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一种新颖的微电子封装：圆片级封装
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A Novel Package for Microelectronics: Wafer Level
Package
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■清华大学微电子所 贾松良 胡涛
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概述
1.基本特征
圆片级封装(Wafer Level Package，WLP)是一种近几年来正在迅速发展的新颖封装，它采用的封装技术完全不同于传统的封装技术，传统的封装过程是半导体器件封装厂将已完成前部工艺的硅圆片先划片成管芯，然后再逐个管芯去进行芯片粘接、引线键合、模塑包封等制成外引出端和包封体，形成独立器件，如图1(a)所示。而圆片级封装的主要特征是：器件的外引出端和包封体（如果有包封体的话，部分WLP没有外包封体）是在已完成前工序的硅圆片上完成，然后将这类圆片直接切割分离成单个独立器件，如图1(b)所示。
2.WLP的主要优点
WLP的加工过程决定了它具有下列优点：
①封装加工效率高。因为WLP是在整个圆片上完成封装的，可一个或几个圆片同时加工。在保证成品率的情况下，圆片的直径越大，加工效率就越高，单个器件的封装成本就越低。如直径为300mm(12英寸)的硅圆片面积是直径为200mm(8英寸)圆片的一倍以上，前者单个管芯的加工成本也就会比后者低很多。
②WLP具有倒装芯片封装(FCP)和芯片尺寸封装(CSP)所具有的优点：轻、薄、短、小。首先WLP是直接由圆片切割分离而成的封装，不可能会有引出端横向伸展出管芯外形之外，因此其封装所占印制板面积Sp一定等于管芯面积(Sd)，故其封装效率Sd/Sp一定等于或接近于1(接近于1是因为有时出于可靠性的考虑，划片槽与管芯有源区的距离要比传统的引线键合-模塑包封用芯片的大)，都会符合Sp/Sd≤1.5的CSP定义。因此圆片级封装也称为圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)，它是CSP中的一种重要形式。
其次，WLP这类一级封装内的互连线不能使用通常的引线键合(WB)，而是直接从管芯焊盘(俗称"压焊块")上制作I/O引出端，不用内互连，或在管芯表面的介质层上制作平面印制线，将管芯上窄节距、密排列的焊盘再分布为封装上面阵列的I/O焊盘。因此，封装I/O引出端通常都在芯片的有源器件面，故WLP在印制线路板(PCB)上都是"面向下倒装焊"的，属于倒装芯片(FC)或倒装芯片封装(FCP)的一种。它与倒装芯片在概念上的差异在于：FC通常都是倒装焊裸芯片，它可以直接作为一种一级封装，如玻璃上倒装芯片(FCOG)或板上倒装芯片(FCOB)；但多数情况下，它还需要BGA或CSP等进行一级封装，在这类封装中，管芯与基板或外壳以倒装焊方式进行互连(相对于引线键合方式)。这时的FC只是一些使用倒装焊互连的管芯，而不是已封装好的、可独立使用的器件。WLP则是一种一级封装，虽然少数可为倒装裸芯片形式，但多数为带再分布层或外包封的。
不过WLP具有FCP和CSP两者的优点：封装外形小，所占PCB面积和芯片大小差不多；封装厚度薄，只有芯片厚度加上焊凸点高度，或再加上单面的薄模塑包封，或单面液体树脂滴封，通常高度为0.4～1.2mm；重量轻；外引出端引线短。使整机的封装密度可以较高，非常适合于目前流行的便携式电子装置的需要，如手提电脑、移动通信设备、数码相机、摄录机等。
③由于WLP从芯片上的I/O焊盘到封装引出端的距离短，因此其引线电感、引线电阻等寄生参数小，而引出端焊盘又都在芯片下方，故WLP的电、热性能较好。
④制作WLP的工艺技术几乎都是"早已有之"的技术，如溅射、光刻、芯片上多层布线、电镀、植球、分割等，只是需要作相应的改进，以适应这类封装的厚胶光刻、厚膜电镀、芯片上引线再分布、窄节距植球等，较少需"创造"新技术。
⑤WLP符合目前表面安装技术(SMT)的潮流。可使用当前标准的SMT进行二级封装，易于被二级封装用户所接受。
