摘要
WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圆级封装)的规划目的是下降芯片制作本钱，完结引脚数量少且功能超卓的芯片。晶圆级封装计划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能的特异性，评论最常见的热机械失效问题，并提出相应的操控计划和改善办法。
晶圆级封装技能虽然有优势，可是存在特别的热机械失效问题。许多试验研讨发现，钝化层或底层决裂、湿气浸透和/或裸片边际离层是晶圆级封装常见的热机械失效形式。此外，裸片边际是一个特别灵敏的区域，咱们有必要给予更多的重视。事实上，扇入型封装裸片是露出于空气中的(裸片周围没有模压复合物掩盖)，简单被化学物质污染或发生决裂现象。所触及的原因许多，例如晶圆切开工序未经优化，密封环结构缺点(密封环是指裸片四周的金属斑纹，起到机械和化学防护效果)。此外，由于焊球十分接近钝化层，焊球工序与线路后端栈或许会相互影响。
本文选用FEM(Finite Element Method，有限元法)办法剖析应力，要点放在扇入型封装上。咱们给出了典型的应力区域。为下降机械失效的危险，咱们还扼要介绍了晶圆级封装的特异性。在描绘完机械失效后，咱们还对裸片和钝化边际进行了全面的剖析。剖析成果显现，钝化边际发生最大应力，这对堆积战略(直接或锥体堆积办法)和边际方位提出了要求。此外，研讨成果还显现，有必要下降剩余应力，并进步BEoL(线路后端)的钝化层厚度。
1. 前言和布景
晶圆级封装的规划目的是下降芯片制作本钱，完结引脚数量少且功能超卓的芯片。晶圆级封装计划是直接将裸片直接焊接在主板上。双层电介质、RDL(ReDistribution Layer, 从头布线层)、UBM (可焊接薄层，用于焊球底部金属化)和焊球都坐落规范BEoL栈之上。因而，这些层级扩展了传统晶片制程(多层堆积薄膜合作光刻工艺)规模。晶圆级封装的焊球工艺与倒装片封装十分类似。
图1：) [A]扇入型封装(晶圆级封装)和[B]扇出封装(封装巨细取决于裸片边际与安装栈层的空隙)
晶圆级封装首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开前完结封装工序，即先封装后切开。因而，裸片封装后与裸片自身的尺度相同(图2 [A])。扇出型封装是先在人工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，然后依照一般扇入型晶圆级封装后工序，完结终究的封装流程(图2 [B]) [1-2-3-4-5]。
图2：扇入和扇出型封装流程
这儿需求阐明的是，为进步晶圆级封装的可靠性，现在存在多种焊球安装工艺，其间包含氮化物层上焊球[6]、聚合物层上焊球[7-8]、铜柱晶圆级封装等等。本文要点评论在RDL层/聚合物层上用UBM层安装焊球的办法(图3)。
图3：选用聚合物计划安装UBM焊球
下一章要点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。
2. 晶圆级封装集成技能引起的热机械问题
本文特别剖析了发生在BEoL层远端(Far-BEoL)和BEoL层的热失效问题。焊球疲惫等与裸片封装相关的失效形式不在本文评论规模，想了解更信息，请查阅相关资料，例如本文后边的文献[9]。咱们先用 BEoL层大面积离层试验图解说裸片边际灵敏性问题，然后评论焊球邻近区域是BEoL远端层决裂的要害方位。
- 裸片边际
扇入型规范封装裸片是直接露出于空气中(裸片周围无模压复合物)，人们忧虑这种封装十分简单遭到外部危险的影响。优化晶片切开工艺是下降失效危险的首要办法。为防止决裂在封装工序和/或可靠性测验过程中曼延，有必要操控切开工序在裸片边际发生的裂缝(图4 [A])。此外，这种封装技能的聚合物层结尾接近裸片边际，由于热膨胀系数(CTE)失匹，这个区域会呈现附加的剩余应力。
为防备这些问题发生，最新技能提出有侧壁的扇入型封装处理计划。具体做法是，选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)，将其彻底关闭起来，封装巨细不变，仅仅添加了一个机械保护罩。
图4：在BEoL内部的裸片边际离层;[A]扇入型封装[B]扇出型封装
树脂、聚合物层和裸片边际相互效果，致使扇出型封装的失效危险添加(图4 [B])。
在这种状况下，密封环结构是一个有用的限制应力的办法。作为BEoL层的一部分，密封环是围绕在裸片四周的金属图画，具有防护效果，防止化学污染和裂缝曼延，但是这个结构不足以防备一切的失效问题，所以，有必要从以下两方面进行优化：
- 焊球和钝化层下面
晶圆级封装的焊球能够安装在BEoL层上面。钝化层、UBM层和焊球组件具有不同的热膨胀系数，这会在聚合物层上发生应力，在某些极点状况下，乃至还会导致聚合物层决裂，并有或许终究曼延到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，后者则用于防备机械应力。假如钝化层受损，裸片就会遭到各种形式的污染，导致电气失效。因而，有必要精心规划BEoL远端层(RDL、焊球和聚合物)。RDL层的密度及其布线需求散布均匀。聚合物及其堆积办法的挑选关于器材的可靠性也很重要。图5描绘了某些典型缺点。
图5：[A]焊球接近钝化层而引起聚合物层决裂的顶视图[B]在整个栈内呈现决裂的BEoL远端层和BEoL层的横截面
处理这些问题需求咱们深化了解相关结构和专用的优化办法。
3. 有限元法数值剖析
本文要点介绍扇入型封安装置。需求阐明地是，某些剖析成果相同适用于扇出型封装处理计划(例如，焊球邻近结构)。
数值模型
咱们运用Ansys的商用软件进行了有限元法剖析。第一步是创立一个3D封装模型，以了解WLP封装的应力散布区域。咱们评论了焊球邻近和裸片边际附件的应力散布状况。出于对称性考虑，只描绘封装的四分之一(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模型进一步评论各层之间的相互效果(图7)。这个栈包含四个顶层共行覆膜的金属层和一个规范的密封环结构。为防止数值过错，一切装备均坚持网格不变，并依据成果剖析资料性质。
图7：有限元法2D模型包含规范密封环和聚合物层结尾
咱们对两个模型都施加了225°C至25°C的热负载，模仿回流焊工序，并做了一个线弹性剖析。
