半導體封裝的四個主要作用，包括機械保護、電氣連接、機械連接和散熱。封裝的形狀和尺寸各異，保護和連接脆弱集成電路的方法也各不相同。

　　半導體封裝的分類

　　半導體封裝方法，大致可以分為兩種：傳統封裝和晶圓級（Wafer-Level）封裝。傳統封裝首先將晶圓切割成芯片，然后對芯片進行封裝；而晶圓級封裝則是先在晶圓上進行部分或全部封裝，之后再將其切割成單件。

　　晶圓級封裝方法可進一步細分為四種不同類型：

　　1）晶圓級芯片封裝（WLCSP），可直接在晶圓頂部形成導線和錫球（Solder Balls），無需基板；

　　2）重新分配層（RDL），使用晶圓級工藝重新排列芯片上的焊盤位置1，焊盤與外部采取電氣連接方式；

　　3）倒片（Flip Chip）封裝，在晶圓上形成焊接凸點2進而完成封裝工藝；

　　4）硅通孔（TSV）封裝，通過硅通孔技術，在堆疊芯片內部實現內部連接。

　　晶圓級芯片封裝分為扇入型WLCSP和扇出型WLCSP。 扇入型WLCSP工藝將導線和錫球固定在晶圓頂部，而扇出型WLCSP則將芯片重新排列為模塑3晶圓。這樣做是為了通過晶圓級工藝形成布線層，并將錫球固定在比芯片尺寸更大的封裝上。

　　扇入型 （Fan-In） WLCSP （Wafer Level Chip Scale Package）

　　晶圓級芯片封裝的大多數制造過程都是在晶圓上完成的，是晶圓級封裝的典型代表。然而，從廣義上講，晶圓級封裝還包括在晶圓上完成部分工藝的封裝，例如，使用重新分配層、倒片技術和硅通孔技術的封裝。在扇入型WLCSP和扇出型WLCSP中，“扇”是指芯片尺寸。扇入型WLCSP的封裝布線、絕緣層和錫球直接位于晶圓頂部。與傳統封裝方法相比，扇入型WLCSP既有優點，也有缺點。

　　在扇入型WLCSP中，封裝尺寸與芯片尺寸相同，都可以將尺寸縮至最小。此外，扇入型WLCSP的錫球直接固定在芯片上，無需基板等媒介，電氣傳輸路徑相對較短，因而電氣特性得到改善。而且，扇入型WLCSP無需基板和導線等封裝材料，工藝成本較低。這種封裝工藝在晶圓上一次性完成，因而在裸片（Net Die，晶圓上的芯片）數量多且生產效率高的情況下，可進一步節約成本。

　　扇入型WLCSP的缺點在于，因其采用硅（Si）芯片作為封裝外殼，物理和化學防護性能較弱。正是由于這個原因，這些封裝的熱膨脹系數與其待固定的PCB基板的熱膨脹系數5存在很大差異。受此影響，連接封裝與PCB基板的錫球會承受更大的應力，進而削弱焊點可靠性。

　　存儲器半導體采用新技術推出同一容量的芯片時，芯片尺寸會產生變化，扇入型WLCSP的另一個缺點就無法使用現有基礎設施進行封裝測試。此外，如果封裝錫球的陳列尺寸大于芯片尺寸，封裝將無法滿足錫球的布局要求，也就無法進行封裝。而且，如果晶圓上的芯片數量較少且生產良率較低，則扇入型WLCSP的封裝成本要高于傳統封裝。

　　扇出型WLCSP

　　扇出型WLCSP既保留了扇入型WLCSP的優點，又克服了其缺點。

　　扇入型WLCSP的所有封裝錫球都位于芯片表面，而扇出型WLCSP的封裝錫球可以延伸至芯片以外。在扇入型WLCSP中，晶圓切割要等到封裝工序完成后進行。因此，芯片尺寸必須與封裝尺寸相同，且錫球必須位于芯片尺寸范圍內。在扇出型WLCSP中，芯片先切割再封裝，切割好的芯片排列在載體上，重塑成晶圓。在此過程中，芯片與芯片之間的空間將被填充環氧樹脂模塑料，以形成晶圓。然后，這些晶圓將從載體中取出，進行晶圓級處理，并被切割成扇出型WLCSP單元。

　　除了具備扇入型WLCSP的良好電氣特性外，扇出型WLCSP還克服了扇入型WLCSP的一些缺點。這其中包括：無法使用現有基礎設施進行封裝測試；封裝錫球陳列尺寸大于芯片尺寸導致無法進行封裝；以及因封裝不良芯片導致加工成本增加等問題。得益于上述優勢，扇出型WLCSP在近年來的應用范圍越來越廣泛。

　　WLCSP 封裝流程

　　晶圓片級芯片規模封裝（Wafer Level Chip Scale Packaging，簡稱WLCSP），即晶圓級芯片封裝方式，不同于傳統的芯片封裝方式（先切割再封測，而封裝后至少增加原芯片20%的體積），此種最新技術是先在整片晶圓上進行封裝和測試，然后才切割成一個個的IC顆粒，因此封裝后的體積即等同IC裸晶的原尺寸。

　　本文主要介紹一下WLCSP封裝的大致流程：（一般分為Bumping，CP test，WLCSP三個階段）

　　Bumping階段

　　1. Customer Wafer

　　這是第一道工序，主要是將從晶圓廠收到的wafer經過Pre-Clean + SRD預處理，然后使用O2 Plasma等離子清洗并烘干，目的是去除來料wafer表面的雜質。

