先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 1 混合鍵合技術(shù)（上）

先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 2 混合鍵合技術(shù)（下）

先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 3 Chiplet 異構(gòu)集成（上）

先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 4 Chiplet 異構(gòu)集成（下）

先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 5 TSV 異構(gòu)集成與等效熱仿真

先進(jìn)封裝技術(shù)（Semiconductor Advanced Packaging） - 6 扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）

封裝技術(shù)從早期到現(xiàn)在的發(fā)展都是為了提高半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)值，不斷增加芯片的功能，增加 I/O 數(shù)從而將更多的功能整合到終端產(chǎn)品中去。但是，由于摩爾定律極限的不斷逼近使得電子產(chǎn)品的性能已經(jīng)不能再通過縮小芯片的尺寸來實(shí)現(xiàn)，甚至不斷增多的 I/O 引腳數(shù)已經(jīng)使得基板下面不能再容納更多數(shù)目的錫球，而如果通過將錫球的尺寸減小這又將帶來成本的不斷增加。因此，扇出型封裝技術(shù)的提出就是為了突破芯片與基板面積之間所帶來的限制。

在此背景下，F(xiàn)OWLP（Fan-Out Wafer Level Package）作為一種新興的封裝技術(shù)，在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的使用。該技術(shù)具有完善的生產(chǎn)過程，可滿足各種不斷變化的需求。2016 年，蘋果公司將 FOWLP 成功地運(yùn)用到了其最具代表性的產(chǎn)品 iPhone7 的處理器和模塊中。

目前扇出型晶圓級(jí)封裝技術(shù)主流的晶圓尺寸為 12 寸，但是為了能在更低的生產(chǎn)成本下有更高的實(shí)際產(chǎn)出量，生產(chǎn)方向朝著 18 寸晶圓進(jìn)行，但是生產(chǎn)過程中也存在很多困難，比如制造 18 寸晶圓所使用的設(shè)備需要更新?lián)Q代，這就需要投入大量的資金，且生產(chǎn)過程中的工藝要求也亟需有所提升。因此，工程師們便考慮通過使用尺寸更大的面板級(jí)封裝去代替晶圓級(jí)封裝，這樣可以更好地利用其封裝規(guī)模大和使用效率高的優(yōu)勢(shì)。

采用面板級(jí)封裝去替代晶圓級(jí)封裝，若在工藝技術(shù)已經(jīng)完備的情況下，其生產(chǎn)成本可以有很大幅度的降低。同時(shí)相比較晶圓級(jí)封裝來說，面板級(jí)封裝也有著更加高的成品合格率。此外，面板級(jí)封裝生產(chǎn)所使用的生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)支持和所涉及到的專業(yè)知識(shí)都和晶圓級(jí)封裝以及 PCB 板大相徑庭，這也使得面板級(jí)封裝具有更加良好的前景和發(fā)展空間。隨著多種因素的共同作用，扇出型板級(jí)封裝（Fan-out Panel Level Packaging， FOPLP）迅速發(fā)展起來。

FOPLP 是相對(duì)于 FOWLP 來說的，它將晶圓基板替換為面板基板，并采用扇出型封裝的方式進(jìn)行封裝，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的產(chǎn)品。FOPLP 所使用的工藝生產(chǎn)方法與 FOWLP 相似，不同的是FOPLP 具有更高的利用率、更低成本的潛力。

FOPLP 與 FOWLP 并不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而是相輔相成，目前行業(yè)內(nèi) FOWLP應(yīng)用于 I/O 密度高和細(xì)線寬/線距的高端應(yīng)用，而扇出型板級(jí)封裝 FOPLP則關(guān)注于 I/O 密度低和粗線寬/線距的低端或中端應(yīng)用，這樣 FOPLP 可以更好的發(fā)揮成本優(yōu)勢(shì)，基于扇出型板級(jí)封裝 FOPLP 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的封裝組件密度和性能。

