晶圓級封裝 熱機械失效模式和挑戰(zhàn)及整改建議

1、晶圓級封裝:熱機械失效模式和挑戰(zhàn)及整改建議2022/4/23WLCSP（WaferLevelChipScalePackaging，晶圓級封裝）的設(shè)計意圖是降低芯片制造成本，實現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。本文旨在于介紹這種新封裝技術(shù)的特異性，探討最常見的熱機械失效問題，并提出相應(yīng)的控制方案和改進方法。晶圓級封裝技術(shù)雖然有優(yōu)勢，但是存在特殊的熱機械失效問題。很多實驗研究發(fā)現(xiàn)，鈍化層或底層破裂、濕氣滲透和/或裸片邊緣離層是晶圓級封裝常見的熱機械失效模式。此外，裸片邊緣是一個特別敏感的區(qū)域，我們必須給予更多的關(guān)注。事實上，扇入型封裝裸片是暴露于空氣中的（裸

2、片周圍沒有模壓復合物覆蓋），容易被化學物質(zhì)污染或發(fā)生破裂現(xiàn)象。所涉及的原因很多，例如晶圓切割工序未經(jīng)優(yōu)化，密封環(huán)結(jié)構(gòu)缺陷（密封環(huán)是指裸片四周的金屬花紋，起到機械和化學防護作用）。此外，由于焊球非常靠近鈍化層，焊球工序與線路后端?？赡軙嗷ビ绊?。Bsilkonctiipmoldcompoundfan-outregiontuild-upstacksWafer-level本文采用FEM（FiniteElementMethod,有限元法）方法分析應(yīng)力，重點放在扇入型封裝上。我們給出了典型的應(yīng)力區(qū)域。為降低機械失效的風險，我們還簡要介紹了晶圓級封裝的特異性。在描述完機械失效后，我們還對裸片和鈍化邊緣進行

3、了全面的分析。分析結(jié)果顯示，鈍化邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力，這對沉積策略（直接或錐體沉積方法）和邊緣位置提出了要求。此外，研究結(jié)果還顯示，必須降低殘余應(yīng)力，并提高BEoL（線路后端）的鈍化層厚度。前言和背景晶圓級封裝的設(shè)計意圖是降低芯片制造成本，實現(xiàn)引腳數(shù)量少且性能出色的芯片。晶圓級封裝方案是直接將裸片直接焊接在主板上。雙層電介質(zhì)、RDL（ReDistributionLayer,重新布線層）、UBM（可焊接薄層，用于焊球底部金屬化）和焊球都位于標準BEoL棧之上。因此，這些層級擴展了傳統(tǒng)晶片制程（多層沉積薄膜配合光刻工藝）范圍。晶圓級封裝的焊球工藝與倒裝片封裝非常相似。【氏JH-1silkonchipm

4、oldcompoundfan-outregionbuild-upstacksWafer-leuel圖1：）A扇入型封裝（晶圓級封裝）和B扇出封裝（封裝大小取決于裸片邊緣與裝配棧層的間隙）晶圓級封裝主要分為扇入型封裝和扇出型封裝（圖1）兩種。扇入型封裝是在晶圓片未切割前完成封裝工序，即先封裝后切割。因此，裸片封裝后與裸片本身的尺寸相同（圖2A）。扇出型封裝是先在人造模壓晶圓片上重構(gòu)每顆裸片，“新”晶圓片是加工RDL布線層的基板，然后按照普通扇入型晶圓級封裝后工序，完成最后的封裝流程（圖2B）1-2-3-4-5。hDOvWFBoringsrnjg=WcfLBird-BEOlPflKiMaFftif

5、udFan-O-i/rOptiond*owwii6Si卞4j5-：mcwimdef幅怕圖2：扇入和扇出型封裝流程這里需要說明的是，為提高晶圓級封裝的可靠性，目前存在多種焊球裝配工藝，其中包括氮化物層上焊球6、聚合物層上焊球7-8、銅柱晶圓級封裝等等。本文重點討論在RDL層/聚合物層上用UBM層裝配焊球的方法（圖3）。圖3：采用聚合物方案裝配UBM焊球下一章重點介紹晶圓級封裝特有的熱機械失效現(xiàn)象。晶圓級封裝集成技術(shù)引起的熱機械問題本文特別分析了發(fā)生在BEoL層遠端（Far-BEoL）和BEoL層的熱失效問題。焊球疲勞等與裸片封裝相關(guān)的失效模式不在本文討論范圍，想了解更信息，請查閱相關(guān)資料，例如本

6、文后面的文獻9。我們先用BEoL層大面積離層實驗圖解釋裸片邊緣敏感性問題，然后討論焊球附近區(qū)域是BEoL遠端層破裂的關(guān)鍵位置。-裸片邊緣扇入型標準封裝裸片是直接暴露于空氣中（裸片周圍無模壓復合物），人們擔心這種封裝非常容易受到外部風險的影響。優(yōu)化晶片切割工藝是降低失效風險的首要措施。為防止破裂在封裝工序和/或可靠性測試過程中曼延，必須控制切割工序在裸片邊緣產(chǎn)生的裂縫（圖4A）。此外，這種封裝技術(shù)的聚合物層末端靠近裸片邊緣，因為熱膨脹系數(shù)（CTE）失匹，這個區(qū)域會出現(xiàn)附加的殘余應(yīng)力。為預(yù)防這些問題發(fā)生，最新技術(shù)提出有側(cè)壁的扇入型封裝解決方案。具體做法是，采用與扇出型封裝相同的制程，給裸片加一保護

