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WLCSP（Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圆级封装）的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。本文旨在于介绍这种新封装技术的特异性，探讨最常见的热机械失效问题，并提出相应的控制方案和改进方法。
晶圆级封装技术虽然有优势，但是存在特殊的热机械失效问题。很多实验研究发现，钝化层或底层破裂、湿气渗透和/或裸片边缘离层是晶圆级封装常见的热机械失效模式。此外，裸片边缘是一个特别敏感的区域，我们必须给予更多的关注。事实上，扇入型封装裸片是暴露于空气中的（裸片周围没有模压复合物覆盖），容易被化学物质污染或发生破裂现象。所涉及的原因很多，例如晶圆切割工序未经优化，密封环结构缺陷（密封环是指裸片四周的金属花纹，起到机械和化学防护作用）。此外，由于焊球非常靠近钝化层，焊球工序与线路后端栈可能会相互影响。
本文采用FEM（Finite Element Method，有限元法）方法分析应力，重点放在扇入型封装上。我们给出了典型的应力区域。为降低机械失效的风险，我们还简要介绍了晶圆级封装的特异性。在描述完机械失效后，我们还对裸片和钝化边缘进行了全面的分析。分析结果显示，钝化边缘产生最大应力，这对沉积策略（直接或锥体沉积方法）和边缘位置提出了要求。此外，研究结果还显示，必须降低残余应力，并提高BEoL（线路后端）的钝化层厚度。
1. 前言和背景
晶圆级封装的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。双层电介质、RDL（ReDistribution Layer， 重新布线层）、UBM （可焊接薄层，用于焊球底部金属化）和焊球都位于标准BEoL栈之上。因此，这些层级扩展了传统晶片制程（多层沉积薄膜配合光刻工艺）范围。晶圆级封装的焊球工艺与倒装片封装非常相似。
图1： ［A］扇入型封装（晶圆级封装）和［B］扇出封装（封装大小取决于裸片边缘与装配栈层的间隙）
晶圆级封装主要分为扇入型封装和扇出型封装（图1）两种。扇入型封装是在晶圆片未切割前完成封装工序，即先封装后切割。因此，裸片封装后与裸片本身的尺寸相同（图2 ［A］）。扇出型封装是先在人造模压晶圆片上重构每颗裸片，“新”晶圆片是加工RDL布线层的基板，然后按照普通扇入型晶圆级封装后工序，完成最后的封装流程（图2 ［B］） ［1-2-3-4-5］。
图2：扇入和扇出型封装流程
这里需要说明的是，为提高晶圆级封装的可靠性，目前存在多种焊球装配工艺，其中包括氮化物层上焊球［6］、聚合物层上焊球［7-8］、铜柱晶圆级封装等等。本文重点讨论在RDL层/聚合物层上用UBM层装配焊球的方法（图3）。
图3：采用聚合物方案装配UBM焊球
下一章重点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。
2. 晶圆级封装集成技术引起的热机械问题
本文特别分析了发生在BEoL层远端（Far-BEoL）和BEoL层的热失效问题。焊球疲劳等与裸片封装相关的失效模式不在本文讨论范围，想了解更信息，请查阅相关资料，例如本文后面的文献［9］。我们先用 BEoL层大面积离层实验图解释裸片边缘敏感性问题，然后讨论焊球附近区域是BEoL远端层破裂的关键位置。
- 裸片边缘
扇入型标准封装裸片是直接暴露于空气中（裸片周围无模压复合物），人们担心这种封装非常容易受到外部风险的影响。优化晶片切割工艺是降低失效风险的首要措施。为防止破裂在封装工序和/或可靠性测试过程中曼延，必须控制切割工序在裸片边缘产生的裂缝（图4 ［A］）。此外，这种封装技术的聚合物层末端靠近裸片边缘，因为热膨胀系数（CTE）失匹，这个区域会出现附加的残余应力。
