晶圆级封装: 热机械失效模式和挑战及整改建议

　　摘要

　　WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging，晶圆级封装)的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案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术的特异性，探讨最常见的热机械失效问题，并提出相应的控制方案和改进方法。

　　晶圆级封装技术虽然有优势，但是存在特殊的热机械失效问题。很多实验研究发现，钝化层或底层破裂、湿气渗透和/或裸片边缘离层是晶圆级封装常见的热机械失效模式。此外，裸片边缘是一个特别敏感的区域，我们必须给予更多的关注。事实上，扇入型封装裸片是暴露于空气中的(裸片周围没有模压复合物覆盖)，容易被化学物质污染或发生破裂现象。所涉及的原因很多，例如晶圆切割工序未经优化，密封环结构缺陷(密封环是指裸片四周的金属花纹，起到机械和化学防护作用)。此外，由于焊球非常靠近钝化层，焊球工序与线路后端栈可能会相互影响。

　　本文采用FEM(Finite Element Method，有限元法)方法分析应力，重点放在扇入型封装上。我们给出了典型的应力区域。为降低机械失效的风险，我们还简要介绍了晶圆级封装的特异性。在描述完机械失效后，我们还对裸片和钝化边缘进行了全面的分析。分析结果显示，钝化边缘产生最大应力，这对沉积策略(直接或锥体沉积方法)和边缘位置提出了要求。此外，研究结果还显示，必须降低残余应力，并提高BEoL(线路后端)的钝化层厚度。

　　1. 前言和背景

　　晶圆级封装的设计意图是降低芯片制造成本，实现引脚数量少且性能出色的芯片。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。双层电介质、RDL(ReDistribution Layer, 重新布线层)、UBM (可焊接薄层，用于焊球底部金属化)和焊球都位于标准BEoL栈之上。因此，这些层级扩展了传统晶片制程(多层沉积薄膜配合光刻工艺)范围。晶圆级封装的焊球工艺与倒装片封装非常相似。

　　图1：) [A]扇入型封装(晶圆级封装)和[B]扇出封装(封装大小取决于裸片边缘与装配栈层的间隙)

　　晶圆级封装主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割前完成封装工序，即先封装后切割。因此，裸片封装后与裸片本身的尺寸相同(图2 [A])。扇出型封装是先在人造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，然后按照普通扇入型晶圆级封装后工序，完成最后的封装流程(图2 [B]) [1-2-3-4-5]。

　　图2：扇入和扇出型封装流程

　　这里需要说明的是，为提高晶圆级封装的可靠性，目前存在多种焊球装配工艺，其中包括氮化物层上焊球[6]、聚合物层上焊球[7-8]、铜柱晶圆级封装等等。本文重点讨论在RDL层/聚合物层上用UBM层装配焊球的方法(图3)。

　　图3：采用聚合物方案装配UBM焊球

　　下一章重点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。

　　2. 晶圆级封装集成技术引起的热机械问题

　　本文特别分析了发生在BEoL层远端(Far-BEoL)和BEoL层的热失效问题。焊球疲劳等与裸片封装相关的失效模式不在本文讨论范围，想了解更信息，请查阅相关资料，例如本文后面的文献[9]。我们先用 BEoL层大面积离层实验图解释裸片边缘敏感性问题，然后讨论焊球附近区域是BEoL远端层破裂的关键位置。

　　- 裸片边缘

　　扇入型标准封装裸片是直接暴露于空气中(裸片周围无模压复合物)，人们担心这种封装非常容易受到外部风险的影响。优化晶片切割工艺是降低失效风险的首要措施。为防止破裂在封装工序和/或可靠性测试过程中曼延，必须控制切割工序在裸片边缘产生的裂缝(图4 [A])。此外，这种封装技术的聚合物层末端靠近裸片边缘，因为热膨胀系数(CTE)失匹，这个区域会出现附加的残余应力。

　　为预防这些问题发生，最新技术提出有侧壁的扇入型封装解决方案。具体做法是，采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)，将其完全封闭起来，封装大小不变，只是增加了一个机械保护罩。

　　图4：在BEoL内部的裸片边缘离层;[A]扇入型封装[B]扇出型封装

　　树脂、聚合物层和裸片边缘相互作用，致使扇出型封装的失效风险增加(图4 [B])。

　　在这种情况下，密封环结构是一个有效的压制应力的方法。作为BEoL层的一部分，密封环是围绕在裸片四周的金属图案，具有防护作用，避免化学污染和裂缝曼延，然而这个结构不足以预防所有的失效问题，所以，必须从以下两方面进行优化：

　　- 焊球和钝化层下面

　　晶圆级封装的焊球可以装配在BEoL层上面。钝化层、UBM层和焊球组件具有不同的热膨胀系数，这会在聚合物层上产生应力，在某些极端情况下，甚至还会导致聚合物层破裂，并有可能最终曼延到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，后者则用于预防机械应力。如果钝化层受损，裸片就会受到各种形式的污染，导致电气失效。因此，必须精心设计BEoL远端层(RDL、焊球和聚合物)。RDL层的密度及其布线需要分布均匀。聚合物及其沉积方法的选择对于器件的可靠性也很重要。图5描述了某些典型缺陷。

　　图5：[A]焊球靠近钝化层而引起聚合物层破裂的顶视图[B]在整个栈内出现破裂的BEoL远端层和BEoL层的横截面

　　解决这些问题需要我们深入了解相关结构和专用的优化方法。

　　3. 有限元法数值分析

　　本文重点介绍扇入型封装配置。需要说明地是，某些分析结果同样适用于扇出型封装解决方案(例如，焊球附近结构)。

　　数值模型

　　我们使用Ansys的商用软件进行了有限元法分析。第一步是创建一个3D封装模型，以了解WLP封装的应力分布区域。我们探讨了焊球附近和裸片边缘附件的应力分布情况。出于对称性考虑，只描述封装的四分之一(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模型进一步探讨各层之间的相互作用(图7)。这个栈包括四个顶层共行覆膜的金属层和一个标准的密封环结构。为避免数值错误，所有配置均保持网格不变，并根据结果分析材料性质。

　　图7：有限元法2D模型包括标准密封环和聚合物层末端

　　我们对两个模型都施加了225°C至25°C的热负载，模拟回流焊工序，并做了一个线弹性分析。