一文了解晶圆级封装与面板级封装

来源：小薄的半导体世界

今天的学习资料说明晶圆级封装与面板级封装为何出现，比较Fan-In、Fan-Out与面板级路线在尺寸、成本、良率、测试、制造难点和未来成熟度上的差异，重点围绕小型化、短互连、批量生产和标准化挑战展开。

3分钟快速了解|晶圆级封装(Wafer Level Packaging/WLP)与面板级封装(Panel Level Packaging/PLP)

封装越接近裸片本体，尺寸越小;制造面积越大，成本越有机会下降。

Packaging Part 6 - Wafer to Panel Level Packaging

3分钟快速了解

今天的内容讲的是封装如何从晶圆级走向面板级。为什么需要晶圆级封装?核心驱动力是小型化、性能和成本。

传统封装需要引线框架、基板或更大的封装体，而晶圆级封装直接在晶圆还没切割时完成重布线层(RDL/Redistribution Layer，把裸片焊盘重新布线到目标连接位置的层)、焊球(Solder Ball，用于外部电连接的小焊料球)等结构，最后再切割。

由于“裸片本身就是封装”，它可以非常薄、面积很小;又因为互连很短，不需要金线键合(Gold Wire Bond，用金线连接裸片和封装引脚的方式)，性能和可靠性也更好。晶圆级封装分Fan-In和Fan-Out。Fan-In最简单，所有封装步骤都在晶圆上完成，封装尺寸等于裸片尺寸，是最典型的芯片级封装(Chip Scale Package，封装尺寸接近芯片本体尺寸的封装)。但它的输入输出数量受裸片面积限制。

Fan-Out则先切割晶圆，筛选已知良品裸片(Known Good Die/KGD，电性测试确认可用的裸片)，再把这些裸片重新放到载板上，并在裸片之间留出间距，用模塑材料重构成晶圆。这样裸片周围多了空间，可放更多连接和功能。Fan-Out里更常见的是正面朝下、先模塑路线，因为裸片能更直接接触RDL和焊球。

再往后是面板级封装，它与Fan-Out晶圆级封装相似，但把圆形晶圆换成更大的方形面板，一批能做更多封装，也减少圆形边缘浪费。不过，面板级封装还不成熟，尺寸、设备和流程尚未统一，裸片位移(Die Shift，裸片在模塑或热过程中偏离目标位置)和翘曲(Warpage，晶圆或面板发生弯曲变形)也更难控制。

复述骨架：

晶圆级封装是在晶圆还未切割时完成封装结构。

Fan-In最小，但输入输出数量受裸片面积限制。

Fan-Out通过重构晶圆增加裸片周边连接空间。

面板级封装把Fan-Out放大到更大的方形面板上。

面板级封装潜力大，但标准化、位移和翘曲仍是难点。

为什么需要晶圆级和面板级封装

今天的学习资料讨论晶圆级封装和面板级封装。这是一个与行业未来前景相关的话题。

首先要回答的是：为什么需要晶圆级封装和面板级封装?

和封装行业中的多数技术演进一样，其中一个重要驱动力是缩小尺寸。晶圆级封装是目前做到的最小封装之一。与传统带引线框架的封装、球栅阵列(BGA/Ball Grid Array，底部用焊球阵列连接电路板的封装)和倒装芯片(Flip Chip，把芯片翻转后用焊球连接基板的方式)相比，晶圆级封装甚至更小，因为它实际上没有传统意义上的封装，裸片本身就是封装。

这类封装也能提升性能，因为它的互连非常短，类似倒装芯片。它不需要金属线，只需要通过焊球把裸片连接到输出端。

这类封装还很有吸引力，因为可以降低成本。原因是封装在晶圆仍保持晶圆形态时就完成，允许批量生产，也就是可以并行生产更多芯片。总体上，这会带来更高良率(Yield，合格产品占总产品的比例)和更低成本。

最后，这类封装也更容易测试。传统封装中，通常先在晶圆上对封装或裸片进行测试，之后切割和封装可能导致裸片受损，因此封装后还要再次测试。但晶圆级封装是在裸片仍位于晶圆上时完成封装，因此只需要测试一次，节省时间，也更有效率。

晶圆级封装是什么

晶圆级封装是在芯片仍是晶圆一部分时，把封装制作出来。

当晶圆制造完成后，需要进行光刻(Photolithography，用光和掩膜把图案转移到光敏材料上的工艺)。光刻的基本过程是：用光敏涂层覆盖裸片，然后通过光和带有掩膜的电路图案，把电路投影到光敏涂层上，基本上就是把电路印到硅上。