为预防这些问题发生，最新技术提出有侧壁的扇入型封装解决方案。具体做法是，采用与扇出型封装相同的制程，给裸片加一保护层（几十微米厚），将其完全封闭起来，封装大小不变，只是增加了一个机械保护罩。
图4：在BEoL内部的裸片边缘离层;［A］扇入型封装［B］扇出型封装
树脂、聚合物层和裸片边缘相互作用，致使扇出型封装的失效风险增加（图4 ［B］）。
在这种情况下，密封环结构是一个有效的压制应力的方法。作为BEoL层的一部分，密封环是围绕在裸片四周的金属图案，具有防护作用，避免化学污染和裂缝曼延，然而这个结构不足以预防所有的失效问题，所以，必须从以下两方面进行优化：
- 焊球和钝化层下面
晶圆级封装的焊球可以装配在BEoL层上面。钝化层、UBM层和焊球组件具有不同的热膨胀系数，这会在聚合物层上产生应力，在某些极端情况下，甚至还会导致聚合物层破裂，并有可能最终曼延到BEoL栈。BEoL的最上层是钝化层，是由氧化物层和氮化物层组成，前者是化学污染保护层，后者则用于预防机械应力。如果钝化层受损，裸片就会受到各种形式的污染，导致电气失效。因此，必须精心设计BEoL远端层（RDL、焊球和聚合物）。RDL层的密度及其布线需要分布均匀。聚合物及其沉积方法的选择对于器件的可靠性也很重要。图5描述了某些典型缺陷。
图5：［A］焊球靠近钝化层而引起聚合物层破裂的顶视图［B］在整个栈内出现破裂的BEoL远端层和BEoL层的横截面
解决这些问题需要我们深入了解相关结构和专用的优化方法。
3. 有限元法数值分析
本文重点介绍扇入型封装配置。需要说明地是，某些分析结果同样适用于扇出型封装解决方案（例如，焊球附近结构）。
数值模型
我们使用Ansys的商用软件进行了有限元法分析。第一步是创建一个3D封装模型，以了解WLP封装的应力分布区域。我们探讨了焊球附近和裸片边缘附件的应力分布情况。出于对称性考虑，只描述封装的四分之一（图6）。
图6：有限元法3D扇入型封装模型 ［A］ 独立封装 ［B］ 组装好的封装
第二步是简化BEoL层和聚合物层的建模，用一个20D模型进一步探讨各层之间的相互作用（图7）。这个栈包括四个顶层共行覆膜的金属层和一个标准的密封环结构。为避免数值错误，所有配置均保持网格不变，并根据结果分析材料性质。
图7：有限元法2D模型包括标准密封环和聚合物层末端
我们对两个模型都施加了225°C至25°C的热负载，模拟回流焊工序，并做了一个线弹性分析。
我们可以考虑独立封装（图6 ［A］）和安装在主板上的封装（图6 ［B］） 两种封装工艺。本文主要讨论前者，让读者初步了解WLCSP封装的特异性。
BEoL层应力如图8所示。在这样一个配置中，因为焊球和外围器件的热膨胀系数失匹，每个焊接区都会发生类似的应力问题。此外，在裸片外围可以看到聚合物层边缘的影响（见图8中的箭头）。因此，我们已开始怀疑聚合物、焊球和裸片边缘的相互作用。需要指出的是，在这个层面，应力的产生唯一原因是本地的热膨胀失匹，而与封装尺寸大小无关。
图8：BEoL区的S1 应力分量（MPa） - 独立配置（顶视图 – 重点分析封装角部）
一旦组装到主板上后，应力区域特性接近在标准倒装片配置上观察到的应力区域［10］。在最外层焊球区域观察到应力最大值，因为最外层焊球到中性点（DNP）（即封装中心）的距离最远（图9）。我们还观察到，焊球下面的应力分布受焊球至封装中心的相对位置的影响。因此，压缩力和拉伸力区域方向随焊球位置不同而变化。
图9：BEoL区的SZ 应力分量（MPa） - 组装到主板上的封装 （顶视图）
与独立封装相比，已焊接的焊球使焊盘受到更大的应力。不过，无论封装尺寸多大，裸片和聚会物边缘受到的应力都会保持不变。
聚合物层
