晶圆级封装中的窄间距RDL技术

上篇文章提到用于 IC 封装的再分布层(RDL)技术Redistribution layer, RDL 的基本概念是将 I/O 焊盘的位置分配到芯片的其他位置，即用RDL转接到锡球焊接的着陆焊盘位置，如下图所示：

以下一种或多种情况可能需要这样做：

a) I/O 焊盘可能太小或太紧而无法放置可靠的焊接连接;

b) I/O 焊盘可能需要放置在更靠近芯片中心的位置以减少热应力;

c) 其他几何要求（如将非对称 I/O 布局转换为对称焊盘布局）可能需要 RDL。

RDL 的基本制造流程非常简单，包括：

a） 创建嵌入 PI 材料中的铜引线，以将 I/O 焊盘重新布线到其着陆焊盘位置，这里主要有三步：

1）在晶圆表面顶部形成第一介电（永久）层，该层仅在 I/O 焊盘上方打开。通常，使用聚合物薄膜，例如BCB或聚酰亚胺(PI)作为绝缘体。

2）创建从 I/O 焊盘到着陆焊盘的铜引线。这将需要创建一个种子层，通常是TiW和Cu，通过临时光刻胶创建“电镀模板”，然后电化学沉积（ECD）铜引线，最后剥离光刻胶并蚀刻种子层。

3）创建第二个介电层。该层用于保护裸露的铜免受腐蚀，并定义着陆焊盘。

b） 在着陆焊盘顶部创建微凸块(ubump, UBM)，以创建与焊料的可靠连接，通常使用各种金属和这些金属的堆叠，如 Ti、Cu、Ni、Pd、Ag、Au、它主要作为焊料向金属再分布层的扩散阻挡金属。这些金属可以通过ECD或溅射产生。无论哪种方式，都需要通过临时光刻胶创建“电镀模板”或“蚀刻模板”;

c） 最后，将可焊接金属放在 UBM 顶部。可焊接金属，如 SnAgCu、AuSn、PbSn，可以在 UBM 顶部形成。这可以通过 ECD 或焊球(Ball drop，BG)来完成。

窄间距RDL（Redistribution Layer）技术是一种在集成电路封装中常用的技术，用于实现芯片与封装之间的连接。RDL层通常由金属线构成，其主要功能是将芯片上的信号和电源引脚布线映射到封装上的引脚，以满足高密度、高性能应用的需求。

窄间距RDL技术的特点是在芯片和封装之间采用了非常小的间隔距离进行布线，可以实现更高的引脚密度和较短的电信号传输路径，从而提高了电路性能和可靠性。

窄间距RDL技术主要包括以下几个方面的关键技术：

1. 多层金属线：通过在RDL层中使用多层金属线，可以实现更多的引脚布线和更高的信号密度。
2. 超细线宽和间距：采用先进的制造工艺，使得RDL层的金属线宽度和间距可以达到亚微米级别，从而实现更高的集成度。
3. 低介电常数材料：选择低介电常数的材料作为RDL层的绝缘材料，可以减小信号传输的延迟和损耗，提高电路性能。
4. 高密度布线规则：通过优化布线规则和算法，实现更高的引脚密度和更紧凑的布线结构，使得整个系统的功耗、面积和性能得到优化。

下图显示了窄间距RDL的横截面示意图：

有三种不同的方案可以实现窄间距RDL，并且UBM之前工艺和标准流程相同，在UBM之前完成的工艺截面图如下图所示：

1）Cu BUM & 锡球焊

按照与前面介绍类似的工艺流程创建Cu UBM，通过成锡球阵列焊或锡球喷射在其上焊锡球都可行。锡球焊，如下图所示，无论是单独完成（滚珠喷射）还是在传质过程中完成，都被称为实现紧密间距的可靠和快速过程。使用锡球焊的另一个好处是，几乎任何可以形成焊球的金属，包括三元金属；

2） Cu UBM & 化学镀NiAu & 锡球焊

在Cu UBM顶部沉积化学镀的NiAu，首先要对Cu UBM表面进行预处理。首先，氧化铜被铜蚀刻剂去除，并沉积一层薄薄的钯 （Pd） 种子层。然后，Cu UBM化学镀上一层Ni（自催化），然后通过氧化还原反应机制浸入Au。

随着化学镀镍在横向以及高度或厚度上的生长，原来的Cu UBM直径会略有扩大，UBM直径的扩大可以估计为镍高度的2倍。这为满足回流焊后所需的焊球高度提供了一定的灵活性。通过控制 Ni 厚度来调整化学镀 Ni 直径，可以创建不同的 UBM 直径，从而影响焊接高度。完成化学镀 NiAu 表面处理后，使用相同的方法将助焊剂和焊球放置在 UBM 顶部，即 GBP 或焊料喷射。

与1)相比，方案2）中的Cu UBM覆盖有NiAu层，并为Cu UBM提供了防腐蚀保护的额外好处，如下图所示：

3）Cu柱 & SnAg cap

在焊盘的顶部创建带有锡银（SnAg cap）盖帽的铜柱，如下图所示。其中Cu柱和SnAg帽是在同一电镀工具中通过电镀工艺完成的。使用此方案，可以省略化学镀 NiAu 和锡球焊的过程。此方案也适用于相对较小的铜柱直径和小间距应用，且需要更厚的临时光刻胶，因为整体柱的高度可达 100 μm。

该方案的缺点是焊料合金选择的限制。SnAg合金中的Ag百分比通常通过改变SnAg电解液中的Ag浓度或SnAg镀层电流密度将其控制在1.5%至2.5%的范围内。

窄间距RDL技术在高性能芯片封装中起着重要的作用，它可以支持更高的带宽、更低的延迟和更高的集成度。这些特点使得窄间距RDL技术在高速通信、人工智能、云计算等领域得到广泛应用。