之后去除涂层，就会得到所需电路，也就是掩膜中的电路图案已经被印到晶圆上。这些都是相当标准的流程。

区别从这里开始。晶圆级封装不会先切割晶圆，再对每个裸片单独封装，而是直接在晶圆上制作RDL，并在晶圆上放置焊球。换句话说，RDL、焊球和所有相关结构都直接建立在晶圆表面。封装完成之后，才进行切割。此时，这些封装基本上已经可以直接使用。

晶圆级封装主要有两种类型：Fan-In和Fan-Out。Fan-In是可以做到的最小封装;Fan-Out尺寸稍大，但支持更多应用，提供更多输入和输出。

晶圆级封装适用小型设备，例如手机、相机、图像传感器等需要非常小尺寸封装的产品。这些封装非常薄，占用面积也非常小。同时，与金线键合相比，它们通常是更便宜、更可靠的替代方案。对于晶圆级封装来说，引线键合已经不再需要。

Fan-In：裸片尺寸等于封装尺寸

Fan-In是更简单的晶圆级封装形式。完整封装从开始到结束都在晶圆上完成，所有步骤都发生在晶圆上。最终裸片尺寸会和封装尺寸相同，这意味着它是真正意义上的芯片级封装。裸片占据封装面积的100%，上面只有RDL和焊球，这就是整个封装。

Fan-In的优点是封装极小，但由于封装面积等于裸片面积，输入输出的扩展空间也受限。

Fan-Out：重构晶圆带来更多连接空间

Fan-Out晶圆级封装的流程更复杂。首先，晶圆会先被切割;然后，那些确认良好的裸片，也就是已知良品裸片，会被重新放置到一片晶圆上，并且裸片之间留出间距。

这些裸片被重新定位并彼此分开，然后继续进行制造流程。这样做可以为裸片周围提供更多空间。即使裸片尺寸相同，Fan-Out结构会在裸片之间加入模塑材料，从而提供额外区域，允许更多输入和输出，也带来更多整体功能。

Fan-Out目前是行业中更受欢迎、也正在持续发展的趋势。不过，在这种情况下，它不是真正的芯片级封装，因为封装尺寸大于裸片尺寸。

Fan-Out的两种路线：先模塑与先RDL

Fan-Out通常需要先切割裸片，然后重新构建模塑结构。这里有两种方法：先模塑和先RDL。

先模塑(Mold First，先放置裸片并模塑，再制作重布线层的流程)，顾名思义，就是先放置裸片，然后用模塑材料覆盖它们，之后再在上面构建RDL。

先模塑还可以分为正面朝上和正面朝下两种方式。正面朝下总体上性能更高，因为裸片会直接接触RDL和焊球。相比之下，若采用正面朝上，裸片和RDL之间会存在一定间隔，这个间隔需要被覆盖，可能导致性能稍慢。因此，正面朝下似乎是更受欢迎的组装方式。先RDL(RDL First，先在载板上形成重布线层再放置裸片的流程)则是在放置裸片之前，先在载板上构建RDL。之后再把裸片放到RDL上，并用模塑材料覆盖它们。总体来说，正面朝下、先模塑是更受欢迎的组装方法。

Fan-Out正面朝下先模塑流程

首先，在确认哪些是良品裸片之后，需要把它们放到载板(Carrier，用于临时承载裸片和封装结构的支撑板)上。这个载板也会覆盖一层热释放胶带(Thermal Release Tape，加热后降低黏着力以便释放载板的胶带)。裸片放置在胶带上，胶带会确保裸片保持在应该的位置，不会因搬运或其他过程移动。

当模塑发生时，温度升高，热释放胶带在加热后不再粘住这些裸片，这样载板之后就可以被释放。

裸片放到正确位置后，接下来进行压缩模塑(Compression Molding，用压力和热量让模塑料覆盖裸片并形成结构的工艺)。EMC(Epoxy Molding Compound，环氧模塑料)被放入结构中，然后通过压力和一定热量，使模塑材料适应结构并覆盖裸片，从而重建晶圆。

这是整个流程中最关键的一步。模塑材料的位置和成型情况，基本上会决定整个重构晶圆的几何形状。如果这一步出问题，整片晶圆都可能受损，或在后续步骤中遇到挑战。

随后，模塑材料需要固化，直到稳定并变成固体，达到可以移除载板的状态。然后，带胶带的载板会被移除，剩下的是一片带有已知良品裸片的重构晶圆，而且这些裸片之间留有一定间距。最后，在晶圆移除载板之后，制作RDL并放置焊球。这样封装就完成了，之后只需要切割并出货。