7、層（幾十微米厚），將其完全封閉起來，封裝大小不變，只是增加了一個機械保護罩。BEoLSEoLJU囊含麹層據(jù)汁中心重掏晶片廉片邊隊*-圖4：在BEoL內(nèi)部的裸片邊緣離層；A扇入型封裝B扇出型封裝樹脂、聚合物層和裸片邊緣相互作用，致使扇出型封裝的失效風險增加（圖4B）。在這種情況下，密封環(huán)結(jié)構(gòu)是一個有效的壓制應(yīng)力的方法。作為BEoL層的一部分，密封環(huán)是圍繞在裸片四周的金屬圖案，具有防護作用，避免化學污染和裂縫曼延，然而這個結(jié)構(gòu)不足以預(yù)防所有的失效問題，所以，必須從以下兩方面進行優(yōu)化：-焊球和鈍化層下面晶圓級封裝的焊球可以裝配在BEoL層上面。鈍化層、UBM層和焊球組件具有不同的熱膨脹系數(shù)，這會在聚

8、合物層上產(chǎn)生應(yīng)力，在某些極端情況下，甚至還會導致聚合物層破裂，并有可能最終曼延到BEoL棧。BEoL的最上層是鈍化層，是由氧化物層和氮化物層組成，前者是化學污染保護層，后者則用于預(yù)防機械應(yīng)力。如果鈍化層受損，裸片就會受到各種形式的污染，導致電氣失效。因此，必須精心設(shè)計BEoL遠端層（RDL、焊球和聚合物）。RDL層的密度及其布線需要分布均勻。聚合物及其沉積方法的選擇對于器件的可靠性也很重要。圖5描述了某些典型缺陷。圖5：A焊球靠近鈍化層而引起聚合物層破裂的頂視圖B在整個棧內(nèi)出現(xiàn)破裂的BEoL遠端層和BEoL層的橫截面解決這些問題需要我們深入了解相關(guān)結(jié)構(gòu)和專用的優(yōu)化方法。有限元法數(shù)值分析本文重點

9、介紹扇入型封裝配置。需要說明地是，某些分析結(jié)果同樣適用于扇出型封裝解決方案（例如，焊球附近結(jié)構(gòu)）。數(shù)值模型我們使用Ansys的商用軟件進行了有限元法分析。第一步是創(chuàng)建一個3D封裝模型，以了解WLP封裝的應(yīng)力分布區(qū)域。我們探討了焊球附近和裸片邊緣附件的應(yīng)力分布情況。出于對稱性考慮，只描述封裝的四分之一（圖6）。圖6：有限元法3D扇入型封裝模型A獨立封裝B組裝好的封裝第二步是簡化BEoL層和聚合物層的建模，用一個20D模型進一步探討各層之間的相互作用（圖7）。這個棧包括四個頂層共行覆膜的金屬層和一個標準的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。為避免數(shù)值錯誤，所有配置均保持網(wǎng)格不變，并根據(jù)結(jié)果分析材料性質(zhì)。圖7：有限元法2D

10、模型包括標準密封環(huán)和聚合物層末端我們對兩個模型都施加了225C至25C的熱負載，模擬回流焊工序，并做了一個線彈性分析。概述我們可以考慮獨立封裝（圖6A）和安裝在主板上的封裝（圖6B）兩種封裝工藝。本文主要討論前者，讓讀者初步了解WLCSP封裝的特異性。BEoL層應(yīng)力如圖8所示。在這樣一個配置中，因為焊球和外圍器件的熱膨脹系數(shù)失匹，每個焊接區(qū)都會發(fā)生類似的應(yīng)力問題。此外，在裸片外圍可以看到聚合物層邊緣的影響（見圖8中的箭頭）。因此，我們已開始懷疑聚合物、焊球和裸片邊緣的相互作用。需要指出的是，在這個層面，應(yīng)力的產(chǎn)生唯一原因是本地的熱膨脹失匹，而與封裝尺寸大小無關(guān)。4殘余應(yīng)力ABpB-b(-23%

11、表1.探討過的參數(shù)表AIllF畫ITT-E-ftE-E-M圖12：ASiN厚度的影響B(tài)SiN殘余應(yīng)力的影響應(yīng)力是從聚合物層下面的SiN層提取的（圖12）。測試結(jié)果顯示，SiN越厚，應(yīng)力越小。還應(yīng)記住，如果厚度較大，真層拓撲可能會更平滑，奇點更少，因此可降低失效風險。關(guān)于殘余應(yīng)力影響，根據(jù)最初假定值，最終應(yīng)力被遷移。因此，通過降低殘余應(yīng)力，降低了最終應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)學值。不過，增加厚度方法不能隨意修改，還要記住對其它特性（例如，電氣、可靠性和熱變形）的影響。因此，必須找到一個折衷的辦法，考慮到所有的副作用。4.結(jié)論本文概述了WLCSP晶圓級封裝的特異性，先簡要介紹了扇入和扇出型封裝特異性以及封裝流程；然后，描述了在制程工序和/或可靠性測試期間發(fā)生的不同的熱機械失效。裸片邊緣帶和焊球四周是高度敏感區(qū)域，發(fā)生過很多失效問題。為更深入地了解所涉及的結(jié)構(gòu)，本文采用有限元法分析了WLCSP封裝失效問題。首先，建立一個3D封裝模型，初步了解扇入型封裝的熱機械特性。研究發(fā)現(xiàn)，焊球和聚合物邊緣是影響可靠性的重要位置。然