WLCSP封装晶圆翘曲成因与控制方法研究

发布时间：2020-04-10 23:37

【摘要】：晶圆级芯片尺寸封装(Wafer Level Chip Scale Package,WLCSP)以其较少的制造环节和较高的生产效率在先进电子封装领域中得到越来越广泛的应用,满足了半导体工业中高效率、低成本、小型化的发展需求。本文以8英寸WLCSP晶圆为研究对象,采用实验和数值模拟的方法对WLCSP产品在塑封工艺和减薄工艺过程中的晶圆翘曲进行研究。采用实验的方法,对晶圆级WLCSP六面包封结构工艺进行研究,主要包括钝化层制作、再布线层制作、焊球制作、晶圆预切割、正面塑封、背面减薄、背面塑封、晶圆终切等工艺步骤。在晶圆封装过程中发现,正面塑封和背面减薄工艺后,晶圆翘曲尤为严重,最大翘曲值分别达到1.2 mm和17.9 mm,背面塑封工艺后对翘曲有一定缓解作用,但并不能有效解决翘曲问题。建立了六面包封的WLCSP有限元模型,仿真得到晶圆翘曲结果与实际工艺后测量结果一致。数值模拟结果表明:随着塑封材料弹性模量和热膨胀系数的增加,晶圆翘曲变形增大。材料中热失配对晶圆翘曲的影响大于弹性模量的影响。在材料选择时,应首先考虑材料的热膨胀系数,选择与基底材料热膨胀系数相近的材料,降低热失配的影响;随着晶圆厚度减小,晶圆的弯曲刚度减小,由热失配引起的晶圆翘曲迅速增加;在工艺允许的范围内,应尽量选择较薄的塑封厚度,降低材料间热失配对晶圆翘曲的影响;背面塑封工艺在一定程度上可以缓解前工艺制程的翘曲,但是过大的背面塑封厚度会引起晶圆的反向翘曲,选择合适的正面和背面塑封厚度可以较好地控制翘曲。根据数值模拟结果,对封装工艺进行了优化,提出并实验验证了晶圆级六面包封的新工艺方案,晶圆最大翘曲值在1 mm之内,晶圆切割成单颗芯片后,通过芯片的高加速寿命测试,晶圆翘曲问题得到有效解决。为晶圆级产品封装工艺设计及生产提供了参考。另外,在晶圆翘曲工艺优化的研究中观测到不同工艺后晶圆出现不同的翘曲形态,采用数值模拟与实验测试的方法研究晶圆翘曲形态的变化,从数值模拟的结果发现,晶圆厚度对晶圆翘曲形态有重要影响,晶圆在减薄前多呈现球形翘曲,当晶圆厚度小于300μm时,晶圆出现圆柱形翘曲,变化规律与实验结果一致。
【图文】：

示意图,示意图,凸点,封装形式

1.1 研究背景及意义晶圆级芯片尺寸封装（WaferLevelChipScalePackaging，WLCSP）是指形成封装体的各个工艺步骤均在未分切的完整晶圆上完成的封装形式，不同于传统的先切割再封装测试的流程，，它在结束前道晶圆制作流程的晶圆上直接完成所有的凸点互连操作[1-3]。因此，其具有封装尺寸小、封测成本低、散热性能好、高密度、高性能等优点，成为制造现代电子产品必不可少的技术之一，广泛应用于电子计算机、信息产业、汽车电子等消费类电子产业[4-6]。图 1-1 是典型的 WLCSP 封装形式，包含诸多特殊的工艺，如经历物理气相沉积、电镀、刻蚀等过程制作再布线层（Re-DistributionLayer，RDL），经历加热固化、烘烤、再降温过程的晶圆塑封工艺，磨削减薄工艺，经历热回流过程的凸点制备和晶圆切割等工艺[7-8]。

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图 1-2 晶圆级封装中的翘曲问题[10]Fig.1-2 Warpage issue in WLCSP[10]WLCSP封装切割成单个芯片后，硅的侧壁及底部与外界直接接触可能造吸潮、分层以及未包封的硅在运输过程中也可能出现的损坏、裂片等可靠性11]。为解决WLCSP封装切割成单个芯片后，由硅暴露带来的可靠性问题，带包封的芯片封装结构—六面包封（Six Side Package，SSP）形式逐渐成图1-3所示，该封装形式为WLCSP封装中硅的侧壁和底部、锡球的侧面提供效的保护，有效阻挡外界物质的侵蚀，起到良好的绝缘作用，提高了芯片的性[12-13]。焊球布线层部塑封层硅基体钝化层芯片焊
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405

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