晶圆级封装的挑战

晶圆级封装是一种较新的技术，因此伴随一些挑战。最大挑战之一是热疲劳(Thermal Fatigue，反复温度变化导致材料或连接结构疲劳损伤的现象)。温度变化会因为热膨胀系数(CTE/Coefficient of Thermal Expansion，材料受热后尺寸变化程度)不匹配，最终导致焊球出现裂纹，进而引发失效。

传统方法是“焊球在氮化物上”，但这种方式仍可能在焊球中产生裂纹。因此，人们尝试把焊球放在聚合物上，通过几层聚合物吸收由热膨胀系数不匹配产生的应力。问题是，这种应力可能影响RDL，并在那里引发问题。

另一种更成功的方法是铜柱堆叠(Copper Pillar Stack，用铜柱连接焊球和RDL以改善热机械性能的结构)。这种方法会放置铜柱，用来连接焊球和RDL。在这些方法中，它具有最高的热机械性能。

另一个问题是，对于晶圆级封装来说，PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)几乎成了封装的一部分。因为它没有封装基板，裸片就像直接接触PCB一样。因此，PCB和裸片之间的热膨胀系数不匹配，可能导致PCB走线出现问题。这个问题可通过特定方式布设PCB走线，或选择热膨胀系数更接近裸片材料的PCB材料来缓解。

此外，晶圆可能在模塑过程中发生翘曲，裸片也可能因为模塑发生位移。这些问题在晶圆级封装中不像面板级封装中那么严重，但仍然需要考虑和处理。

晶圆级封装应用

晶圆级封装的主要用途包括3D封装(3D Packaging，通过垂直堆叠等方式提高功能密度的封装)、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)、图像传感器等。它们也广泛用于智能手机、传感器、电源管理和无线应用。

这方面较早的例子之一是Motorola Razr。正是由于采用晶圆级封装技术，它成为当时最薄的手机。之后，这项技术也被用于Apple iPhone 5、Samsung Galaxy S3和HTC的一些手机。因此，它越来越受欢迎，并被大量用于移动设备。

面板级封装是什么

晶圆级封装和面板级封装的主要区别在于：面板级封装与Fan-Out晶圆级封装非常相似，只不过它不是在圆形晶圆上完成，而是在尺寸大得多的面板上完成。

目前面板还没有统一标准尺寸。面板级封装从晶圆级封装演进而来，是一种新的趋势，目前仍在发展中。

面板级封装最大的优势是可以并行制造更多封装。每一个批次可以制造更多封装，因此成本可以显著下降。同时，它还消除了边缘效应。因为面板是方形的，不再像圆形晶圆那样，在边缘有一些不能使用的裸片位置。面板上的所有裸片位置实际上都可以使用。

面板级封装的挑战

面板级封装的关键难点在于，它是一项新技术，相关技术仍在开发中，机械设备和基础设施还没有真正标准化。因此，目前还没有在商业层面非常成熟、随处可用的机器来制造这些产品。行业仍在努力弄清楚如何推进。面板尺寸也还没有统一标准。

面板级封装面临晶圆级封装已有的问题，同时还额外面临缺乏标准化等问题。晶圆级封装的放大不能直接照搬到面板级封装，因为面板尺寸大得多，也更重，机器不能以完全相同方式工作。它也不完全等同于PCB制造，因此不能直接使用PCB制造方式。若想让面板级封装工艺标准化并提高效率，需要新的专用技术。

另一个问题是裸片位移。在面板级封装中，这个问题比晶圆级封装更严重。模塑和生产过程中，由于热膨胀系数不匹配，裸片可能从原本设计的位置偏移。资料指出，这种位移通常是线性位移，并发生在模塑过程中。理论上，如果能预测裸片会移动多少，就可以预先把裸片放在一个“看似错误”的位置，使它们在位移后最终落在正确位置。

面板级封装还会遇到翘曲问题。由于面板尺寸比晶圆更大，翘曲可能更加明显。目标不是完全消除翘曲，而是尽量控制它。如果能够控制并预测翘曲量，它就不应成为太大问题。

最后，搬运也是主要关注点。目前还没有足够成熟的工具来处理这些大尺寸面板，不过这些工具会随时间发展而出现。

晶圆级封装与面板级封装对比

晶圆级封装具有高良率和较低成本，而面板级封装在此基础上又推进一步。它每个批次可以放入更多裸片，因此良率更高，成本更低。

晶圆级封装可以有Fan-In和Fan-Out。晶圆级封装可以实现芯片级封装，而面板级封装目前只做Fan-Out，还没有Fan-In面板级封装。

晶圆级封装已经建立起来，并拥有标准流程;面板级封装仍然较新，行业还在摸索它到底该如何运作。

从主要问题看，晶圆级封装会受到热疲劳影响，可能出现焊球裂纹或RDL问题，有时也会有生产问题。但由于工艺已较标准化，这些问题通常能够受到控制。面板级封装的生产问题更严重，不仅因为尚未标准化，也因为尺寸更大，一些问题会被放大。

