晶圓級(jí)封裝: 熱機(jī)械失效模式和挑戰(zhàn)及整改建議

　　摘要

　　WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圓級(jí)封裝)的設(shè)計(jì)意圖是降低芯片制造成本，實(shí)現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級(jí)封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。本文旨在于介紹這種新封裝技術(shù)的特異性，探討最常見(jiàn)的熱機(jī)械失效問(wèn)題，并提出相應(yīng)的控制方案和改進(jìn)方法。

　　晶圓級(jí)封裝技術(shù)雖然有優(yōu)勢(shì)，但是存在特殊的熱機(jī)械失效問(wèn)題。很多實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鈍化層或底層破裂、濕氣滲透和/或裸片邊緣離層是晶圓級(jí)封裝常見(jiàn)的熱機(jī)械失效模式。此外，裸片邊緣是一個(gè)特別敏感的區(qū)域，我們必須給予更多的關(guān)注。事實(shí)上，扇入型封裝裸片是暴露于空氣中的(裸片周?chē)鷽](méi)有模壓復(fù)合物覆蓋)，容易被化學(xué)物質(zhì)污染或發(fā)生破裂現(xiàn)象。所涉及的原因很多，例如晶圓切割工序未經(jīng)優(yōu)化，密封環(huán)結(jié)構(gòu)缺陷(密封環(huán)是指裸片四周的金屬花紋，起到機(jī)械和化學(xué)防護(hù)作用)。此外，由于焊球非?？拷g化層，焊球工序與線路后端?？赡軙?huì)相互影響。

　　本文采用FEM(Finite Element Method，有限元法)方法分析應(yīng)力，重點(diǎn)放在扇入型封裝上。我們給出了典型的應(yīng)力區(qū)域。為降低機(jī)械失效的風(fēng)險(xiǎn)，我們還簡(jiǎn)要介紹了晶圓級(jí)封裝的特異性。在描述完機(jī)械失效后，我們還對(duì)裸片和鈍化邊緣進(jìn)行了全面的分析。分析結(jié)果顯示，鈍化邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力，這對(duì)沉積策略(直接或錐體沉積方法)和邊緣位置提出了要求。此外，研究結(jié)果還顯示，必須降低殘余應(yīng)力，并提高BEoL(線路后端)的鈍化層厚度。

　　1. 前言和背景

　　晶圓級(jí)封裝的設(shè)計(jì)意圖是降低芯片制造成本，實(shí)現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級(jí)封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。雙層電介質(zhì)、RDL(ReDistribution Layer, 重新布線層)、UBM (可焊接薄層，用于焊球底部金屬化)和焊球都位于標(biāo)準(zhǔn)BEoL棧之上。因此，這些層級(jí)擴(kuò)展了傳統(tǒng)晶片制程(多層沉積薄膜配合光刻工藝)范圍。晶圓級(jí)封裝的焊球工藝與倒裝片封裝非常相似。

　　圖1：) [A]扇入型封裝(晶圓級(jí)封裝)和[B]扇出封裝(封裝大小取決于裸片邊緣與裝配棧層的間隙)

　　晶圓級(jí)封裝主要分為扇入型封裝和扇出型封裝(圖1)兩種。扇入型封裝是在晶圓片未切割前完成封裝工序，即先封裝后切割。因此，裸片封裝后與裸片本身的尺寸相同(圖2 [A])。扇出型封裝是先在人造模壓晶圓片上重構(gòu)每顆裸片，“新”晶圓片是加工RDL布線層的基板，然后按照普通扇入型晶圓級(jí)封裝后工序，完成最后的封裝流程(圖2 [B]) [1-2-3-4-5]。

　　圖2：扇入和扇出型封裝流程

　　這里需要說(shuō)明的是，為提高晶圓級(jí)封裝的可靠性，目前存在多種焊球裝配工藝，其中包括氮化物層上焊球[6]、聚合物層上焊球[7-8]、銅柱晶圓級(jí)封裝等等。本文重點(diǎn)討論在RDL層/聚合物層上用UBM層裝配焊球的方法(圖3)。

　　圖3：采用聚合物方案裝配UBM焊球

　　下一章重點(diǎn)介紹晶圓級(jí)封裝特有的熱機(jī)械失效現(xiàn)象。

　　2. 晶圓級(jí)封裝集成技術(shù)引起的熱機(jī)械問(wèn)題

　　本文特別分析了發(fā)生在BEoL層遠(yuǎn)端(Far-BEoL)和BEoL層的熱失效問(wèn)題。焊球疲勞等與裸片封裝相關(guān)的失效模式不在本文討論范圍，想了解更信息，請(qǐng)查閱相關(guān)資料，例如本文后面的文獻(xiàn)[9]。我們先用 BEoL層大面積離層實(shí)驗(yàn)圖解釋裸片邊緣敏感性問(wèn)題，然后討論焊球附近區(qū)域是BEoL遠(yuǎn)端層破裂的關(guān)鍵位置。