聚合物边缘可选用两种设计策略，锥体或直接沉积方法，具体选用哪一种方法，取决于第二层聚合物止于第一层薄膜之前还是之后。我们从机械学角度评测两个配置，在BEoL区域内，沿裸片对角线提取应力值（图10）。因为关注点放在了聚合物边缘，所以图中只给出了封装的角部受力情况。如前文所述，在BEoL区能够观察到焊球的影响（见图中的反复出现的图形）。此外，正如我们所预想的，在聚合物边缘发现了应力最大值，不过，应力的影响只限于这个区域。有限元分析显示，与锥体沉积法相比，直接沉积法的应力更高，这是因为前者边缘处聚合物厚度较大。两种沉积方法导致厚度相差大约5% （图10 （B））。
图10：［A］ 直接配置和锥体配置的BEoL层和聚合物层应力分布图［B］ BEoL栈周围应力变化（见应力提取通道图［A］上的灰箭头） （独立封装配置）
在决定了边缘设计方法后，我们需要确定在BEoL栈上发生较低应力的准确位置。为此，我们测试了各种位置：平坦区（图11 #1， #4）、密封环（图11 #6）上方、钝化拓扑底部不同位置（图11 #2 #3 #5）。
图11：有聚合物的配置与无聚合物的配置之间的应力变化。在SiN钝化层内提取拉伸应力Sy。不同配置间的应力差异主要出现在聚合物边缘。
鉴于聚合物末端在BEoL栈上产生拉伸性负载，确定选项#6为首选。因此，密封环的‘锚定’特性可限制其潜在的不利影响。为辨别结构差异，关注点放在钝化层应力上。
不出所料，发现两个大类：第一类（#2， #3 & #5）是聚合物层末端靠近一个几何奇点，引发最大应力;第二类（#1， #4 & #6）是聚合物层末端在一个平坦面上，这里观察到最小应力。提案#6（即密封圈上方）的改进作用并不明显，需要说明地是，这可能是所用分析标准造成的，本文只分析了SiN层的完整性，BEoL中间层的离层风险并未视为一种失效模式。基于这些结果和过程可变因素，将边缘置于较大的平坦区域是比较安全的，这对应配置#4。
钝化性质
聚合物层边缘、暴露于空气中的结构和焊盘的存在，让WLCSP封装的钝化层成为一个重要区域。开发人员可以从厚度和残余应力角度探讨最佳设计。因为我们跟踪的失效类型是机械失效，所以讨论重点放在氮化物层的特性方面。为此，我们测试了不同厚度与残余应力的相对变化，见表1.
表1.探讨过的参数表
图12：［A］SiN厚度的影响［B］SiN残余应力的影响
应力是从聚合物层下面的SiN层提取的（图12）。测试结果显示，SiN越厚，应力越小。还应记住，如果厚度较大，真层拓扑可能会更平滑，奇点更少，因此，可降低失效风险。关于残余应力影响，根据最初假定值，最终应力被迁移。因此，通过降低残余应力，降低了最终应力状态的数学值。不过，增加厚度方法不能随意修改，还要记住对其它特性（例如，电气、可靠性和热变形）的影响。因此，必须找到一个折衷的办法，考虑到所有的副作用。
4. 结论
本文概述了WLCSP晶圆级封装的特异性，先简要介绍了扇入和扇出型封装特异性以及封装流程;然后，描述了在制程工序和/或可靠性测试期间发生的不同的热机械失效。裸片边缘带和焊球四周是高度敏感区域，发生过很多失效问题。为更深入地了解所涉及的结构，本文采用有限元法分析了WLCSP封装失效问题。首先，建立一个3D封装模型，初步了解扇入型封装的热机械特性。研究发现，焊球和聚合物边缘是影响可靠性的重要位置。然后，用一个2D模型深入分析聚合物边缘的影响，优化BEoL层。实验发现，终止在平坦区域的锥体沉积法可降低在BEoL钝化层发生的应力。最后，我们研究了SiN厚度及残余应力的影响，并建议提高SiN层厚度，以降低残余应力。
本文能够让读者朋友更好地了解WLCSP封装在机械性能方面的特异性。通过介绍一组与有限元法结果相关的典型失效，我们概括了主要有效参数和可靠性改进建议。
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