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半导体开放世界

WLCSP

Wafer-Level Chip-Scale Package也称 晶圆级芯片尺寸封装、晶圆级封装、wafer-level CSP、fan-in WLCSP、WLP

在晶圆仍保持整片或重构晶圆形态时完成再布线、钝化、UBM和凸点等主要封装工序,再切割为接近裸片尺寸的器件。

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速览

约 1 分钟

WLCSP的核心不是“封装很小”,而是许多封装加工在切割前以晶圆级并行完成。典型扇入型WLCSP用RDL把芯片原始焊盘重新分配到焊球阵列;端子仍受裸片面积限制,与扇出型晶圆级封装不能混为一谈。

系统理解

约 3 分钟

典型扇入型WLCSP从已经完成晶圆测试的器件晶圆出发,增加聚合物钝化/介质层、开孔、再布线层(RDL)、UBM和晶圆级凸点,随后进行检查、测试、减薄与切割。具体次序随结构而变;带TSV、薄晶圆、载片、整片塑封或芯片到晶圆键合的路线还会加入临时键合、背面研磨、铜显露、底填、去键合等步骤。关键判据是主要封装结构在晶圆级批量形成,而不是把任何先做凸点的裸片都称作WLCSP。

扇入型结构的外部端子必须落在裸片投影范围内,因此I/O数受裸片面积、焊球节距、RDL走线和电源地分配共同限制。裸片越大、PCB与硅的CTE差越大,外侧焊点在温度循环下的位移驱动力通常越高;封装缺少传统基板提供的顺应和扇出空间,也会提高板级可靠性与板弯敏感性。RDL介质开裂、UBM/焊球界面、晶圆翘曲、减薄与切割损伤都是独立控制对象。

“晶圆级”描述加工层级,“芯片尺寸”描述封装尺寸接近裸片,“倒装”描述接合朝向和互连方法。一个WLCSP可以用凸点面朝下装到PCB,但这不使三个术语成为同义词。扇出型WLP通过重构载体把RDL扩展到裸片外,突破扇入面积边界,属于不同结构路线。

位于晶圆测试之后、切割之前完成大部分封装加工,切割后直接进入单颗测试和板级装配;向后连接扇出型晶圆级封装与三维集成。

公式提示

扇入型WLCSP的端子密度可用DIO=NIO/Adie描述;提高密度会同时压缩焊球节距、RDL线宽间距和板级装配裕量,不能脱离设计规则单独追求。

关键参数

关键参数
参数单位含义
RDL线宽/间距μm决定原始焊盘向外部端子的再分配能力
焊球节距mm约束可用I/O密度、装配窗口与板级可靠性
晶圆/重构载体翘曲μm影响光刻焦平面、对准、搬运、凸点与切割
封装与裸片面积比—用于判断芯片尺寸特征;需说明是否为扇入或扇出结构

常见误区

  • 把所有体积很小或无引脚封装都称为WLCSP
  • 把WLCSP与倒装或BGA直接当成同义词
  • 认为在切割前形成凸点就已经完成全部晶圆级封装
  • 认为没有传统封装基板就一定具有更高板级可靠性

