傳統(tǒng)工藝中的模壓模塑及常規(guī)RDL制備方法，而是采用圖5所示的全新工藝流程，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的封裝效果和成本控制。
干膜EMC層壓2026
本文采用新型干膜EMC材料，其材料特性見表1，通過(guò)層壓方式完成模塑操作，替代了傳統(tǒng)液態(tài)EMC模塑方法。如圖5a、5b所示，拾取KGD并放置在支撐片上后，在其表面層壓一層厚度為200μm的干膜EMC（見圖5c和圖6），層壓溫度設(shè)定為100℃，層壓時(shí)間為30min。
臨時(shí)鍵合另一塊玻璃支撐片2026
傳統(tǒng)FOWLP工藝中，EMC模塑完成后需解鍵合支撐片并剝離膠帶（見圖4d），此時(shí)重構(gòu)晶圓的厚度通常不小于450μm，之后再進(jìn)行RDL制備和植球操作（見圖4e）。本研究中，為節(jié)省昂貴的EMC材料并實(shí)現(xiàn)小型化（薄型）封裝，無(wú)支撐片狀態(tài)下重構(gòu)晶圓的總厚度僅為300μm，這種超薄晶圓極易破碎，會(huì)給RDL制備和植球操作帶來(lái)極大困難。
針對(duì)這一問(wèn)題，解決方案為將薄重構(gòu)晶圓粘接至另一塊預(yù)先涂覆光熱轉(zhuǎn)換層的1mm厚玻璃晶圓（熱膨脹系數(shù)為6.4×10??/℃）上，如圖5d所示。隨后對(duì)干膜EMC進(jìn)行130℃、60min的預(yù)固化處理，之后去除第一塊臨時(shí)支撐片并剝離膠帶（見圖5e），最后對(duì)干膜EMC進(jìn)行180℃、90min的固化處理，確保其性能穩(wěn)定。
再布線層2026
如圖5e所示，固化完成后開始制備RDL。圖7為RDL制備的關(guān)鍵工藝步驟：首先在重構(gòu)晶圓上旋涂一層光敏聚酰亞胺（polyimide，PI）；隨后采用步進(jìn)式光刻機(jī)（每4個(gè)封裝體作為一個(gè)單元），在PI層上完成對(duì)準(zhǔn)、曝光、顯影操作，制備出過(guò)孔；之后將PI材料在200℃下固化1h，獲得厚度為4~5μm的PI層；接著在整塊晶圓上采用物理氣相沉積法，在175~200℃條件下濺射Ti層和Cu層；再次涂覆光刻膠，通過(guò)步進(jìn)式光刻技術(shù)獲得RDL布線圖形，采用電化學(xué)方法在開窗后的Ti/Cu層上電鍍Cu線路，剝離光刻膠并刻蝕掉多余的Ti/Cu層，即可得到RDL1；重復(fù)上述工藝步驟，可制備得到RDL2。
圖8所示為RDL1的金屬線寬/線距實(shí)拍圖，可見其線寬/線距與設(shè)計(jì)值（5μm）高度吻合。圖9為通過(guò)掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察到的RDL1截面圖，清晰展示了芯片、光敏聚酰亞胺與RDL1的結(jié)構(gòu)，其中RDL1的金屬線寬/線距為5μm，符合設(shè)計(jì)要求。
焊球植球2026
如圖5e所示的植球工藝中，需使用兩套不同的模板，分別用于助焊劑模板印刷和焊球模板植球。本研究采用SAC305（Sn3wt%Ag0.5%Cu焊球，焊球直徑為200μm，節(jié)距為0.4mm，焊料回流的峰值溫度設(shè)定為245℃，確保焊球與焊盤連接牢固、性能穩(wěn)定。
最終解鍵合2026
圖5f所示的玻璃支撐片解鍵合操作，通過(guò)從玻璃支撐片一側(cè)采用激光（355nm DPSS Nd:YAG UV）掃描完成。激光束斑為240μm，掃描速度為500mm/s，掃描步進(jìn)距離為100μm。光熱轉(zhuǎn)換材料在激光照射下會(huì)轉(zhuǎn)化為粉末狀，使得玻璃支撐片可輕松移除，解鍵合完成后需進(jìn)行化學(xué)清洗，去除殘留雜質(zhì)。
圖10為無(wú)任何支撐片的重構(gòu)晶圓及單個(gè)封裝體的特寫照片，可見一個(gè)封裝體中包含4顆芯片，芯片排布精準(zhǔn)、定位準(zhǔn)確。將重構(gòu)晶圓按照?qǐng)D5g所示進(jìn)行劃片，得到單個(gè)芯片單元，其X射線圖像如圖11所示，從中可清晰觀察到RDL1和RDL2的結(jié)構(gòu)分布。
圖12為典型異質(zhì)集成封裝體的截面圖，可見封裝體包含2層RDL，其中RDL2的金屬層厚度（7.5μm）大于RDL1（3μm）。RDL2設(shè)計(jì)較厚的原因是，在無(wú)凸點(diǎn)下金屬化層（UBM）的情況下，可獲得較厚的銅焊盤，從而有效防止焊球回流及器件工作過(guò)程中銅層被耗盡，保障封裝體的長(zhǎng)期可靠性。
采用C模式掃描超聲波顯微鏡（C-mode scanning acoustic microscopy，C-SAM）對(duì)層壓干膜EMC中的模塑空洞進(jìn)行檢測(cè)。為平衡檢測(cè)分辨率與信號(hào)穿透深度，選用75MHz超聲換能器開展空洞檢測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列掃描參數(shù)優(yōu)化與檢測(cè)，未在晶圓中檢測(cè)到任何空洞（包括EMC內(nèi)部及間隔空間），檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，表明干膜EMC層壓工藝的穩(wěn)定性和可靠性良好。
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