晶圓級封裝的五項基本工藝

晶圓級封裝（Wafer Level Packaging, WLP）是半導體封裝技術中的一種先進方法，它在晶圓切割成單獨的芯片之前進行封裝。這種技術的主要特點是能夠顯著減小封裝尺寸，降低生產成本，并提高生產效率。晶圓級封裝技術包括扇入型晶圓級芯片封裝（Fan-In WLCSP）、扇出型晶圓級芯片封裝（Fan-Out WLCSP）、重新分配層（RDL）封裝、倒片（Flip Chip）封裝以及硅通孔（TSV）封裝等。以下是晶圓級封裝的五項基本工藝的詳細介紹：

1. 光刻（Photolithography）工藝

光刻工藝是晶圓級封裝中至關重要的一步，主要用于在晶圓上繪制電路圖案。該工藝涉及在晶圓上涂覆一層光敏聚合物（光刻膠），然后通過掩模將所需的圖案投射到晶圓表面的光刻膠上。光刻膠在曝光后會硬化，從而形成所需的電路圖案。光刻工藝的步驟包括：

• 涂覆光刻膠：將光刻膠涂覆在晶圓上，常用的方法有旋涂（Spin Coating）、薄膜層壓（Film Lamination）和噴涂（Spray Coating）。

• 前烘（Soft Baking）：去除光刻膠中的溶劑，確保光刻膠保留在晶圓上且維持其原本厚度。

• 曝光：通過掩模將圖案投射到晶圓表面的光刻膠上。

• 顯影（Development）：使用顯影液溶解因光刻工藝而軟化的光刻膠，形成所需的電路圖案。

光刻工藝在晶圓級封裝中的應用主要包括在絕緣層上繪制圖案，進而使用繪制圖案來創建電鍍層，并通過刻蝕擴散層來形成金屬線路。

2. 濺射（Sputtering）工藝

濺射工藝是一種薄膜沉積技術，用于在晶圓表面形成金屬薄膜。這些金屬薄膜在晶圓級封裝中起到多種作用，包括增強晶圓粘合性的黏附層、在電鍍過程中提供電子的載流層，以及具有焊料潤濕性并阻止鍍層和金屬之間形成化合物的擴散阻擋層。濺射工藝的基本步驟包括：

• 真空環境準備：在真空環境中，將靶材（通常是金屬）安裝到濺射設備中。

• 濺射氣體引入：引入濺射氣體（如氬氣），并在高壓電場的作用下產生等離子體。

• 薄膜沉積：等離子體中的離子轟擊靶材，使其原子濺射出來并沉積在晶圓表面，形成均勻的金屬薄膜。

濺射工藝在晶圓級封裝中的應用主要包括形成凸點下金屬層（UBM, Under Bump Metallurgy），該金屬層通常由兩層或三層金屬薄膜組成。

3. 電鍍（Electroplating）工藝

電鍍工藝是晶圓級封裝中形成金屬線路的關鍵步驟。該工藝涉及在晶圓表面涂覆光刻膠，通過光刻工藝繪制圖案，然后利用電鍍形成一層厚的金屬層。電鍍工藝的基本步驟包括：

• 涂覆光刻膠：在晶圓表面涂覆光刻膠，并通過光刻工藝繪制圖案。

• 電鍍：將晶圓浸入電鍍液中，在電流的作用下，金屬離子從電鍍液中還原并在晶圓表面形成金屬層。

• 后處理：包括光刻膠去膠（PR Striping）和金屬刻蝕（Metal Etching）等步驟，以去除多余的光刻膠和金屬層，形成所需的金屬線路。

電鍍工藝在晶圓級封裝中的應用主要包括形成扇入型WLCSP的引線、重新分配層封裝中的焊盤再分布，以及倒片封裝中的凸點。

4. 光刻膠去膠（PR Striping）工藝

光刻膠去膠工藝是晶圓級封裝中去除多余光刻膠的關鍵步驟。該工藝通常在電鍍工藝之后進行，目的是去除晶圓表面的光刻膠，以便后續的金屬刻蝕工藝能夠順利進行。光刻膠去膠工藝的基本步驟包括：

• 去膠液選擇：選擇合適的去膠液，以確保能夠有效溶解光刻膠而不損害晶圓表面的金屬層。

• 去膠液應用：將去膠液應用到晶圓表面，常用的方法有浸泡、噴淋等。

• 去膠液去除：通過清洗等步驟去除晶圓表面的去膠液和溶解的光刻膠。

光刻膠去膠工藝在晶圓級封裝中的應用主要包括去除電鍍工藝后多余的光刻膠，以便后續的金屬刻蝕工藝能夠順利進行。

5. 金屬刻蝕（Metal Etching）工藝

金屬刻蝕工藝是晶圓級封裝中形成金屬線路的最后一道工序。該工藝涉及使用化學刻蝕或等離子體刻蝕等方法，去除晶圓表面多余的金屬層，形成所需的金屬線路。金屬刻蝕工藝的基本步驟包括：

• 掩模制備：在晶圓表面涂覆光刻膠，并通過光刻工藝繪制圖案，形成掩模。

• 刻蝕：使用化學刻蝕或等離子體刻蝕等方法，去除掩模之外的金屬層。

• 后處理：包括清洗等步驟，以去除晶圓表面的殘留物，形成干凈的金屬線路。

金屬刻蝕工藝在晶圓級封裝中的應用主要包括形成扇入型WLCSP的引線、重新分配層封裝中的焊盤再分布，以及倒片封裝中的凸點。

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污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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結論

晶圓級封裝技術是半導體封裝領域的一項重要創新，它通過在晶圓切割前進行封裝，實現了封裝尺寸的顯著減小和生產成本的降低。晶圓級封裝的五項基本工藝——光刻工藝、濺射工藝、電鍍工藝、光刻膠去膠工藝和金屬刻蝕工藝——在晶圓級封裝的制造過程中起著至關重要的作用。這些工藝的精確控制和高效執行，是確保晶圓級封裝產品質量和性能的關鍵。隨著半導體技術的不斷發展，晶圓級封裝技術將繼續在半導體封裝領域發揮重要作用。