半導體技術的進步正逐漸接近極限，延續摩爾定律的步伐放緩。為了突破傳統封裝技術中I/O引出端數量的限制，扇出型晶圓級封裝采用晶圓重構的方法，利用多層再布線（RDL）等技術，減小了引腳間距，降低了封裝厚度，減少了高頻信号傳輸損失，進一步提高了晶片的內建度。近年來，這種先進封裝技術在消費電子和高性能計算領域迅速發展，并逐漸成為代表性技術。然而，扇出型晶圓級封裝（FOWLP）由于結構精密和工藝複雜，其可靠性問題日益顯著，涉及到晶圓翹曲、凸點開裂、晶片偏移等系列問題。
01
扇出型封裝(FOWLP/FOPLP)
随着先進納米制程已逼近實體極限,在日益增長性能需求與摩爾定律逐漸失效的沖突影響下,Intel、NVIDIA、TSMC、AMD等老牌半導體企業紛紛加大對疊層封裝(PoP)、FOWLP、矽通孔(TSV)等先進封裝領域的投入,要借助先進的封裝技術實作更高性能、更低耗電量、更小體積、信号傳輸速度更快的産品。
作為先進封裝技術的重要成果之一，FOWLP在移動裝置和可穿戴裝置中取得了巨大成功，并開始在高性能計算、自動駕駛和物聯網等領域得到應用。FOWLP具有将多種封裝技術相結合的潛力，可以實作異質內建和3D堆疊，為未來封裝技術的發展奠定基礎。已有多個商用産品采用了FOWLP技術，其中包括FPGA、CPU和DSP等關鍵元器件，這些技術的應用使它們實作更高密度、高性能和高可靠。
傳統封裝技術，如倒裝封裝和引線鍵合，通常采用引線、通孔和錫球等複雜的互連結構來實作信号的互連。然而，這些複雜的互連結構可能會影響晶片信号傳輸的性能。在扇出型封裝中，根據重布線的工序順序，可分為先晶片（Chip first）和後晶片（Chip last）兩種工藝；根據晶片的放置方式，又可分為面朝上（Face up）和面朝下（Face down）兩種工藝。綜合上述分類，封裝廠根據操作的便利性，形成了三種主要的組合工藝，即面朝上的先晶片處理（Chip first-face up）、面朝下的先晶片處理（Chip first-face down）和面朝下的後晶片處理（Chip last-face down）。
在先進晶片處理工藝中，面朝上的晶片處理由于需要利用化學機械抛光（CMP）技術将塑封層減薄，是以成本較高，一般較少被封裝廠采用。相反，面朝下的晶片處理在移除載闆并添加重布線層（RDL）制程時，容易引起翹曲現象，是以需要在工藝操作中采取預防措施。面朝下後晶片處理工藝首先采用RDL技術，這樣可以降低晶片封裝過程中的不合格率，目前在封裝廠中也有較多應用。
在扇出型晶圓級封裝（FOWLP）工藝中，重布線層是關鍵步驟之一。其在晶圓表面通過沉積金屬層和絕緣層形成相應的金屬布線圖案，利用高分子薄膜材料和鋁/銅金屬化布線，将晶片的I/O焊盤重新布局為面陣分布形式，并将其延伸到更寬松的區域以便植錫球。扇出型晶圓級封裝中主要有兩種RDL工藝，分别是：
- 聚合物+電鍍銅+蝕刻
- PECVD+Cu-damascene+CMP
02
可靠性的挑戰與思考
半導體技術的進步正逐漸接近極限，延續摩爾定律的步伐放緩。為了突破傳統封裝技術中I/O引出端數量的限制，扇出型晶圓級封裝采用晶圓重構的方法。這種技術利用多層再布線（RDL）等技術，減小了引腳間距，降低了封裝厚度，減少了高頻信号傳輸損失，進一步提高了晶片的內建度。近年來，這種先進封裝技術在消費電子和高性能計算領域迅速發展，并逐漸成為代表性技術。然而，扇出型晶圓級封裝（FOWLP）由于結構精密和複雜的生産流程，其可靠性問題日益顯著。
随着先進納米制程已逼近實體極限,在日益增長的性能需求與摩爾定律逐漸失效的沖突影響下,Intel、NVIDIA、TSMC、AMD等老牌半導體企業紛紛加大了對疊層封裝(PoP)、FOWLP、矽通孔(TSV)等先進封裝領域的投入,要借助先進的封裝技術實作更高性能、更低耗電量、更小體積、信号傳輸速度更快的産品。