未来发展方向

过去，行业已有晶圆级封装。随后，为了容纳更多裸片、降低成本、提高良率，封装制造面积不断增加。大约在2015年到2016年前后，一些面板级封装开始出现，看起来像是未来方向。

不过，面板级封装距离完全成熟还很远。目前它还不是标准流程，仍在探索中。因此，晶圆级封装目前更可靠，良率更高，也拥有更多专用技术;而面板级封装似乎是更远期的发展方向。

一些公司已经在做面板级封装，也在对其进行投资。未来如果设备、流程和标准逐步成熟，行业可能会有更多选择，也可能形成更可靠的方法来真正实现这项技术。

参数表

项目	数值/说明
资料名	Packaging Part 6 - Wafer to Panel Level Packaging
主题	晶圆级封装与面板级封装
核心驱动力	缩小尺寸、提升性能、降低成本、简化测试
晶圆级封装定义	在芯片仍位于晶圆上时完成封装
晶圆级封装互连	RDL与焊球直接建在晶圆表面
晶圆级封装切割时间	封装完成后再切割
晶圆级封装类型	Fan-In、Fan-Out
Fan-In特点	封装尺寸等于裸片尺寸，裸片占封装面积100%
Fan-Out特点	先切割良品裸片，再重构晶圆，增加周边空间
Fan-Out优势	更多输入输出、更多功能、应用更广
常见Fan-Out路线	正面朝下、先模塑
关键材料	热释放胶带、EMC、聚合物、铜柱、焊球
关键工艺	光刻、RDL制作、焊球放置、切割、压缩模塑、固化
晶圆级封装挑战	热疲劳、焊球裂纹、RDL问题、PCB走线问题、翘曲、裸片位移
晶圆级封装应用	手机、相机、图像传感器、MEMS、智能手机、传感器、电源管理、无线应用
面板级封装定义	在大尺寸方形面板上进行Fan-Out式封装
面板级封装优势	每批更多封装、成本更低、消除圆形晶圆边缘效应
面板级封装现状	新技术，尺寸和设备尚未标准化
面板级封装挑战	标准化不足、裸片位移更严重、翘曲更明显、搬运工具不成熟
未来趋势	晶圆级封装当前更成熟，面板级封装是更远期方向

流程卡|从晶圆级到面板级封装

在晶圆上完成封装→区分Fan-In与Fan-Out→用良品裸片重构晶圆→扩大到方形面板并提高批量产出→解决标准化、裸片位移与翘曲问题

题精选

为什么晶圆级封装可以做到很小?

Fan-In和Fan-Out的核心区别是什么?

Fan-Out为什么要重构晶圆?

面板级封装相比晶圆级封装的主要优势是什么?

面板级封装目前最大的成熟度问题是什么?

参考答案：

因为晶圆级封装几乎没有传统封装体，裸片本身就是封装，RDL和焊球直接建立在晶圆表面。

Fan-In的封装尺寸等于裸片尺寸;Fan-Out会在裸片周围加入模塑空间，因此封装尺寸大于裸片尺寸，也能提供更多输入输出。

为了把已知良品裸片重新拉开间距，在裸片周围创造更多空间，用于RDL、焊球和更多输入输出连接。

面板级封装可以在更大的方形面板上并行制造更多封装，降低成本，并减少圆形晶圆边缘无法利用的问题。

它还缺乏标准化，面板尺寸、设备、基础设施和工艺方法仍在发展，同时裸片位移、翘曲和搬运问题更突出。

作者：卖设备的小柔术家

现居：日本东京

工作：半导体设备商社设备销售 & 网站管理

在读：庆应大学经济学部&秋田大学理工学部

兴趣：巴西柔术(棕带，练习 14 年)

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坐落于无锡市梁溪区光电科技园，引进国际先进的生产设备，并拥有一支掌握本领域核心技 术的研发团队和专业化的管理团队，为客户提供可靠及高品质的AMAT PVD, CVD, ETCH备件产品，可以用于P5000, Centura 5200, Endura 5500和Emax等平台。凭着对产品的精益求精的态度 ，赢得了北方华创、吉姆西、士兰、华虹、方正、华润等客户的认可与赞誉。

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