晶圆级封装:热机械失效模式和挑战及整改建议

摘要

WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging,晶圆级封装)的设计意图是降低芯片制造成本,实现引脚数量少且性能出色的芯片.晶圆级封装方案是将裸片直接焊接在主板上.本文旨在于介绍这种新封装技术的特异性,探讨最常见的热机械失效问题,并提出相应的控制方案和改进方法.晶圆级封装技术虽然有优势,但是存在特殊的热机械失效问题.很多实验研究发现,钝化层或底层破裂、湿气渗透和/或裸片边缘离层是晶圆级封装常见的热机械失效模式.此外,裸片边缘是一个特别敏感的区域,我们必须给予更多的关注.事实上,扇入型封装裸片是暴露于空气中的(裸片周围没有模压复合物覆盖),容易被化学物质污染或发生破裂现象.所涉及的原因很多,例如晶圆切割工序未经优化,密封环结构缺陷(密封环是指裸片四周的金属花纹,起到机械和化学防护作用).此外,由于焊球非常靠近钝化层,焊球工序与线路后端栈可能会相互影响.本文采用FEM(Finite Element Method,有限元法)方法来分析应力,重点放在扇入型封装上.我们给出了典型的应力区域;另外,为降低机械失效的风险,我们还简要介绍了晶圆级封装的特异性.同时,在描述完机械失效后,我们还对裸片和钝化边缘进行了全面的分析.分析结果显示,钝化边缘产生最大应力,这对沉积策略(直接或锥体沉积方法)和边缘位置提出了要求.此外,研究结果还显示,必须降低残余应力,并提高BEoL(线路后端)的钝化层厚度.