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什么是fanout封装工艺?扇出型封装工艺流程与可靠性

扇出型封装技术在封装市场是较为热门的话题。在扇出型技术中,裸片直接在晶圆上封装。由于扇出型技术并不需要中介层(interposer),因此比2.5D/3D封装器件更廉价。


扇出型技术主要可以分作三种类型:芯片先装/面朝下(chip-first/face-down)、芯片先装/面朝上(chip-first/face-up)和芯片后装(chip-last,有时候也被称为RDL first)。


在chip-first/face-down工艺流程中,晶圆厂首先在晶圆上加工芯片,然后将晶圆移至封装厂进行芯片切割。最后,通过芯片贴装系统,再将芯片放置在临时载板上。


EMC(epoxy mold compound,环氧模塑料)被塑封在芯片和载板上,形成所谓的重构晶圆(reconstituted wafer)。然后,在圆形重构晶圆内形成RDL。


在RDL制造流程中,先在衬底上沉积一层铜种子层,再在该结构上涂布一层光刻胶,然后利用光刻设备将其图案化。最后,电镀系统将铜金属化层沉积其中,形成最终的RDL。


RDL的CD取决于应用。许多扇出型封装不需要先进RDL。在可预见的未来,5-5?m及以上的封装仍将是主流技术。在高端领域,ASE正朝着1-1μm及以下的RDL进军。与此同时,台积电(T*C)也紧跟步伐,目前正在研发0.8μm和0.4μm的扇出型技术。先进扇出型技术终将支持高带宽存储器(high-bandwidth memory,HBM)的封装。


“扇出型方法有很多种。我们可以看到CD越来越小,越来越有挑战性。铜柱的间距也越来越小。”Veeco的光刻系统亚洲业务部门总经理Y.C. Wong说道,“通常,主流的RDL仍在5-5μm及以上。目前我们可以看到也有2-2μm或3-3μm在生产。而现在1-1μm还只是处于研发状态。当5G真正发展起来以及随着存储器带宽需求变高时,以上需求都将被驱动。这也将推动市场对2-2μm和3-3μm及以下的更多需求。”


尽管如此,所有扇出型技术仍然都面临着挑战。“扇出型封装的主要挑战是翘曲(warpage)/晶圆弯曲(wafer bow)问题。此外,芯片放置也会影响晶圆的平整度和芯片应力。所以芯片偏移(die shift)给光刻步骤和对准带来了挑战。”Yole分析师Amandine Pizzagalli说道。


成本也是关键因素之一。具有挑战性CD的封装往往更昂贵。相反,CD要求低的封装则更便宜。在任何情况下,客户对IC封装的价格都是敏感的。他们希望尽可能降低封装成本。因此,他们希望封装厂商降低制造成本。


这个故事还有另外一面。封装客户可能想要一款具有挑战性RDL的扇出型产品。但是该封装技术必须达到一定的需求量才具有研发的可能性。如果封装需求量达不到目标,则很难获得回报。因此,目前来说可能还没有动力驱动更小RDL的封装研究。


扇出型晶圆级封装工艺流程:


晶圆的制备及切割–将晶圆放入划片胶带中,切割成各个单元准备金属载板–清洁载板及清除一切污染物


层压粘合–通过压力来激化粘合膜


重组晶圆–将芯片从晶圆拾取及放置在金属载板上


制模–以制模复合物密封载板


移走载板–从载板上移走已成型的重建芯片


排列及重新布线–在再分布层上(RDL),提供金属化工艺制造I/O接口


晶圆凸块–在I/O外连接口形成凸块


切割成各个单元–将已成型的塑封体切割



扇出型封装“核心”市场,包括电源管理及射频收发器等单芯片应用,一直保持稳定的增长趋势。扇出型封装“高密度”市场,包括处理器、存储器等输入输出数据量更大的应用,市场潜力巨大。