工程深入

12 条结论

定义、流程与结构

定义

WLCSP在切割前完成主要封装结构

WLCSP在器件仍处于晶圆或重构晶圆形态时批量形成钝化、RDL、UBM和外部凸点等主要结构,之后再分割成接近裸片尺寸的封装单元。12

成立条件 具体流程可包含减薄、载片或整片塑封;仅在晶圆上做单一步骤不足以自动构成完整WLCSP

机制

RDL把原始芯片焊盘重新分配到外部端子

再布线层在介质和开孔上用金属走线连接原始焊盘与新的UBM位置,使外部焊球形成更规则、较大节距的阵列。12

成立条件 RDL层数和材料取决于I/O、走线和可靠性要求;再分配不能突破扇入型结构的裸片投影边界

机制

钝化、UBM和凸点形成连续端口转换链

钝化层保护器件并定义开口,RDL完成平面再布线,UBM建立可接合界面,晶圆级植球或电镀凸点最终把片上焊盘转换为板级端子。12

成立条件 各层开口与对准误差会累计;材料界面需同时满足附着、阻挡、润湿和温度循环要求

边界

晶圆级描述加工层级而不是单一结构

WLCSP可采用不同RDL层、凸点材料、薄晶圆和载片路线;带TSV的示例还会加入背面铜显露、芯片到晶圆键合和整片塑封,不能用一张流程图代表所有产品。12

成立条件 必须注明扇入、扇出或TSV等结构前提;教材实例用于说明机制而非规定唯一量产流程

密度、尺寸与工艺边界

边界

扇入型端子受裸片面积约束

扇入型WLCSP的RDL和焊球保持在裸片投影范围内,因此I/O数量、球距和可布线面积随裸片尺寸共同受限,小裸片高I/O会快速压缩工艺窗口。12

成立条件 结论针对扇入型WLCSP;扇出型重构封装可把RDL扩展到裸片之外

公式

端子密度连接I/O需求与裸片面积

用外部端子数除以裸片面积可得到扇入型WLCSP的端子面密度;密度提高意味着球距、RDL和PCB装配必须共同收紧。12

DIO = NIO / Adie

DIO
单位裸片面积的外部端子密度,单位 mm⁻²
NIO
外部端子数量
Adie
裸片投影面积,单位 mm²

成立条件 仅用于同类扇入结构的一级比较;不能忽略电源地分配、去球区、RDL层数和板级设计规则

关联

扇出型晶圆级封装突破扇入面积边界

扇出路线先把裸片嵌入重构载体,再把RDL延伸到裸片外,从而获得更大的端子布置和布线面积;这与扇入型WLCSP直接受裸片轮廓限制不同。12

成立条件 重构会引入裸片偏移、模封和翘曲控制;扇出不应被当作扇入型WLCSP的简单同义扩展

薄晶圆、良率与可靠性

机制

临时键合使薄晶圆能够继续加工和搬运

晶圆减薄后刚度下降,可先用黏结材料固定到载片,再完成背面研磨、刻蚀、铜显露、RDL或凸点,最后在受控条件下去键合。12

成立条件 载片、黏结剂和去键合方式需匹配后续温度和化学流程;碎片、残胶和翘曲是必须单独控制的风险

机制

晶圆级并行加工会把局部缺陷传播到批量良率

RDL开路、对准偏差、UBM异常、凸点缺失或晶圆翘曲可同时影响多个裸片,因此WLCSP需要把晶圆测试坐标、过程量测和切割后身份追踪连接起来。12

成立条件 影响范围取决于缺陷的空间分布;晶圆级并行带来的成本优势依赖前序良率和重工能力

边界

尺寸接近裸片不代表板级应力更低

WLCSP缺少传统基板提供的扇出面积和部分机械顺应,硅与PCB的CTE失配、裸片尺寸、板弯和外侧焊球位置会直接影响温度循环与跌落可靠性。12

成立条件 可靠性需结合板厚、焊球、底填和任务剖面评价;更短互连与更小体积不能替代板级认证

关联

晶圆级封装工序先于最终切割

WLCSP在整片状态完成主要再布线、保护和端子形成,再把晶圆转移到切割载体并分割;切割边缘、背面和球面保护会影响成品质量。12

成立条件 具体流程中减薄、测试和去键合次序可调整;切割后仍需单颗检查、测试和包装

关联

WLCSP、倒装和BGA必须按层级组合描述

WLCSP描述封装工序在晶圆级完成,倒装描述凸点面朝下的一级或板级接合,BGA描述封装底部球阵列;一个产品可同时具有其中两种特征,但术语不能互相替代。123

成立条件 识别需查看工艺流程、截面、端子范围和是否存在封装基板;营销名称可能省略关键结构,应以技术资料为准

出处

3 本教材 · 4 处引用
  1. 1

    集成电路三维系统集成与封装工艺

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  2. 2
  3. 3

    芯片制造:半导体工艺制程实用教程(第6版)

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