摘要

晶圓級WLP微球植球機是高端IC封裝的核心設備之一，晶圓上凸點（Bump）的制作是關鍵技術。闡述了WLP封裝工藝流程，對三種晶圓級封裝凸點制作技術進行了對比。分析了WLP微球植球機工作流程，并對其關鍵技術進行了研究，包括X-Y-Z-θ植球平臺、金屬模板印刷和植球。最后在自主研制的半自動晶圓級微球植球機WMB-1100上進行了印刷和植球實驗，通過對設備工藝參數(shù)的調(diào)整，取得了良好的印刷和植球效果。

0 引言

晶圓級封裝（Wafer Lever Package，WLP）是以BGA技術為基礎，將百微米級的焊錫球放置到刻好電路的晶圓上，是一種經(jīng)過改進和提高的CSP。WLP封裝具有較小封裝尺寸與較佳電性表現(xiàn)的優(yōu)勢，目前多應用于輕薄短小的消費性IC的封裝應用。

微球植球機是晶圓級封裝工藝中的必備核心設備之一。在WLP工藝中，晶圓上凸點（Bump）的制作是關鍵的基礎技術，國內(nèi)中電科技24所、華中科技大學、清華大學等單位研究了WLP封裝中電鍍凸點方式；哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學研究了激光植球技術，主要應用于BGA器件修復；合肥工業(yè)大學對BGA基板植球進行了研究。本文針對晶圓凸點制作的金屬模板印刷和植球方式，研究WLP封裝工藝和WLP植球機關鍵技術，并在自主研制的半自動晶圓級微球植球機進行植球實驗，晶圓尺寸12inch，焊錫球直徑250um。晶圓級植球技術和設備的開發(fā)研制為高端芯片封裝裝備國產(chǎn)化提供從技術理論到實踐應用的參考。

1 WLP封裝工藝

晶圓級封裝，是屬于芯片尺寸封裝（CSP）的一種。所謂芯片尺寸封裝是當芯片（Die）封裝完畢后，其所占的面積小于芯片面積的120%。晶圓級封裝與傳統(tǒng)封裝工藝不同，傳統(tǒng)封裝將芯片上壓點和基座上標準壓點連接的集成電路封裝都是在由晶圓上分離出來的芯片上進行的，這種工藝造成了前端晶圓制造工藝與用于生產(chǎn)最終集成電路的后端裝配和封裝的自然分離。晶圓級封裝是在在完成封裝和測試后，才將晶圓按照每一個芯片的大小來進行切割，統(tǒng)一前端和后端工藝以減少工藝步驟，封裝后的體積與IC裸芯片尺寸幾乎相同，能大幅降低封裝后的IC尺寸，是真正意義上的芯片尺寸封裝。一片12inch的晶圓上一般有750～1500個裸片，與單個芯片封裝相比，每個裸片的封裝成本可以降低一個數(shù)量級。晶圓級芯片封裝工藝流程如圖1所示。

2 WLP植球技術

晶圓級封裝采用凸點技術（Bumping）作為其I/O電極，晶圓上形成凸點有三種方式：電鍍方式、印刷錫膏方式和植球方式，三種方式的比較如表1所示。

鑒于電鍍方式和印刷錫膏方式的缺點，業(yè)界一直在尋找替代解決方案，晶圓級植球技術的突破恰好滿足了這一需求，并且隨著多層堆疊技術(MCM)的發(fā)展，要求晶圓與晶圓間具有高精度的多引腳的100um級的互聯(lián)，晶圓級植球技術可以穩(wěn)定地實現(xiàn)。

下面分析晶圓級微球植球機工作過程：

1）上料機械手對晶圓盒（Cassette）中的晶圓進行檢測（Mapping）；

2）將晶圓取出放置到晶圓預對位裝置（Aligner)上進行對位；

3）然后機械手將晶圓放置于X-Y-Z-θ植球平臺上；

4 ）利 用超 精密 金屬 模板 印刷 技術 將助 焊劑（Flux）涂敷在晶圓的焊盤上；

5）利用金屬模板植球技術手動或自動將焊錫球放置于晶圓上；

6）最后將植球后的晶圓收回晶圓盒。

3 WLP植球實驗

本次植球實驗在自主研制的半自動晶圓級微球植球機進行，如圖5所示。實驗晶圓尺寸12inch，焊錫球直徑250um。

3.1 實驗過程

印刷：根據(jù)刮刀長度在金屬模板印刷初始位置涂抹適量助焊劑，調(diào)整刮刀氣缸壓強，設定為0.12MPa。CCD相機對Table上晶圓和金屬模板光學定位點（Mark點）進行對中，然后執(zhí)行印刷，如圖6所示。

植球：植球定位與印刷定位一樣，由于本次實驗的12inch晶圓一次植球量多，為節(jié)省焊錫球，在晶圓上取五塊具有代表性的區(qū)域，使用塑料刮板刮球，使焊錫球通過金屬模板網(wǎng)孔落入對應晶圓上的膠點，如圖7所示。

參數(shù)調(diào)整：在三次元影像測量儀上觀察印刷和植球效果，如圖8所示。然后進行晶圓與金屬模板的X,Y,θ方向的精細調(diào)整，反復對設備的工藝參數(shù)進行調(diào)整，直到得到滿意的印刷和植球效果。

3.2 實驗結果

經(jīng)過多次印刷和植球實驗，對工藝參數(shù)進行調(diào)整，最終設備的印刷和植球效果如圖9、圖10所示，兩圖分別為在三次元影像測量儀上觀察到的晶圓單個裸片Die的印刷膠點和焊錫球圖，誤差在1/2焊錫球球徑范圍內(nèi)。

4 結論

晶圓級封裝植球裝備是高端IC封裝的關鍵設備之一，封裝工藝和關鍵技術的研究對于設備的研制十分必要。大行程、高精度植球平臺是基礎工作單元，完成晶圓的傳送和定位，金屬模板印刷和植球工藝需要長期的技術積累。通過自主研發(fā)的半自動晶圓級微球植球機WMB-1100實驗，取得了良好的植球效果。晶圓級微球植球技術及裝備的研制可以提高我國在高端IC封裝領域的競爭力。

劉勁松 時威 張金志 （1.上海理工大學機械工程學院；2.上海微松工業(yè)自動化有限公司）

審核編輯：湯梓紅