FOWLP中有兩個重要概念：扇出型封裝和晶圓級封裝。傳統的扇入型封裝将I/O接口放在晶片下方，受限于晶片尺寸，I/O數量受限。扇出型封裝利用重布線技術和模塑化合物，在晶片外部提供額外晶片面積，增加了I/O接口數量，滿足了晶片不斷增長的吞吐需求。晶圓級封裝則是先對整個晶圓進行封裝，然後再進行切割，更适合大規模內建電路的批量生産。
随着內建電路封裝技術的進步，封裝結構變得更加複雜，布線密度和I/O接口數量不斷增加。這種複雜性導緻了可靠性問題的增加，尤其是在FOWLP工藝中。FOWLP工藝包括多個步驟，如晶圓重構、塑封和重布線，每一步都對封裝的可靠性産生重要影響。
晶圓重構是将晶圓上分離下來的晶片重新組裝到臨時載體上，形成新的“重構晶圓”，如下圖所示。晶圓重構技術要求較好的定位精度,既需要良好的粘貼強度,也需要易于剝離,否則會導緻晶片偏移。
環氧塑封工藝可保護晶片并擴充其表面積。然而，環氧塑封料在受熱後會液化。不比對熱膨脹系數可能導緻晶圓翹曲和晶片偏移，而注塑時液體流動也可能改變晶粒位置。重布線技術是實作扇出效果的關鍵，該技術首先在晶粒表面覆寫鈍化層和PI層，然後通過金屬濺射和掩膜曝光制造金屬層圖案，使用電鍍法填充金屬層，并在晶粒和塑封料表面交替制作金屬層和聚酰亞胺層，最終形成多層重布線層以重新排布I/O接口。然而，由于金屬和聚酰亞胺的熱膨脹系數不同，若其強度不足重布線層可能在溫度變化時開裂。
FOWLP應用中常見的失效模式包括重布線層分層和焊球開裂。菊花鍊測試鍊路可實時監測和定位FOWLP失效，有助于後續失效封裝結構的分析。溫度循環試驗和沖擊試驗可有效暴露潛在的失效問題。
在發現失效後，可以利用超音波掃描電子顯微鏡(SAM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線光譜儀(EDX)、X射線能譜儀(EDS)等工具和方法對失效點進行定位和分析。超音波掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜儀可準确定位失效位置，掃描電子顯微鏡可提供清晰圖像，幫助了解失效原因。能譜分析可對失效點附近材料的成分進行分析，幫助追溯失效原因，如原材料純度不足、清洗不徹底或生産環境不幹淨等。
溫度循環試驗和沖擊試驗可暴露布線層分層和焊球開裂風險。在溫度循環測試中，重布線層的金屬層和聚酰亞胺層會因不同的熱膨脹系數而産生應力，可能導緻開裂。沖擊和溫度循環也會導緻焊球處的熱應力和機械應力集中，不合理的産品設計或封裝工藝可能導緻焊球開裂。根據JEDEC釋出的标準JESD22-A104，溫度循環試驗的範圍為-40~125℃，循環次數為1000次，沖擊測試的強度為1500g/ms。實際應用中，可靠性環境試驗會根據産品生命周期階段和應用場景進行調整，如航空航天産品可能會加強沖擊測試，汽車電子産品可能會擴大溫度循環範圍或增加高溫存儲實驗等。
03
主要工藝缺陷和失效模式
晶圓翹曲
晶圓翹曲是由于加工過程中熱機械應力的積累而導緻晶圓在宏觀上産生變形。這種變形會影響後續掩膜光刻的工藝精度，并限制再布線層密度的提升。晶圓翹曲會導緻應力在中介層或焊點處集中，可能導緻焊球開裂脫落和中介層分層等問題。晶圓尺寸越大，所受的熱機械應力越強，翹曲現象也越嚴重。随着大尺寸晶片在晶圓級封裝中的應用增多，晶圓翹曲問題已成為制約FOWLP發展的重要挑戰。
由于晶圓表面容易劃傷，行業常采用光學方法來測量其翹曲情況。這些方法主要分為光學幹涉測量和雷射掃描測量兩類。光學幹涉測量包括影子雲紋法、投影雲紋法和泰曼-格林幹涉法，通過光栅幹涉圖像來描述晶圓的曲率。雷射掃描測量則是利用雷射對晶圓進行全面掃描定位，最終通過計算機拟合出晶圓翹曲的情況。
