WLCSP（Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圓級封裝）的設計意圖是降低芯片制造成本，實現引腳數量少且性能出色的芯片。晶圓級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的特異性，探討最常見的熱機械失效問題，并提出相應的控制方案和改進方法。

晶圓級封裝技術雖然有優勢，但是存在特殊的熱機械失效問題。很多實驗研究發現，鈍化層或底層破裂、濕氣滲透和/或裸片邊緣離層是晶圓級封裝常見的熱機械失效模式。此外，裸片邊緣是一個特別敏感的區域，我們必須給予更多的關注。事實上，扇入型封裝裸片是暴露于空氣中的（裸片周圍沒有模壓復合物覆蓋），容易被化學物質污染或發生破裂現象。所涉及的原因很多，例如晶圓切割工序未經優化，密封環結構缺陷（密封環是指裸片四周的金屬花紋，起到機械和化學防護作用）。此外，由于焊球非常靠近鈍化層，焊球工序與線路后端棧可能會相互影響。

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

1. 前言和背景

晶圓級封裝的設計意圖是降低芯片制造成本，實現引腳數量少且性能出色的芯片。晶圓級封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。雙層電介質、RDL（ReDistribution Layer， 重新布線層）、UBM （可焊接薄層，用于焊球底部金屬化）和焊球都位于標準BEoL棧之上。因此，這些層級擴展了傳統晶片制程（多層沉積薄膜配合光刻工藝）范圍。晶圓級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

這里需要說明的是，為提高晶圓級封裝的可靠性，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］、銅柱晶圓級封裝等等。本文重點討論在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

下一章重點介紹晶圓級封裝特有的熱機械失效現象。