FOPLP Chip First 工藝通常有 Face up 與 Face down兩種形式。

Chip-First and Face-Down

對(duì)于 Face down 來說，芯片 I/O 面朝下，粘貼在附帶臨時(shí)鍵合膠的載板上，然后進(jìn)行塑封固化和移除載板，接著在芯片 I/O 面熱壓一層介電層，對(duì) I/O 口處進(jìn)行激光開孔，露出芯片 I/O 口并清除殘余介電層，后續(xù)采用真空濺射生成 Ti/Cu 種子層，在種子層上熱壓一層干膜，進(jìn)行曝光、顯影、電鍍做出線路層，最后進(jìn)行退膜處理，除去多余種子層，在線路層上覆蓋感光油墨以及切割成單個(gè)封裝體。

Chip-First and Face-Up

對(duì)于 Face up 來說，芯片面朝上粘貼在臨時(shí)鍵合膠上，但此處芯片 I/O 口需先具有銅柱，然后進(jìn)行塑封固化和研磨露出銅柱，接著在銅柱上熱壓一層介電層，對(duì) I/O 口處進(jìn)行激光開孔，露出芯片 I/O 口并清除殘余介電層，后續(xù)采用真空濺射生成 Ti/Cu 種子層，在種子層上熱壓一層干膜，進(jìn)行曝光、顯影、電鍍做出線路層，最后進(jìn)行退膜處理，除去多余種子層，在線路層上覆蓋感光油墨以及切割成單個(gè)封裝體。

以上兩種 Chip First 封裝工藝中存在以下幾項(xiàng)挑戰(zhàn)性問題：

其封裝產(chǎn)量由 RDL 的生產(chǎn)良率決定；

芯片表面的 I/O 間距會(huì)受到芯片與 RDL 之間對(duì)準(zhǔn)誤差的限制；

重構(gòu)晶圓中需要可以低溫固化的樹脂，可能會(huì)降低封裝可靠性；

RDL 的工藝制程一般都在 10 μm 以下，在制作 RDL 前，重構(gòu)晶圓的輕微翹曲或芯片偏移均會(huì)嚴(yán)重影響 RDL 的生產(chǎn)良率；

一旦發(fā)現(xiàn)有部分 RDL 損壞，損壞部分的RDL 對(duì)應(yīng)的 KGDs 也無法再利用，容易造成資源的浪費(fèi)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，Deca technologies 公司在 2012 年提出了芯片后裝或 RDL 先裝 （Chip-Last or RDL-First） 的技術(shù)方案，這項(xiàng)技術(shù)是帶有饋通轉(zhuǎn)接板的智能芯片互連技術(shù)（SMAFTI）的基礎(chǔ)。

Chip-Last or RDL-First

首先，在平坦的臨時(shí)載板上制作 RDL，可以消除前端工藝中翹曲帶來的影響；其次將 KGDs 以 I/O 面朝下的方式與 RDL 進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)互連，完成芯片到晶圓（D2W）的鍵合工藝后；再使用 EMC 進(jìn)行固化塑封處理，隨后將臨時(shí)載板去除；最后將焊球安裝在底部的 RDL 上并將重構(gòu)晶圓切割成單獨(dú)的封裝。

相較于 Chip-First 的扇出型封裝技術(shù)，Chip-Last or RDL-First 技術(shù)中每一步工藝的難度都比較大，且這項(xiàng)技術(shù)需要更多的材料、設(shè)備、生產(chǎn)場(chǎng)地和技術(shù)人員，其生產(chǎn)成本非常高，并也有可能導(dǎo)致更大的產(chǎn)能損失。因此，該技術(shù)通常只應(yīng)用于要求超高密度封裝和超高性能的產(chǎn)品中，如高端服務(wù)器和人工智能。

