半導體后端工藝｜第八篇：探索不同晶圓級封裝的工藝流程

在扇入型晶圓級芯片封裝中，合格晶圓首先將進入封裝生產線。通過濺射工藝在晶圓表面制備一層金屬膜，并在金屬膜上涂覆一層較厚的光刻膠，光刻膠厚度需超過用于封裝的金屬引線。通過光刻工藝在光刻膠上繪制電路圖案，再利用銅電鍍工藝在曝光區域形成金屬引線。隨后去除光刻膠，并利用化學刻蝕（Chemical Etching）工藝去除多余的薄金屬膜，然后在晶圓表面制備絕緣層（Dielectric Layer），并利用光刻工藝去除錫球（Solder Ball）放置區域的絕緣層。因此，絕緣層也被稱為“阻焊層”（Solder Resist），它是晶圓級芯片封裝中的鈍化層（Passivation Layer），即最后的保護層，用于區分錫球放置區域。如沒有鈍化層，采用回流焊（Reflow Soldering）等工藝時，附著在金屬層上的錫球會持續融化，無法保持球狀。

利用光刻工藝在絕緣層上繪制電路圖案后，再通過植球工藝使錫球附著于絕緣層。植球安裝完成后，封裝流程也隨之結束。對封裝完成的整片晶圓進行切割后，即可獲得多個獨立的扇入型晶圓級芯片封裝體。

在植球過程中，需要將錫球附著到晶圓級芯片封裝體上。傳統封裝工藝與晶圓級封裝工藝的關鍵區別在于，前者將錫球放置在基板上，而后者將錫球放置在晶圓頂部。因此，除了用于涂敷助焊劑和植球的模板需在尺寸上與晶圓保持一致之外，助焊劑涂敷、植球工藝、回流焊工藝都遵循相同步驟。

此外，回流焊設備采用基于發熱板的回流焊方式，如圖1所示，而不是涉及運送器的對流熱風回流焊方式（Convection Reflow）。晶圓級回流焊設備在不同的加工階段會對晶圓施加不同溫度，以便保持回流焊操作所需溫度條件，確保封裝工藝流程能夠順利進行。

倒片封裝體中凸點（Bump）是基于晶圓級工藝而完成的，而后續工序則與傳統封裝工藝相同。

由于要確保凸點擁有足夠的高度，因此需選用能在晶圓上厚涂的光刻膠。銅柱凸塊（CPB）¹需要先后經歷銅電鍍和焊料電鍍兩道工序后形成，所使用的焊料通常為不含鉛的錫銀合金。電鍍完成后，光刻膠隨即被去除，并采用金屬刻蝕工藝去除濺射而成的凸點下金屬層（UBM）²，隨后通過晶圓級回流焊設備將這些凸點制成球形。這里采用的焊接凸點回流焊工藝可以最大限度減少各凸點的高度差，降低焊接凸點表面的粗糙度，同時去除焊料中自帶的氧化物，進而保障在倒片鍵合過程中增加鍵合強度。

¹銅柱凸塊（CPB）：用于倒片鍵合的凸點結構，旨在減少凸點間距。銅作為材料，被用于制作銅柱來承上方凸點。

²凸點下金屬層（UBM）：在倒片凸點下方形成的金屬層。

利用重新分配層封裝工藝，在晶圓原本焊盤上形成新焊盤，以承載額外的金屬引線，此種工藝主要用于芯片堆疊。因此，如圖4所示，重新分配層工序之后的封裝工序遵循傳統封裝工序。在芯片堆疊過程中，每個單獨芯片都需重復進行芯片貼裝和引線鍵合這兩道工序。

在重新分配層工藝中，首先通過濺射工藝創建一層金屬薄膜，之后在金屬薄膜上涂覆厚層光刻膠。隨后利用光刻工藝繪制電路圖案，在電路圖案的曝光區域電鍍金層，以形成金屬引線。由于重新分配工藝本身就是重建焊盤的工藝，因此確保引線鍵合強度是十分重要的。這也正是被廣泛用于引線鍵合的材料---金，被用于電鍍的原因。

在扇出型晶圓級芯片封裝工藝中，首先需要在等同于晶圓形狀的載片上貼附一層薄膜。切割晶圓后，再按照一定間距將優質芯片貼在薄膜上，接下來對芯片間隔區域進行模塑，以形成新形狀。晶圓模塑完成后，載片和薄膜將被移除。隨后在新形成的晶圓上，利用晶圓設備創建金屬導線，并附著錫球以便封裝。最后，將晶圓切割成多個獨立封裝體。

制作扇出型晶圓級芯片封裝體時，晶圓模塑是一項重要工序。對于扇出型晶圓級芯片封裝件而言，晶圓塑膜需先在芯片上貼附同樣形狀的晶圓載片，而后將其放置到模塑框架中。將液狀、粉狀或顆粒狀的環氧樹脂模塑料（EMC）³加入到模塑框架內，對其進行加壓和加熱處理來塑膜成型。晶圓模塑不僅是扇出型晶圓級芯片封裝工藝的重要工序，對于利用硅通孔（TSV）工藝制作已知良好堆疊芯片（KGSD）⁴也是無可或缺的工序。本篇文章的后續內容，將對此展開更詳細的探討。

