文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述扇入型封裝。

扇入技術(shù)屬于單芯片晶圓級或板級封裝形式，常被用于制備晶圓級或面板級芯片尺寸封裝（W/PLCSP，一般簡稱為WLCSP）。從嚴(yán)格的技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)來看，WLCSP并不屬于先進(jìn)封裝范疇，但該封裝形式在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一系列問題，同時也催生出諸多改進(jìn)需求。一方面，WLCSP正面的介電材料容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，特別是14nm以下先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片，通常會使用力學(xué)性能較弱的聚酰亞胺材料，分層風(fēng)險更為突出；另一方面，晶圓機(jī)械切割過程中，容易在芯片背面產(chǎn)生毛刺，同時引發(fā)芯片側(cè)壁開裂；此外，在芯片拾取、放置以及表面貼裝技術(shù)（SMT）等工序中，操作過程容易對芯片造成機(jī)械損傷。隨著汽車電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，諸多新增功能對無釬焊料封裝的可靠性提出了更高要求，例如先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件等應(yīng)用場景，需要封裝能夠承受極端高低溫環(huán)境。在此背景下，成本相對較高的5面/6面全包裹模塑型WLCSP逐漸受到行業(yè)的廣泛關(guān)注。

6面模塑的晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）

圖1為6面模塑WLCSP的截面結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了芯片六個表面（正面、背面以及四個側(cè)壁）的全方位包裹與防護(hù)。封裝內(nèi)部設(shè)有一層再布線層（RDL），由絕緣介質(zhì)層與金屬布線層共同構(gòu)成，整體厚度約為20μm。再布線層的金屬線寬與線間距均為20μm，絕緣層開窗尺寸設(shè)定為50μm。相關(guān)工藝研究中詳細(xì)闡述了6面模塑WLCSP的完整制備流程。

圖2展示了6面模塑WLCSP的外觀與結(jié)構(gòu)特征。芯片側(cè)壁的平均模塑層厚度約為78μm，正面模塑層平均厚度約為53μm，焊球的平均支撐高度約為100μm，芯片本體厚度為390μm。其中，圖2a為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的WLCSP；圖2b為正面帶有模塑保護(hù)層的6面模塑WLCSP；圖2c為經(jīng)過等離子刻蝕處理后，6面模塑WLCSP的焊點(diǎn)形態(tài)。傳統(tǒng)WLCSP的焊球平均高度為148μm（設(shè)計(jì)目標(biāo)高度為150μm），而6面模塑WLCSP的焊球平均高度為103μm（設(shè)計(jì)目標(biāo)高度為100μm）。

WLCSP的可靠性對比：常規(guī)型與6面模塑型

研究人員將6面模塑WLCSP與常規(guī)WLCSP分別完成PCB板組裝后，開展溫度循環(huán)可靠性測試，測試溫度區(qū)間為-55℃~125℃。測試以菊花鏈電阻值上升50%作為失效判定標(biāo)準(zhǔn)，將封裝內(nèi)首個焊點(diǎn)出現(xiàn)失效時所經(jīng)歷的循環(huán)周期，定義為該封裝的失效壽命。

圖3為基于中位秩法繪制的Weibull分布曲線。從曲線可以看出，6面模塑WLCSP的特征壽命達(dá)到1037個循環(huán)周期，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)WLCSP的368個循環(huán)周期。針對千分之九百九十九的樣本而言，6面模塑WLCSP的平均壽命約為常規(guī)WLCSP的2.9倍。兩種封裝的焊點(diǎn)失效位置基本一致，均出現(xiàn)在焊點(diǎn)陣列最外側(cè)靠近芯片拐角的位置。

從圖4能夠清晰發(fā)現(xiàn)，常規(guī)WLCSP與6面模塑WLCSP的焊點(diǎn)失效模式存在顯著差異。常規(guī)WLCSP的失效模式為焊料在芯片/RDL層與焊料本體的界面處發(fā)生斷裂，如圖4a所示；而6面模塑WLCSP的失效模式則為焊料在焊料本體與PCB的界面處發(fā)生斷裂，如圖4b所示。上述失效模式已通過非線性有限元結(jié)構(gòu)仿真得到驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5a、b分別為常規(guī)WLCSP拐角處焊點(diǎn)，在85℃保溫450s與-40℃保溫2250s條件下的累積蠕變應(yīng)變云圖，結(jié)果顯示最大累積蠕變應(yīng)變集中在芯片/RDL層與焊料本體的界面位置。圖5c、d分別為6面模塑WLCSP拐角處焊點(diǎn)，在相同溫度與時間條件下的累積蠕變應(yīng)變云圖，最大累積蠕變應(yīng)變則出現(xiàn)在焊料本體與PCB的界面位置。

焊點(diǎn)失效位置從芯片/RDL與焊料界面轉(zhuǎn)移至焊料與PCB界面，核心原因是6面模塑結(jié)構(gòu)中，焊點(diǎn)頂部的環(huán)氧模塑復(fù)合材料（EMC）為焊點(diǎn)提供了有效機(jī)械防護(hù)。

雖然6面模塑WLCSP與常規(guī)WLCSP在拐角焊點(diǎn)處的最大累積蠕變應(yīng)變數(shù)值相近，但該最大值僅出現(xiàn)在6面模塑WLCSP焊點(diǎn)極小的局部區(qū)域內(nèi)，其焊點(diǎn)大部分體積內(nèi)的累積蠕變應(yīng)變均低于常規(guī)WLCSP。因此，6面模塑WLCSP具備更優(yōu)異的熱疲勞壽命，可靠性顯著提升。