由于大量便携式电子装置需求的牵引，微电子技术向纳米级线宽和300mm大圆片发展的推动，WLP又具有上述明显的优点，因此，吸引了世界上许多著名的半导体公司都去研究、开发各自的WLP，使WLP近几年来有了长足的发展，至今已出现了20多种不同的WLP，目前已有约20家公司可以提供WLP的产品。
3．WLP的局限性
①由于WLP的所有外引出端不能扩展到管芯外形之外，而只能分布在管芯有源面一侧的面内，这就决定了这类封装外引出端不可能很多：通常采用焊凸点(或焊球)的I/O数为4～100，而采用金凸点以FC形式直接键合的I/O数可为8～400。
②具体结构形式、封装工艺、支撑设备等都有待优化，所以标准化也较差，影响其更快地推广。
③可靠性数据等的积累尚有限，影响扩大使用。
④如何进一步降低成本，仍是目前大家努力的方向。
WLP的两个基本工艺
由于WLP的品种很多，其工艺流程也不同，但它们的基本工艺流程为图1(b)所示，其中有别于其他封装的两个基本工艺是片上引出端再分布技术和焊点制作(或叫植球)技术。下面对它们作简单介绍。
1.引出端再分布技术
通常芯片上的引出端焊盘(压焊块)是排列在管芯四周的方形Al层，为了使WLP适应于SMT二级封装较宽的焊盘节距，需将这些焊盘重新分布：①将这些焊盘由芯片周边排列再分布为芯片面上阵列式排列，以增大焊盘节距；②将方形Al焊盘改为易于与焊料粘接的圆形Cu焊盘，以便于在这些焊盘上植焊球或焊凸点。由于植焊球的焊盘和芯片上压焊块与封装焊球下的焊盘之间的互连线，即再分布线(RDL)是同时一次制成的，而焊料与Al的粘接性很差，为了使这种焊盘与焊料浸润性好，粘接强度高，在压焊块那一边又与Al粘接性能好，所以需选择多种金属膜来做再分布线和焊料下金属(UBM)。典型的再分布工艺流程如图2所示。
再分布时所用的介质层为光敏BCB(苯并环丁烯)或PI(聚酰亚胺)，所用的UBM和RDL材料为Al/NiV/Cu或Ti/Ni/Cu或TiW/Au。WLP再分布的横截面示意图如图3所示。
2.凸焊点制作技术
WLP中的凸焊点根据不同的使用要求可采用不同的材料和制作工艺。凸焊点材料有Au、AuSn、In、PbSn等，形状有焊球、焊凸点、焊柱、焊盘等。置球工艺主要有：电镀Au和电镀PbSn法、模板印刷PbSn焊膏法、蒸发高铅焊料法。它们所占的市场份额情况如表1所示。其他方法尚有化学镀Ni/Au法、单端金丝球焊金凸点法(Au钉头法)、机械置球法等。由表可知，主要制造焊凸点的方法是电镀法和模板印刷法。由于环境保护的要求，铅将从焊料中逐步取消，而将代之以无铅焊料。
WLP主要应用领域的前景
WLP封装主要应用于移动通信、某些便携式消费类电子产品(如数码相机、手提摄录机、掌上电脑、IC卡等)以及便携式计算机等电子装置中所用的下列元器件的封装：
ROM、闪速存储器、DRAM、LCD驱动器、部分模拟电路、微控制器电路，以及部分RF器件和集成无源元件。
人已将几种不同功能电路(存储器、逻辑电路、模拟电路等)的不同圆片，利用穿透硅圆片的圆片间互连技术，将几个圆片堆叠连接在一起，再分割成叠式封装器件，形成叠式圆片级封装(S-WLP)。
Search International在1998年对WLP的预测，其2000年到2002年每年的增长率分别是700%、64%、48%，即1999～2000年是猛增的一年，后2年将保持在50%～60%的增长率，这相当于CSP的增长速率，而快于BGA的增长速率，是目前世界上增长速率最快的一种封装形式。
在中国WLP尚处于开发阶段，开发WLP的有清华大学微电子所(金凸点和PbSn、无铅凸焊点)、清华大学材料系(PbSn凸点)、中科院微电子中心、电子11所、武汉邮科院等单位，而国外已有专做WLP的加工厂，并有约20个单位已可正式提供WLP封装的产品。
结论
由于便携式通信(手机)装置、消费类电子、计算机等的需求牵引，和微电子技术向大圆片、纳米特征尺寸的发展，使同时具有FC和CSP优点的WLP获得了很快的发展，这类WLCSP目前尚处于初步开发阶段，每年在以(50～60)%的速度高速发展，它将主要用于引出端数少于100的各类存储器电路和其他需轻、薄、短、小封装的半导体器件。
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