³環氧樹脂模塑料（EMC）：一種基于環氧樹脂或熱固性聚合物的散熱材料。這種材料可用于密封半導體芯片，以避免芯片受到外部環境因素影響，如高溫、潮濕、震動等。

⁴已知良好堆疊芯片（KGSD）：經過測試確認質量良好的由堆疊芯片組成的產品，最好的例子就是 HBM。

圖6展示了采用中通孔（Via-middle）⁵方法的硅通孔封裝工藝步驟。首先在晶圓制造過程中形成通孔。隨后在封裝過程中，于晶圓正面形成焊接凸點。之后將晶圓貼附在晶圓載片上并進行背面研磨，在晶圓背面形成凸點后，將晶圓切割成獨立芯片單元，并進行堆疊。

接下來，將簡單概括中通孔的基本工序。首先在前道工序（Front-end of Line）中，在晶圓上制作晶體管，如互補金屬氧化物半導體等。隨后使用硬掩模（Hard Mask）⁶在硅通孔形成區域繪制電路圖案。之后利用干刻蝕（Dry Etching）工藝去除未覆蓋硬掩膜的區域，形成深槽。再利用化學氣相沉積工藝（Chemical Vapor Deposition）制備絕緣膜，如氧化物等。這層絕緣膜將用于隔絕填入槽中的銅等金屬物質，防止硅片被金屬物質污染。此外絕緣層上還將制備一層金屬薄層作為屏障。

此金屬薄層將被用于電鍍銅層。電鍍完成后，采用化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing）技術使晶圓表面保持平滑，同時清除其表面銅基材，確保銅基材只留在溝槽中。然后通過后道工序（Back-end of Line）完成晶圓制造。

⁵中通孔（Via Middle）：一種硅通孔工藝方法，在互補金屬氧化物半導體形成后及金屬層形成之前開展的工序。

⁶硬掩膜（Hard Mask）：一種由硬質材料而非軟質材料制成的薄膜，用于繪制更為精細的電路圖案。硬掩膜本身對光線并不敏感，所以需使用光刻膠才能進一步繪制電路圖案，以最終實施刻蝕工藝。

使用硅通孔技術制造芯片堆疊封裝體時，一般可采用兩種類型的封裝方法。第一種方法是利用3D芯片堆疊技術的基板封裝。第二種方法則需創建KGSD，然后基于KGSD來制作2.5D或3D封裝。下文將詳細介紹如何創建KGSD，以及如何基于KGSD來制作2.5D封裝的過程。

作為利用硅通孔技術制作而成的芯片堆疊封裝體，制作KGSD必需經歷額外封裝工藝，如2.5D封裝、3D封裝以及扇出型晶圓級芯片封裝等，高帶寬存儲器（HBM）就是KGSD產品的一個典型例子。由于KGSD需經歷額外封裝工藝，其作為連接引腳的焊接凸點需要比傳統錫球更加精細。因此3D封裝體中芯片堆疊在基板上，而KGSD中的芯片則堆疊于晶圓上方，晶圓也可以視為KGSD的最底層芯片。就HBM而言，位于最底層的芯片被稱為基礎芯片或基礎晶圓，而位于其上方的芯片則被稱為核心芯片。

此方法工序如下：首先，通過倒片工藝在基礎晶圓和核心晶圓的正面制作凸點。在制作2.5D封裝體時，基底晶圓需要排列凸點，使之能夠附著到中介層（Interposer）；相反，核心晶圓上的凸點布局則是有助于晶圓正面的芯片堆疊。在晶圓正面形成凸點后，應減薄晶圓，同時也需在晶圓背面形成凸點。然而，正如前文在介紹背面研磨工藝時所述，需注意在減薄過程中導致晶圓彎曲。在傳統封裝工藝中，進行減薄之前，可將晶圓貼附到貼片環架上，以防止晶圓彎曲，但在硅通孔封裝工藝中，由于凸點形成于晶圓背面，所以這種保護方法并不適用。為解決此問題，晶圓承載系統（Wafer Support System）應運而生。利用晶圓承載系統，可借助臨時粘合劑將帶有凸點的晶圓正面貼附于晶圓載片上，同時對晶圓背面進行減薄處理。此時晶圓貼附于晶圓載片上，即使經過減薄也不會發生彎曲。

