晶圆级封装 热机械失效模式和挑战及整改建议

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1、晶圆级封装:热机械失效模式和挑战及整改建议2022/4/23WLCSP（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。晶圆级封装方案是直接将裸 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

2、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。Bsilkon ctiipmold compoundfan-out regiontuild-up stacksWafer-level本文采用FEM（Finite Element Method,有限元法）方法分析应力，重点放在扇 入型封装上。我们给出了典型的应力区域。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。在

3、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。1. 前言和背景 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。晶圆级封装方案是直接将裸片直接焊接在主板上。双层电介质、RDL（ReDistribution Layer,重新布线层）、UBM （可焊接薄层，用于焊球底部 金属化）和焊球都位于标准BEoL栈之上。因此，这些层级扩展了传统晶片制程 （多层沉积薄膜配合光刻工艺）范围。晶圆级封装

4、的焊球工艺与倒装片封装非常 相似。【氏JH -1silkon chipmold compoundfan-out regionbuild-up stacksWafer-leu el图1： ） A扇入型封装（晶圆级封装）和B扇出封装（封装大小取决于裸片边缘 与装配栈层的间隙）晶圆级封装主要分为扇入型封装和扇出型封装（图1）两种。扇入型封装是在晶 圆片未切割前完成封装工序，即先封装后切割。因此，裸片封装后与裸片本身 的尺寸相同（图2 A）。扇出型封装是先在人造模压晶圆片上重构每颗裸片， “新”晶圆片是加工RDL布线层的基板，然后按照普通扇入型晶圆级封装后工 序，完成最后的封装流程（图2 B） 1-2

5、-3-4-5。hDOvWF Boringsrnjg = =Wcf LBird-BEOl PflKiMa FftifudFan-O-i/r Optiond*owwii 6 Si卞 4j 5-： mcwi mdef 幅怕图2：扇入和扇出型封装流程 这里需要说明的是，为提高晶圆级封装的可靠性，目前存在多种焊球装配工艺， 其中包括氮化物层上焊球6、聚合物层上焊球7-8、铜柱晶圆级封装等等。 本文重点讨论在RDL层/聚合物层上用UBM层装配焊球的方法（图3）。图3：采用聚合物方案装配UBM焊球下一章重点介绍晶圆级封装特有的热机械失效现象。2. 晶圆级封装集成技术引起的热机械问题本文特别分析了发生在BEo

6、L层远端（Far-BEoL）和BEoL层的热失效问题。焊球疲劳等与裸片封装相关的失效模式不在本文讨论范围，想了解更信息，请查阅 相关资料，例如本文后面的文献9。我们先用BEoL层大面积离层实验图解释 裸片边缘敏感性问题，然后讨论焊球附近区域是BEoL远端层破裂的关键位置。-裸片边缘扇入型标准封装裸片是直接暴露于空气中（裸片周围无模压复合物），人们担心 这种封装非常容易受到外部风险的影响。优化晶片切割工艺是降低失效风险的 首要措施。为防止破裂在封装工序和/或可靠性测试过程中曼延，必须控制切割 工序在裸片边缘产生的裂缝（图4 A）。此外，这种封装技术的聚合物层末端 靠近裸片边缘，因为热膨胀系数（C

7、TE）失匹，这个区域会出现附加的残余应力。为预防这些问题发生，最新技术提出有侧壁的扇入型封装解决方案。具体做法 是，采用与扇出型封装相同的制程，给裸片加一保护层（几十微米厚），将其完 全封闭起来，封装大小不变，只是增加了一个机械保护罩。 BEoLSEoLJU囊含麹层據汁中心重掏晶片廉片边隊*-图4：在BEoL内部的裸片边缘离层；A扇入型封装B扇出型封装树脂、聚合物层和裸片边缘相互作用，致使扇出型封装的失效风险增加（图 4B）。在这种情况下，密封环结构是一个有效的压制应力的方法。作为BEoL层的一部 分，密封环是围绕在裸片四周的金属图案，具有防护作用，避免化学污染和裂 缝曼延，然而这个结构不足以

