扇出型晶圆级封装技术的工艺流程

来源：学习那些事

作者：前路漫漫

扇出型晶圆级封装(FOWLP)技术

FOWLP技术概述

常规IC封装需经过将晶圆与IC封装基板焊接，再将IC基板焊接至普通PCB的复杂过程。与之不同，WLP基于IC晶圆，借助PCB制造技术，在晶圆上构建类似IC封装基板的结构，塑封后可直接安装在普通PCB上 。这种创新的封装方式自苹果A10处理器采用后，在节约主板表面面积方面成效显著。根据线路和焊脚与芯片尺寸的关系，WLP分为Fanin WLP（线路和焊脚限定在芯片尺寸以内）和Fanout WLP（可扩展至芯片尺寸之外，甚至实现芯片叠层） 。

a)IC封装 b)WLP

FOWLP技术特点

FOWLP突破了传统封装的限制，在面积扩展的同时，能够灵活地加入有源和/或无源器件，进而形成系统级封装（SIP）。相较于常规封装技术，它具备一系列显著优势。首先，可大幅增加I/O接口密度，满足芯片日益增长的信号传输需求；其次，为SiP技术的延伸提供有力支持，促进系统集成度的提升；再者，拥有更优良的电气性能，信号传输损耗更低，以及出色的热性能，能有效散热，确保芯片在高负载运行时的稳定性；此外，其可靠性更高，封装线路更精细，为实现高性能、小型化的芯片封装奠定了坚实基础 。

FOWLP工艺流程

一、基本工艺流程

FOWLP的制作涵盖重构晶圆、再布线、植球、切割等关键工艺步骤。其中，重构晶圆技术是FOWLP的核心，它决定了封装的整体架构和性能。而RDL技术及凸点技术与WLCSP相近，在实现芯片电气连接和信号传输方面发挥着重要作用。依据重构晶圆所用主要材料的差异，FOWLP可划分为树脂型、玻璃基和硅基FOWLP 。当下，树脂型FOWLP凭借其成本效益和工艺成熟度，成为主流的封装形式，并进一步细分为芯片先装/面朝下、芯片先装/面朝上和芯片后装/先RDL三种工艺类型。

二、树脂型FOWLP工艺

1.芯片先装/面朝下工艺步骤

1)在临时载板上均匀涂覆黏结层，为后续芯片的固定提供基础支撑。

2)对芯片进行严格测试，确保其性能达标后，将芯片面朝下精准排布到载板上，严格控制芯片位置，保证准确无误。

3)运用EMC（环氧模塑料）材料，通过模压成型工艺制作重构晶圆，并进行固化处理，使芯片与载板牢固结合为一体。

4)固化完成后，去除载板和黏结层，为后续工序创造条件。

5)在晶圆表面制作再布线层，实现芯片电气连接的重新布局，以满足封装的电气性能需求。

6)在再布线层上贴焊球，完成电气接口的构建，确保芯片与外部电路的可靠连接。

7)最后通过划片工序，将重构晶圆分割成单个封装，得到最终的封装产品。此工艺操作流程相对简单，能够直接埋入不同厚度的芯片和无源器件，为多样化的芯片集成提供了极大便利。

2.芯片先装/面朝上工艺步骤

1)首先在晶圆的芯片焊盘上制作UBM（底部金属化层）和铜柱接触焊垫，这是保障芯片电气连接和信号传输的关键步骤。

2)对晶圆进行减薄切割处理，使其满足封装尺寸和性能要求。

3)在临时载板上涂覆黏结层，为芯片的放置做好准备。

4)将经过测试合格的芯片面朝上精心排布到载板上，确保芯片位置准确。

5)采用EMC材料，通过模压成型工艺制作重构晶圆，并进行固化操作。

6)固化后，对EMC进行削磨处理，精准露出铜柱接触焊垫，为后续的再布线和连接奠定基础。

7)在露出的铜柱接触焊垫上制作再布线层，并贴焊球，实现芯片的电气连接。

8)去除载板和黏结层，然后进行划片操作，将重构晶圆分割成单个封装。该工艺的优势在于封装厚度更薄，有利于芯片散热，并且在载板的支持下能有效改善工艺过程中的翘曲问题。但也存在局限性，如无法埋入不同高度的器件，同时芯片上预制铜柱、涂覆PI膜等操作会导致生产周期延长、成本显著增加。此外，在露铜工艺中易出现铜污迹和表面沾污问题，不过可通过在铜柱焊垫完成后在晶圆表面涂覆一层PI的方法有效解决 。