此外，因晶圓載片與晶圓形式相同，因此也可使用晶圓設備對其進行加工。基于此原理，可在核心晶圓的背面制作凸點，當核心晶圓正面及背面上的凸點均制作完成時，便可對載片進行脫粘。隨后將晶圓貼附于貼片環架中，并參照傳統封裝工藝，對晶圓進行切割。基礎晶圓始終貼附于晶圓載片上，從核心晶圓上切割下來的芯片則堆疊于基礎晶圓之上。芯片堆疊完成后，再對基礎晶圓進行模塑，而后進行晶圓載片脫粘。至此，基礎晶圓就變成了堆疊有核心晶圓的模制晶圓。隨后對晶圓進行研磨，使其厚度達到制作2.5D封裝體所需標準，然后再將其切割成獨立的芯片單元，以制作KGSD。HBM成品包裝后將運送至制作2.5D封裝體的客戶手中。

晶圓承載系統是指針對晶圓背面減薄進行進一步加工的系統，該工藝一般在背面研磨前使用。晶圓承載系統工序涉及兩個步驟：首先是載片鍵合，需將被用于硅通孔封裝的晶圓貼附于載片上；其次是載片脫粘，即在如晶圓背面凸點制作等流程完工后，將載片分離。

圖7展示了晶圓承載系統的工藝步驟。首先在晶圓表面涂覆臨時粘合劑，使其貼附于載片上；待晶圓背面的加工工序完成后，即可對載片進行脫粘，并去除殘留粘合劑，以確保晶圓表面清潔。

進行載片鍵合時，需要注意幾個因素：首先，載片鍵合后的晶圓整體厚度應均勻一致；其次，鍵合面不應存在空隙，兩片晶圓對齊應準確無誤；此外還應確保晶圓邊緣不受到粘合劑污染，且在處理過程中應盡量避免晶圓發生彎曲。在載片脫粘過程中，還應注意：避免晶圓脫離載片后發生損壞，如邊緣剝落（Chipping）⁷或出現裂紋等；避免粘合劑殘留；避免凸點變形。

在基于晶圓承載系統的封裝工藝中，載片脫粘是一個相對復雜且重要的工序。因此，業界已經提出并研發多種脫粘方法，并針對每一種脫粘方法開發出相應的臨時粘合劑。典型的脫粘方法包括熱技術、激光燒蝕（Laser Ablation）后剝離、化學溶解、機器剝離后化學清洗等。

⁷邊緣剝落（Chipping）：芯片或晶圓邊角損壞。

如圖8上半部分紅圈內區域所示，將采用硅通孔工藝封裝的晶圓鍵合到晶圓載片上，經過背面研磨后，其邊緣會變得較為尖銳。此種狀態下，晶圓后續還將經歷光刻、金屬薄膜制備、電鍍以在背面制作凸點等工序，這些工序會增加晶圓邊緣剝落的風險。邊緣裂紋可能會延伸至晶圓內部，進而導致后續工序無法進行，最終造成嚴重的良品損失。為避免此問題，對于采用硅通孔工藝封裝的晶圓，在其進行載片鍵合前，應先對晶圓正面邊緣進行切筋并去除修剪部分。如圖8下半部分區域所示，將切筋后的晶圓貼附于晶圓載片并對其進行背面研磨時，鋒利而凸起的邊緣已消失。因此，在后續工序中，晶圓邊緣剝落的風險也被消除。在切筋過程中，旋轉的晶圓切割刀片穿過晶圓邊緣，將指定的邊緣區域切除。

硅通孔封裝工藝中，在晶圓正面和背面形成的凸點均用于鍵合，以便堆疊。同樣地，在倒片鍵合時，批量回流焊（Mass Reflow）工藝⁸和熱壓縮（Thermocompression）工藝⁹也用于鍵合。根據堆疊方式的不同，堆疊工藝可分為芯片與芯片（Chip-to-Chip）堆疊、芯片與晶圓（Chip-to-Wafer）堆疊、晶圓與晶圓（Wafer-to-Wafer）堆疊。

使用硅通孔工藝堆疊芯片時，需使用微型凸點。因此，凸點之間的間距很小，堆疊芯片之間的間距也很小，這就是以可靠性著稱的熱壓縮工藝因被廣泛使用的原因。然而，熱壓縮工藝也存在缺點，那就是耗時長，生產率底，因為在鍵合過程中必然會耗時去加熱加壓。因此熱壓縮工藝逐漸被批量回流焊工藝取代的趨勢日益明顯。

⁸批量回流焊工藝（Mass Reflow）：將多個器件按陳列連接到基板上，然后在烤箱等中一起加熱，以熔化焊料使之形成互聯的工藝。因一次性處理多個器件，所以在這個術語中使用了“批量”這一詞。

⁹熱壓縮工藝（Thermocompression）：對物體進行加熱和加壓處理，使其進行鍵合的一種工藝。

在此系列最近兩篇文章對傳統封裝工藝和晶圓級封裝工藝進行探索后，本系列下一篇文章將深入探究構成這些封裝體的各種組件原材料。值得關注的是，下篇文章還將介紹這些小型材料的獨有特性，并分析它們對半導體產品性能的影響。

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