晶圓翹曲主要被認為是環氧塑封料固化引發的體積收縮和與不同材料的熱膨脹系數不比對導緻的。然而，随着研究的深入，尤其是通過分析傳統理論模型和實際結果之間的偏差，近年來發現了更多影響晶圓翹曲的因素。例如，矽的各向異性和環氧塑封料的粘彈性松弛效應也對翹曲産生一定影響。
晶片偏移
晶片偏移指晶片偏離其應有的位置。這種現象可通過高倍顯微鏡觀察到，可能是因晶圓重構精度不足或後續工藝環節産生的應力所緻。引發晶片偏移的應力主要有兩種類型。一種是環氧塑封料在固化成型過程中的流動所産生的流體誘導阻力。另一種是封裝過程中的熱膨脹/收縮、環氧塑封料的固化收縮以及晶圓翹曲所導緻的熱機械應力。晶片邊緣處的晶粒偏移最為嚴重，分析表明熱機械效應和流體誘導阻力造成的應力具有相似的作用機制，即越靠近邊緣，應力越大。晶圓重構過程中，臨時載體黏附力不足是導緻晶片偏移問題的最直接原因。與晶圓翹曲相比，引發晶片偏移的應力類型較少，失效機制更為明确。
焊點開裂
随着FOWLP的I/O接口數量不斷增加，尺寸和焊點密度在不斷提升。随着焊點體積的減小，單個焊點所受應力也越來越大，是以焊點的可靠性問題日益顯著。
重布線層分層
重布線層中最常用的有機材料包括聚酰亞胺(PI)、聚苯并惡唑(PBO)和苯并環丁烯(BCB)，此外還有酚醛樹脂等。盡管PI是目前重布線層中使用最廣泛的材料，但其固化溫度較高，一般超過300℃。即使是經過改良的低溫固化PI，其固化溫度也在200℃以上，是以需要對工藝進行優化設計。重布線層的分層現象通常發生在溫度循環測試之後，由于不同材料層反複經曆熱脹冷縮，導緻材料間界面的疲勞應力而出現裂紋。此外，在沖擊測試中也可能觀察到重布線層分層現象。盡管重布線層分層是扇出型封裝中常見的失效模式，但由于其結構和材料的複雜性，以及個性化的特點，重布線層的仿真難度較高，需要針對不同封裝結構進行單獨分析。
04
工藝改進和可靠性優化設計
通過實驗和仿真，可以快速對工藝進行疊代，優化工藝參數，提升産品的良率。依賴成熟的失效實體模型對封裝結構進行優化是提高産品可靠性的有效途徑。
晶圓在制造技術中經曆了曲率、形狀和方向的劇烈變化，最大翹曲不是在工藝結束時發生，而是在回流環節發生。是以，對于高密度的工藝操作，應該連續監測并有效控制每個工藝步驟的翹曲，而不是僅進行末端監控。
液體流動和熱機械效應是導緻晶片偏移的兩大因素。通過降低塑封工藝速度和模具固化溫度，縮小晶粒間距和晶粒厚度，以及增加環氧塑封料的厚度，可以減少液體流動帶來的阻力，進而減少晶片偏移。另一方面，通過縮小環氧塑封料厚度，使用低熱膨脹系數的臨時載體，增加晶粒的間距和厚度，可以減少熱機械效應引起的晶片偏移。然而，這些措施之間存在沖突，是以需要權衡工藝參數。針對不同的封裝結構，反複進行模組化和試驗，才能使晶片偏移最小化。
重布線層分層的一個主要原因是生産環境的潔淨度不足或者前一工藝環節殘留物清洗不徹底。為了解決這個問題，需要嚴格監控生産環境，及時使用能譜分析技術檢測分層的封裝器件，找出導緻分層的有機化合物并追溯來源，并及時進行整改。此外，在重布線工藝中，選擇熱膨脹系數與金屬層比對度高、分界層粘性大的有機材料也是減少分層的關鍵。
05
結語
FOWLP已經廣泛應用于消費級和工業級半導體制造，并初步在高可靠晶片領域取得成功，成為未來商業競争的關鍵技術。學術界和工業界已建立了大量的FOWLP可靠性實體模型，對其失效機理有了清晰認識，進行了一系列工藝改進和可靠性設計優化。然而，封裝結構複雜度的提升以及多種應力的耦合關系使得僅依靠失效機理研究已難以指導深化工藝和設計改進。通過機器學習和深度學習，建立工藝過程、設計參數與産品良率、可靠性參數之間的數學關系和模型，可能是指導工藝和設計改進、進一步提升産品可靠性的有效途徑，也是未來發展的一個重要方向。