芯片后装/先RDL工艺步骤

1)先将光敏PI沉积在硅承载片上，并设置格栅阵列状的开口，这些开口用于实现芯片与外部的电气连接。

2)使用半加成法制作Cu RDL（铜再布线层），形成多层RDL结构，同时在顶部铜线的相关位置形成带有Sn - Ag焊料帽的铜柱凸点。

3)以高精度（芯片到晶圆3μm）将芯片倒装键合到晶圆上，此时芯片的焊盘表面经过化学镀Ni/Pd/Au处理，以确保良好的电气连接性能。

4)完成键合后，进行晶圆模压操作，使芯片与周边结构牢固结合。

5)模压完成后，移除硅承载片。

6)最后通过切割工序，将晶圆分离成单个封装。此工艺在RDL精度方面表现优异，产出率更高，尤其适用于集成不同高度的器件。在生产过程中，由于硅承载片的支撑作用，能有效改善晶圆翘曲问题，为实现高质量的芯片封装提供了有力保障。

4.不同工艺组合与特点

根据重布线工序顺序和芯片放置方式的不同，FOWLP主要衍生出面朝上的先芯片处理、面朝下的先芯片处理和面朝下的后芯片处理三种组合工艺。面朝上的先芯片处理工艺需利用CMP将塑封层减薄，这一过程成本高昂，因此在实际应用中较少被封装厂采用。面朝下的先芯片处理工艺在移除载板并添加RDL制程时，容易引发翘曲问题，需要在工艺操作中提前采取防范措施。尽管存在这一挑战，但该工艺凭借其自身优势，在封装厂中得到了广泛应用，例如苹果的A10处理器。面朝下的后芯片处理工艺先进行RDL工艺，这种方式能够有效降低芯片封装制程产生的不合格率，目前在封装厂中也应用较多 。

FOWLP的优势与挑战

1.封装与集成优势

FOWLP采用独特的布线方式，能够巧妙地埋入多种不同芯片。在形成重构晶圆后的布线过程中，一次性实现多个芯片的互连，这一创新极大地减小了封装尺寸，有效降低了成本。与传统的倒装芯片球栅阵列（FC - BGA）封装相比，FOWLP在凸点制备完成后，无需使用封装基板便可直接焊接在印刷电路板上，简化了封装流程，提高了生产效率 。

2.电气与热性能优势

在无源器件的处理上，FOWLP技术展现出卓越的性能。在塑封成型时，其衬底损耗更低，电气性能更优，外形尺寸更小。这一系列优势带来了能耗更低、发热更少的显著效果，使得在相同功率下，芯片的工作温度更低；或者在相同温度时，电路运行速度更快。其厚铜线路的寄生电阻更小，衬底与塑封料间的电容更小，衬底损耗更少，电感与塑封料越接近损耗因子越小，Q值越高。此外，“消失的”基板层减小了整体尺寸，缩短了热流通路径，降低了热阻，为芯片的高效稳定运行创造了良好条件 。

二、FOWLP面临的挑战

1.热相关问题

FOWLP焊接点的热膨胀情况与BGA极为相似，在芯片和PCB之间不可避免地存在热膨胀系数不匹配的问题。当经过220 - 260℃回流焊时，聚合物内吸收的水分会迅速汽化，产生高内部蒸汽压。若胶体组成不良，就极易出现胶体剥落现象，严重影响封装的可靠性和性能 。

2.工艺精度问题

在重新建构排布过程中，维持芯片从抓取到放置于载具上的位置不发生偏移至关重要，在铸模作业时同样不能出现偏移。由于介电层开口、导线重新分布层与焊锡开口制作皆依赖光学光刻技术，且掩模对准晶圆及曝光是一次性完成的，这对芯片位置的精确度提出了极高的要求。哪怕是微小的偏移，都可能导致后续工艺的偏差，影响封装的质量和性能 。

3.晶圆与芯片问题

芯片放置于临时载板及重新排布过程中，会不可避免地产生翘曲问题。重新建构晶圆由塑胶、硅及金属材料组成，硅与胶体比例在三个方向上存在差异，铸模时的热胀冷缩会显著影响晶圆的翘曲行为。同时，芯片放置在载板晶圆上和包覆成型过程中，会出现轻微移动，这一现象对工艺产生不利影响。此外，采用扇出式封装仍存在因分割而引起的损坏问题，尽管相比其他封装方式，其损坏程度相对较轻，但仍不容忽视 。