晶圆级CSP封装技术趋势与展望 - 全文

 晶圆级CSP封装（WLCSP）技术不同于传统的切割、芯片粘贴、引线键合、模塑的封装流程，它在结束前端晶圆制作流程的晶圆上直接完成所有的操作。在封装过程中再将芯片从晶圆上分离，从而使WLCSP可以实现与芯片尺寸相同的最小的封装体积，这几乎是最终的封装缩微技术。

自1998年可行性的WLCSP技术宣布以来，近年市场上已经出现了各种不同类型的WLCSP。这种技术已经使用在移动电子设备中，比如用于移动电话的电源供给芯片，并且延伸到逻辑产品的应用中。

WLCSP技术分类

WLCSP主要有三种形式（图1），即树脂封装类型（with Epoxy Resin Encapsulation）、无树脂封装类型（w/o Epoxy Resin Encapsulation）和玻璃类型（with glass Type）。

树脂封装类型自从1998年面世以来，就成为最普遍的一种形式。它的结构类似于常规FBGA（Fine Pitch Ball Grid Array）塑胶封装。由于表面环氧树脂封装了表层，它可以使用常规的回流焊工艺，贴放在印刷电路板（PCB）上。

无树脂封装类型又被称作倒装芯片类型。为了保护芯片表面和提高可靠性，芯片表面“生成”有一层薄的有机体或玻璃薄膜层。近年来，由于防潮性能提高，这种类型也已经采用在传统的回流焊工艺中。

玻璃类型是指在芯片表面有玻璃的结构，它应用于CCD和C-MOS传感器中。

WLCSP技术和工艺

在WLCSP中，传统封装中使用金线进行电路连接的方法被取而代之，而采用光刻和电镀技术在晶圆上进行电路的刻印。以下流程是对已经完成前道工艺的晶圆进行WLCSP封装的操作步骤，必要时需要重复这些步骤：

● 隔离层流程 (Isolation Layer)

● 接触孔流程 (Contact Hole)

● 焊盘下金属层流程 (UBM Layer)

● 为电镀作准备的光刻流程 (Photolithography for Plating)

● 电镀流程 (Plating)

● 阻挡层去除流程 (Resist Romoval)

在上述电路刻印流程完成后，需要在表面再生成一层防护层，然后进行其它流程，包括终端成型(Terminal Formation)、打标（Marking）、电性能测试。在最后的工序中进行芯片分割，从而结束整个流程。最后的电性能测试可以在晶圆级进行，也可以在切割后进行。

 电路刻印技术

WLCSP的电路生成使用了光刻和电镀技术。2000年树脂封装类型的WLCSP开始大量生产时，线路图形的线宽和间隙大约是50/50um。现在，精细刻印已经发展到约15/15um，而且5/5um级别的也已经在研发中。

精细的线路刻印能力直接关系到WLCSP的两个特性——引脚数量和高性能。由于WLCSP在芯片表面形成终端连接，高的引脚数量意味着窄的终端宽度。

因为芯片的终端引线焊脚多是为常规的引线键合技术设计的，WLCSP的量产通常需要将周边的键合衬垫进行再分布的流程（Redistribution Process），即刻印流程（Pattern Process），线路生成在表面的区域阵列焊盘之间。线路和间隙的设计规则可由下列公式得出（图2）：L/S=P/2/(2n+1)。

 

当前，0.4mm的终端焊盘间距已经在规模生产线中使用，终端焊盘之间有6条线路，并可以实现7行的终端焊盘设计。精密的刻印技术是实现高性能WLCSP的关键，这是因为可以使用再分布流程制作被动线路电感（图3）。

当隔离层更厚（>5um）、线路图形更厚（>5um）、线路阻抗更低（铝的60％）时，电感通常比SoC中使用铝线路的电感更优越。WLCSP技术中制作铜电感可以实现芯片更低的功耗，使应用扩张到移动产品中。线宽和空间分布L/S是实现高性能电路的重要指标，因此光刻和电镀也成为整个工艺流程中最重要的技术。

 未来的线路再分布技术

生成电路图形是上文提到的基本技术的重复。它生成UBM层，涂上光刻胶并生成所需的图形，然后进行电镀，最后再去除不再需要的光刻胶和UBM层。可以说，这个工艺还是所谓的“浪费材料的技术”。

目前业界已经开发出了一种不会“浪费材料”的技术，它可以直接实现图形制作（图4），以替代现有的“浪费材料的技术”。该技术采用纳米胶（nano-paste）和刻印喷?SPAN lang=EN-US>(inkjet printing)技术。这种技术的L/S指标目前还不能达到现在采用光刻、电镀技术实现的精细间距水平，然而，它是有益生态的技术，通过进一步的开发，这种技术可能会使用在更多的应用中。

 WLCSP技术的展望

WLCSP在2000年应用在电子手表中之后，已经应用在手机、存储卡、汽车导航仪、数码设备中。未来几年中，在手机这样的高性能移动市场中，会更多采用WLCSP技术的芯片。

 电子终端产品市场需要各种不同的系统级封装（SiP，System In Package），已有的形式包括在一个多芯片模块（MCP，Multi Chip Package）封装，以及封装体堆叠（PoP，Package On Package）等SiP的不同形式。手机设备中“SRAM+Flash”的封装是推动SiP技术实现高性能电子设备的重要动力。

 WLCSP技术为实现生产轻薄和小巧电子设备带来了更多的可能性。WLCSP已经应用在电路板组装上，近来它也成为SiP的重要组成部分，结合WLCSP和常规引线键合技术的MCP也已经进入量产（图5）。

集成电路通常通过回流焊贴装在PCB板上。使用常规的表面贴装技术，PCB的组装密度将接近极限。将芯片嵌入到PCB板中的技术可以实现更高的功能，并已经有量产。将WLCSP技术和芯片嵌入PCB工艺结合，可以确保PCB组装质量的稳定，这是因为WLCSP不仅易于进行PCB板贴装，而且具有“已知优良芯片（KGD，Known Good Die）”的特性。

结论

WLCSP不仅是实现高密度、高性能封装和SiP的重要技术，同时也将在器件嵌入PCB技术中起关键作用。尽管引线键合技术非常灵活和成熟，但是WLCSP技术的多层电路、精细线路图形、以及能与引线键合结合的特点，表明它将具有更广泛的应用和新的机遇。