由于 Fan-out 封裝結(jié)構(gòu)本身具有厚度更薄、密度更高等特征，也給FOPLP 帶來了諸多考驗(yàn)。

工藝翹曲：在制造工藝過程中的翹曲行為是扇出型封裝在普及過程中面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)并不完全一致，在生產(chǎn)工藝中經(jīng)歷升溫和降溫時(shí)，不同材料受熱膨脹和冷卻收縮的程度均不一樣，從而導(dǎo)致的熱失配應(yīng)力是翹曲產(chǎn)生的主要原因。FOPLP 由于具有面積大而厚度小的特點(diǎn)，使得整個(gè)組件抵抗翹曲的能力較低，過大的工藝翹曲會(huì)嚴(yán)重影響封裝的生產(chǎn)良率以及無法進(jìn)一步減小 RDL 的線寬和線距，因而是 FOPLP 封裝量產(chǎn)和工藝升級(jí)過程中的主要難點(diǎn)。在其他條件固定時(shí)，F(xiàn)OPLP 的面積越大，則翹曲幅度越大。所選用的封裝結(jié)構(gòu)、塑封工藝、溫度載荷的不同，都可能對(duì) FOPLP 的翹曲產(chǎn)生影響。

芯片偏移：在芯片拾取和放置過程中芯片定位精度的不足、在 EMC 壓縮成型過程中芯片受到液體流動(dòng)帶來的拖動(dòng)力和材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱失配應(yīng)力均是造成芯片偏移的主要原因。輕微的芯片偏移會(huì)使后續(xù)光刻步驟中對(duì)準(zhǔn)工藝產(chǎn)生明顯的偏差，對(duì) RDL 的制造是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。RDL 的線寬和線距以及器件焊盤之間的間距均會(huì)因芯片偏移而降低要求，導(dǎo)致封裝尺寸和產(chǎn)能損失也有所增大。

界面分層：工藝過程中使用了較多的聚合物，這些聚合物在常溫或常壓下易吸收空氣中的水分，在經(jīng)過回流焊（220~260 °C）時(shí)，聚合物中的水分在高溫下會(huì)瞬間氣化，使聚合物內(nèi)產(chǎn)生較大的蒸汽壓，同時(shí)受到熱失配應(yīng)力的影響，重構(gòu)晶圓內(nèi)不同的粘接界面易發(fā)生裂紋萌生和分層現(xiàn)象。

芯片擠出：芯片擠出是指模塑料表面到芯片 I/O 面具有一定的臺(tái)階高度。在 RDL 制造中光刻工藝的精細(xì)間距和寬度的嚴(yán)格要求面臨著共面性問題，芯片突出問題將極大地影響 RDL 的斷裂，短路和開路故障。

焊點(diǎn)疲勞失效：焊點(diǎn)的疲勞失效主要包括熱疲勞和力學(xué)疲勞，其中熱疲勞是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要因素，熱疲勞源于器件在服役過程中承受的熱循環(huán)載荷和功率載荷等。 宏觀上表現(xiàn)為熱疲勞損傷導(dǎo)致在遠(yuǎn)離焊點(diǎn)中心區(qū)的釬料與基板過度區(qū)（即高壓力區(qū)）產(chǎn)生初始裂紋，裂紋逐漸沿釬料與基板界面擴(kuò)展至整個(gè)焊點(diǎn)；微觀上表現(xiàn)為熱疲勞斷口表面有疲勞條紋的特征、晶界微孔洞和蠕變沿晶界斷裂的痕跡。焊點(diǎn)的疲勞壽命決定著整個(gè)器件的使用壽命，一個(gè)焊點(diǎn)的失效便可導(dǎo)致整個(gè)器件無法正常工作。

總的來說，從 2009 年 FOWLP 這一概念被提出以來，到現(xiàn)在隨著尺寸超過 600×600 mm 的 FOPLP 的不斷涌現(xiàn)。可以看出，要實(shí)現(xiàn)更高的制造效率，降低晶圓的浪費(fèi)程度，同時(shí)維護(hù)好封裝成本，F(xiàn)OWLP 朝著 FOPLP 的轉(zhuǎn)變是必然的趨勢(shì)。