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晶圆级封装: 热机械失效模式和挑战及整改建议

作者:时间:2017-08-11来源:韦德娱乐官网

  摘要

本文引用地址:/article/201708/362885.htm

  WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging,级封装)的设计意图是降低制造成本,实现引脚数量少且性能出色的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。

  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。


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关键词: 晶圆 芯片

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