什么是fanout封装工艺?其就是扇出型封装,从技术特点上看,晶圆级封装主要分为扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)两种。传统的WLP封装多采Fan-in型态,应用于引脚数量较少的IC。但伴随IC信号输出引脚数目增加,对焊球间距(Ball Pitch)的要求趋于严格,加上印刷电路板(PCB)构装对于IC封装后尺寸以及信号输出引脚位置的调整需求,扇出型封装方式应运而生。扇出型封装采取拉线出来的方式,可以让多种不同裸晶,做成像WLP工艺一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,从而降低了封装尺寸和成本。

扇出型封装工艺流程与步骤:提供晶圆,晶圆包括多个晶粒,相邻的两个晶粒之间具有第一距离,晶粒包括设置有焊垫的正面;将晶粒转移至第二载体上,在第二载体上,相邻的晶粒之间具有第二距离,第二距离大于第一距离;将晶粒转移至第三载体上,晶粒的焊垫与第三载体连接;去除第二载体;塑封晶粒;去除第三载体,晶粒的焊垫暴露于第一塑封体表面;在第一塑封体暴露晶粒的焊垫的表面设置电路,实现晶粒与外部的电连接;切割,形成独立的封装体。本发明优点是,在切割形成独立的封装体之前,增大晶粒之间的间距,避免切割时,切割工具损坏晶粒,提高封装体的良率,该方法工艺简单且易操作,并能够节约成本,缩短生产周期。


fanout封装工艺,我们先来看一下fanout是什么意思?如果是在有大功率输出元件的器件中,可能是降温风扇的接口。因为这个词拆开是fan out,风扇输出。具体情况具体对待吧。


接下来我再来看扇出型封装工艺,什么是扇出呢?


扇出是一个相对的新来者。几十年来,IC封装都是一个固定的工艺流程。“在传统的封装中,成品的晶圆被切割成单个的芯片,然后被键合和封装,”Lam Research的高级封装副总裁Choon Lee解释说。


封测代工厂一直延续着这种封装方法,但在21世纪初,一种称为晶圆级封装(WLP)的技术横空出世,使得传统封装发生了巨大的变化。Lee在一篇博文中说:“WLP,顾名思义,就是在晶圆上进行封装。因为WLP的边缘没有外部覆盖,因此封装的芯片尺寸很小(与芯片本身差不多大小),这是我们对诸如智能手机等对尺寸敏感的设备的重要考虑。其他的优势包括简化的制造和在切割之前测试芯片功能的能力。”

WLP有两种主要的类型——芯片级封装(CSP)和扇出。CSP有时被称为扇入。“封装类型主要是由最终的应用驱动的,”KLA-Tencor的市场营销高级总监Pieter Vandewalle说。“扇入/扇出WLP主要是由移动应用驱动的,它需要高性能、节能减薄和小尺寸的封装。”


扇入和扇出略有不同。其中一个区别是这两个封装类型如何合并重分配层(RDLs)。RDLs是铜金属连接线,或是将一个部分和另一个部分电导通的轨迹。RDLs是用线宽和间距来测量的,它指的是金属轨迹的宽度和间距。如上所述,低密度的扇出大于8微米的线宽/间距。


在扇入中,RDL轨迹被路由到内部。因此,扇入的输入/输出有限,大约在200个输入/输出和0.6毫米的厚度。


但是在扇出中,RDL轨迹可以被路由到内部和外部,可以使用更多的输入/输出来支持更薄的封装。“在扇出中,你扩展了封装中的可用区域,”日月光的工程高级总监John Hunt说。


Fan Out WLP的英文全称为(Fan-Out Wafer Level Packaging;FOWLP),中文全称为(扇出型晶圆级封装),其采取拉线出来的方式,成本相对便宜;FOWLP可以让多种不同裸晶,做成像WLP制程一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,有助于降低客户成本。此时唯一会影响IC成本的因素则为裸晶大小。
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