　　- 裸片邊緣

　　扇入型標(biāo)準(zhǔn)封裝裸片是直接暴露于空氣中(裸片周?chē)鸁o(wú)模壓復(fù)合物)，人們擔(dān)心這種封裝非常容易受到外部風(fēng)險(xiǎn)的影響。優(yōu)化晶片切割工藝是降低失效風(fēng)險(xiǎn)的首要措施。為防止破裂在封裝工序和/或可靠性測(cè)試過(guò)程中曼延，必須控制切割工序在裸片邊緣產(chǎn)生的裂縫(圖4 [A])。此外，這種封裝技術(shù)的聚合物層末端靠近裸片邊緣，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)(CTE)失匹，這個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)附加的殘余應(yīng)力。

　　為預(yù)防這些問(wèn)題發(fā)生，最新技術(shù)提出有側(cè)壁的扇入型封裝解決方案。具體做法是，采用與扇出型封裝相同的制程，給裸片加一保護(hù)層(幾十微米厚)，將其完全封閉起來(lái)，封裝大小不變，只是增加了一個(gè)機(jī)械保護(hù)罩。

　　圖4：在BEoL內(nèi)部的裸片邊緣離層;[A]扇入型封裝[B]扇出型封裝

　　樹(shù)脂、聚合物層和裸片邊緣相互作用，致使扇出型封裝的失效風(fēng)險(xiǎn)增加(圖4 [B])。

　　在這種情況下，密封環(huán)結(jié)構(gòu)是一個(gè)有效的壓制應(yīng)力的方法。作為BEoL層的一部分，密封環(huán)是圍繞在裸片四周的金屬圖案，具有防護(hù)作用，避免化學(xué)污染和裂縫曼延，然而這個(gè)結(jié)構(gòu)不足以預(yù)防所有的失效問(wèn)題，所以，必須從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化：

　　- 焊球和鈍化層下面

　　晶圓級(jí)封裝的焊球可以裝配在BEoL層上面。鈍化層、UBM層和焊球組件具有不同的熱膨脹系數(shù)，這會(huì)在聚合物層上產(chǎn)生應(yīng)力，在某些極端情況下，甚至還會(huì)導(dǎo)致聚合物層破裂，并有可能最終曼延到BEoL棧。BEoL的最上層是鈍化層，是由氧化物層和氮化物層組成，前者是化學(xué)污染保護(hù)層，后者則用于預(yù)防機(jī)械應(yīng)力。如果鈍化層受損，裸片就會(huì)受到各種形式的污染，導(dǎo)致電氣失效。因此，必須精心設(shè)計(jì)BEoL遠(yuǎn)端層(RDL、焊球和聚合物)。RDL層的密度及其布線需要分布均勻。聚合物及其沉積方法的選擇對(duì)于器件的可靠性也很重要。圖5描述了某些典型缺陷。

　　圖5：[A]焊球靠近鈍化層而引起聚合物層破裂的頂視圖[B]在整個(gè)棧內(nèi)出現(xiàn)破裂的BEoL遠(yuǎn)端層和BEoL層的橫截面

　　解決這些問(wèn)題需要我們深入了解相關(guān)結(jié)構(gòu)和專用的優(yōu)化方法。

　　3. 有限元法數(shù)值分析

　　本文重點(diǎn)介紹扇入型封裝配置。需要說(shuō)明地是，某些分析結(jié)果同樣適用于扇出型封裝解決方案(例如，焊球附近結(jié)構(gòu))。

　　數(shù)值模型

　　我們使用Ansys的商用軟件進(jìn)行了有限元法分析。第一步是創(chuàng)建一個(gè)3D封裝模型，以了解WLP封裝的應(yīng)力分布區(qū)域。我們探討了焊球附近和裸片邊緣附件的應(yīng)力分布情況。出于對(duì)稱性考慮，只描述封裝的四分之一(圖6)。

　　圖6：有限元法3D扇入型封裝模型 [A] 獨(dú)立封裝 [B] 組裝好的封裝

　　第二步是簡(jiǎn)化BEoL層和聚合物層的建模，用一個(gè)20D模型進(jìn)一步探討各層之間的相互作用(圖7)。這個(gè)棧包括四個(gè)頂層共行覆膜的金屬層和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。為避免數(shù)值錯(cuò)誤，所有配置均保持網(wǎng)格不變，并根據(jù)結(jié)果分析材料性質(zhì)。

　　圖7：有限元法2D模型包括標(biāo)準(zhǔn)密封環(huán)和聚合物層末端

　　我們對(duì)兩個(gè)模型都施加了225°C至25°C的熱負(fù)載，模擬回流焊工序，并做了一個(gè)線彈性分析。