文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了晶圓級封裝技術(shù)的概念、優(yōu)劣勢和發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

WLP技術(shù)概述與發(fā)展

圓片級封裝（WLP），也稱為晶圓級封裝，是一種直接在晶圓上完成大部分或全部封裝測試程序，再進(jìn)行切割制成單顆組件的先進(jìn)封裝技術(shù) 。WLP自2000年左右問世以來，已逐漸成為半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域的主流技術(shù)，深刻改變了傳統(tǒng)封裝的流程與模式。

在傳統(tǒng)封裝工藝中，通常先將晶圓分割成單個(gè)裸片，再對裸片進(jìn)行QFP、BGA、CSP等形式的封裝；而WLP實(shí)現(xiàn)了前道IC加工與后道IC組裝在晶圓層面的整合。其基本工藝是在晶圓完成IC加工后，通過特定工藝直接在晶圓上構(gòu)建IC互連接口，完成測試、老化等流程后再進(jìn)行分割，直接產(chǎn)出IC成品。WLP的技術(shù)發(fā)展與晶圓級凸點(diǎn)技術(shù)緊密相關(guān)。自20世紀(jì)60年代起，IBM公司便在倒裝芯片工藝中應(yīng)用晶圓級凸點(diǎn)技術(shù)，WLP正是這一技術(shù)自然演進(jìn)的成果。標(biāo)準(zhǔn)意義上的WLP封裝尺寸與芯片一致，也被稱為晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP），屬于真正意義上的芯片尺寸封裝。隨著技術(shù)需求的提升，為突破WLCSP在I/O數(shù)量上的限制，扇出型晶圓級封裝（FOWLP）應(yīng)運(yùn)而生。FOWLP通過在芯片切割后重新排布、模壓重組晶圓，實(shí)現(xiàn)了面積擴(kuò)展與復(fù)雜的異構(gòu)集成，提升了封裝的集成度，降低了成本，增強(qiáng)了性能。與之對應(yīng)，WLCSP也被稱為扇入型（Fan - in）晶圓級封裝（FIWLP）。

根據(jù)電極轉(zhuǎn)移相關(guān)的方式，圓片級封裝可粗略分為焊區(qū)上凸點(diǎn)（BOP）WLP、電極再分布WLP、包封式WLP和柔性載帶WLP四種，其中電極再分布WLP是目前晶圓級封裝技術(shù)的最主要形式。隨著芯片復(fù)雜性的增加，添加金屬重布線層，或稱為電極再分布層（RDL）變得十分必要，它能夠?qū)⒑盖驈男酒竞副P上轉(zhuǎn)移到合適的凸點(diǎn)位置，以滿足不斷提高的性能需求。

WLP的優(yōu)勢與局限

一、優(yōu)勢

WLP的優(yōu)勢顯著。從尺寸上看，它實(shí)現(xiàn)了封裝面積與芯片面積近乎1:1，相比四邊引腳扁平封裝、板上芯片（COB）封裝等，大幅縮小了在系統(tǒng)電路板上的占用空間，滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品尤其是便攜式設(shè)備對小型化的極致追求。以一個(gè)10mm尺寸的芯片為例，四邊引腳扁平封裝的面積是900mm2，芯片與PWB直接引線鍵合的板上芯片（COB）封裝的面積是225mm2，而WLP的封裝面積和芯片面積相同，僅為100mm2，對于需要減小尺寸或重量的產(chǎn)品而言，采用WLP已經(jīng)將尺寸或重量降到了最小。

在成本方面，WLP與IC加工類似，隨著晶圓尺寸增大和IC尺寸減小，封裝成本降低。它在晶圓劃片前完成封裝和測試，減少了傳統(tǒng)封裝中因晶圓增大需線性增加封裝設(shè)備（如引線鍵合機(jī)、模塑機(jī)、測試儀和取放裝置等）的成本投入；同時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)卷帶式傳送設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)SMT技術(shù)進(jìn)行組裝裝配，進(jìn)一步優(yōu)化了成本結(jié)構(gòu)。并且，在圓片級一次性實(shí)現(xiàn)所有IC的測試和老化，也大大降低了測試和老化成本，這對于大規(guī)模生產(chǎn)來說，成本優(yōu)勢尤為明顯。

在性能上，WLP采用薄膜工藝實(shí)現(xiàn)互連，縮短了引線長度，降低了寄生電阻、電容、電感，顯著提升了電性能。WLP中的芯片尺寸通常較小，約10mm左右，I/O數(shù)從少到中等，一般約100左右，大部分WLP采用面陣列互連，這種互連方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)：一方面，焊料凸點(diǎn)比引線鍵合的引線尺寸小得多，電感和電阻都很小，從而擁有很好的電性能；另一方面，所有I/O焊盤都在芯片的有源面上方，互連區(qū)不超過芯片面積范圍，且面陣列互連的I/O節(jié)距可以達(dá)到最大，可以直接與成本最低的PWB進(jìn)行互連，大大提高了封裝的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

二、局限

不過，WLP也存在一定局限性。當(dāng)IC的I/O數(shù)量較多時(shí)，為保證互連，焊球尺寸和節(jié)距需相應(yīng)減小，這對PWB的制造工藝提出了極高要求，適配的高密度PWB成本昂貴，限制了其在高I/O芯片中的應(yīng)用。例如，目前實(shí)際應(yīng)用中的最小 PWB 節(jié)距已突破 0.5mm，達(dá)到 110μm 級別，若要降低到100μm，就需要在一塊很大的電路板上采用12μm的光刻技術(shù)進(jìn)行加工，這無疑是十分困難且成本高昂的。

此外，WLP需對晶圓上所有IC進(jìn)行封裝，在早期晶圓加工成品率較低時(shí)，會(huì)顯著增加成本；盡管隨著工藝成熟及 AI 檢測技術(shù)（如 X 射線預(yù)篩選、缺陷自動(dòng)識(shí)別）的普及，失效 IC 在封裝前即可被高效剔除，資源浪費(fèi)問題已大幅緩解，但仍是需要持續(xù)優(yōu)化的環(huán)節(jié)。因?yàn)榧词宫F(xiàn)在晶圓加工技術(shù)已經(jīng)有了很大進(jìn)步，仍難以保證晶圓上所有IC都是完好的，對失效IC進(jìn)行封裝會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。

WLP的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來趨勢

目前，WLP已廣泛應(yīng)用于可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、模擬芯片、射頻（RF）、集成無源器件（IPD）以及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域。國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）將其定義為基于晶圓（或晶圓形式）實(shí)現(xiàn)封裝和測試，且封裝后的單個(gè)封裝體可直接用于電路組裝工藝的技術(shù)。其主要封裝形式包括I/O端扇入型、I/O端扇出型、集成無源器件圓片級封裝及各類傳感器的圓片級封裝等。以扇出型圓片級封裝——嵌入式圓片級球柵陣列封裝（embedded Wafer Level Ball Grid Array，eWLB）為例，其典型的封裝結(jié)構(gòu)所涉及的主要封裝材料包括制造再布線層（Redistribution Layer，RDL）中介質(zhì)層的光敏材料、布線金屬層材料和實(shí)現(xiàn)微互連的微細(xì)連接材料及包封保護(hù)材料等。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向更高集成度、更小尺寸、更低功耗方向發(fā)展，WLP 與 2.5D/3D 封裝、Chiplet 技術(shù)深度融合，憑借其在異構(gòu)集成方面的潛力，將成為未來先進(jìn)封裝的重要發(fā)展方向。

同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，WLP在解決現(xiàn)有局限性方面也有望取得突破，從而拓展其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。