　　2. PI coating

　　PI是一層聚合物薄膜層，可以加強芯片的passivation，起到應力緩沖的作用。做法是將預處理后的wafer置于設備吸盤上，wafer正面朝上，在wafer正面噴涂高度光敏感性的光刻膠，設備吸盤高速旋轉，使光刻膠均勻噴涂在整個wafer表面。

　　3.PI Expose

　　PI曝光是在噴涂光刻膠的wafer與光源（紫外光）中間放入掩膜版（mask），再用紫外光透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。光刻膠有正性光刻膠和負性光刻膠兩種。正性光刻膠是掩膜版遮擋的區域進行曝光，而負性光刻膠是對掩膜版未遮擋的區域進行曝光。

　　4.PI Develop

　　PI顯影。與PI Coating原理類似，在wafer正面噴涂顯影液，顯影液與之前曝光區域形成化學反應后，會將曝光區域顯影出來，即形成后續工藝中UBM層所需的一層開口區域。

　　5.PI CURE

　　對已顯影的wafer進行烘烤，目的是蒸發掉剩余的溶劑使光刻膠變硬，提高光刻膠對硅片表面的粘附性。

　　6.Sputter Ti

　　濺射Ti層。Ti層是組成UBM（under ball metal）的第一層。UBM層一般有兩層組成（有些廠家做三層），第一層為Ti，第二層為Cu。Ti具有高強度，耐腐蝕性等特點，能與AL PAD和Passivation連接良好，所以Ti層能為UBM層提供高強度的支撐。Sputter 原理是在真空環境下，電極兩端加上高壓產生直流光輝放電，使加入腔體內的工藝氣體（如Plasma）進行電離，電離后的正離子在電壓的作用下高速轟擊靶材，靶材逸出的原子和分子向wafer表面沉積形成薄膜層，即Ti層。

　　7.Sputter Cu

　　濺射UBM的第二層Cu. 此處的Cu一般只有1um左右，只是為了形成一個鈍化層面，為后續電鍍Cu提供堅實的基礎。SputterCu的原理與Sputter Ti類似。

　　8. PR Coating

　　PR膠是一種負性光刻膠，是一種間接材料，與PI時的正性光刻膠作用相反。它的作用是為了在后續工藝中將不需要電鍍Cu的地方覆蓋，這樣在電鍍Cu時，只在PR膠未覆蓋的地方”長”Cu，即UBM開口區域。

　　9.PR曝光

　　PR膠曝光同PI曝光原理類似，為了形成UBM開口區域，需通過曝光和顯影工序將UBM開口區域多余的化學層去除。

　　10.PR顯影

　　PR膠顯影與PI顯影原理類似，在PR曝光區域，利用顯影液將曝光區域去除，只留出UBM開口區域。

　　11.Plating Cu

　　電鍍Cu層，將剛濺射的Cu電鍍到一定厚度，不僅為置球提供良好的支撐，也為錫球與wafer內部電路層提供良好的導電連接。此時PR膠覆蓋區域就不會”長”Cu，而未覆蓋區域”長”出所需要的Cu層。

　　12.刻蝕（PR， Cu ， Ti ）

　　利用化學品分別刻蝕掉UBM開口四周多余的PR層，Cu層，Ti層。至此，一個完整的UBM開口區域就形成了。

　　13.Ball Mount

　　置球。UBM開口形成后，就需要將球置于UBM開口上。將帶有UBM開口的wafer置于鋼網（Stencil）下面，UBM開口與鋼網開口一一對齊，然后在鋼網上刷上一層助焊劑Flux，最后用刮刀將錫球從鋼網開口”落”在UBM開口區域

　　14.Reflow

　　回流焊。將置好球的wafer放入回流爐中，錫球在助焊劑flux和高溫（大約260°）的作用下慢慢”長大”，并完美的填充UBM開口區域，與wafer形成良好的連接。錫球的作用是建立wafer內部電路與外部電路的”橋梁”。至此，整個Bumping工藝完全結束。

　　CP test階段

　　晶圓測試。將完成回流焊的wafer進行測試，目的是將在bumping工藝中的不良篩選出來，提高后續封裝的良率，監測整個bumping工藝的質量。

　　WLCSP階段

　　1. Backside Grind

　　在wafer正面（球面）貼上一層藍膜，保護錫球，然后在Wafer背面用磨輪磨至wafer指定厚度。

　　2. Wafer Backside Coating

　　在wafer背面刷一層背膠。目的是為了增強wafer的硬度，避免容易造成chipping。然后在一定溫度下進行烘烤。（這一步選做，可做可不做）。

　　3. Marking（絲印）

　　在wafer背面按照產品要求打上Marking，包括公司Logo，生產日期，產品批次等相關信息。

　　4.Wafer Saw

　　Wafer切割。將打好絲印的wafer切割成一粒一粒的芯片。在切割之前，需在wafer背面貼上藍膜，目的是為切割后的單顆芯片提供保護，不會散落。

　　5.Tape & Reel

　　先由頂針將切割后的芯片從藍膜上一顆一顆頂起，然后由吸嘴吸起來，放在編帶中進行卷帶，最后包裝出貨。

　　以上步驟是整個流程的大致步驟，忽略了一些檢驗，ball shear之類的動作。

　　資料來源：

　　1.《［半導體后端工藝： 第三篇］ 了解不同類型的半導體封裝》，作者：skhynix

　　https://news.skhynix.com.cn/semiconductor-back-end-process-episode-3-understanding-the-different-types-of-semiconductor-packages/

　　2. 《WLCSP封裝流程》，作者：簡單qqq

　　https://mbb.eet-china.com/forum/topic/85620_1_1.html

　　編輯：黃飛