8、预防所有的失效问题，所以，必须从以下两方面 进行优化：-焊球和钝化层下面晶圆级封装的焊球可以装配在BEoL层上面。钝化层、UBM层和焊球组件具有不 同的热膨胀系数，这会在聚合物层上产生应力，在某些极端情况下，甚至还会 导致聚合物层破裂，并有可能最终曼延到BEoL栈。BEoL的最上层是钝化层， 是由氧化物层和氮化物层组成，前者是化学污染保护层，后者则用于预防机械 应力。如果钝化层受损，裸片就会受到各种形式的污染，导致电气失效。因此， 必须精心设计BEoL远端层（RDL、焊球和聚合物）。RDL层的密度及其布线需要 分布均匀。聚合物及其沉积方法的选择对于器件的可靠性也很重要。图 5 描述 了某些典型

9、缺陷。图5： A焊球靠近钝化层而引起聚合物层破裂的顶视图B在整个栈内出现破 裂的BEoL远端层和BEoL层的横截面 解决这些问题需要我们深入了解相关结构和专用的优化方法。3. 有限元法数值分析本文重点介绍扇入型封装配置。需要说明地是，某些分析结果同样适用于扇出 型封装解决方案（例如，焊球附近结构）。数值模型我们使用Ansys的商用软件进行了有限元法分析。第一步是创建一个3D封装模 型，以了解WLP封装的应力分布区域。我们探讨了焊球附近和裸片边缘附件的 应力分布情况。出于对称性考虑，只描述封装的四分之一（图 6）。图6：有限元法3D扇入型封装模型A独立封装B组装好的封装第二步是简化BEoL层和聚

10、合物层的建模，用一个20D模型进一步探讨各层之间 的相互作用（图7）。这个栈包括四个顶层共行覆膜的金属层和一个标准的密封 环结构。为避免数值错误，所有配置均保持网格不变，并根据结果分析材料性 质。图7：有限元法2D模型包括标准密封环和聚合物层末端我们对两个模型都施加了 225C至25C的热负载，模拟回流焊工序，并做了 一个线弹性分析。概述 我们可以考虑独立封装（图6 A）和安装在主板上的封装（图6 B）两种封装 工艺。本文主要讨论前者，让读者初步了解WLCSP封装的特异性。BEoL层应力如图8所示。在这样一个配置中，因为焊球和外围器件的热膨胀系 数失匹，每个焊接区都会发生类似的应力问题。此外，

11、在裸片外围可以看到聚 合物层边缘的影响（见图8中的箭头）。因此，我们已开始怀疑聚合物、焊球和 裸片边缘的相互作用。需要指出的是，在这个层面，应力的产生唯一原因是本 地的热膨胀失匹，而与封装尺寸大小无关。4 残余应力ABpB-b(-23 %表 1.探讨过的参数表AIllF 畫ITT-E- ftE -E-M图12：ASiN厚度的影响BSiN残余应力的影响应力是从聚合物层下面的SiN层提取的（图12）。测试结果显示，SiN越厚，应 力越小。还应记住，如果厚度较大，真层拓扑可能会更平滑，奇点更少，因此 可降低失效风险。关于残余应力影响，根据最初假定值，最终应力被迁移。因 此，通过降低残余应力，降低了最

12、终应力状态的数学值。不过，增加厚度方法 不能随意修改，还要记住对其它特性（例如，电气、可靠性和热变形）的影响。 因此，必须找到一个折衷的办法，考虑到所有的副作用。4. 结论 本文概述了 WLCSP晶圆级封装的特异性，先简要介绍了扇入和扇出型封装特异 性以及封装流程；然后，描述了在制程工序和/或可靠性测试期间发生的不同的 热机械失效。裸片边缘带和焊球四周是高度敏感区域，发生过很多失效问题。 为更深入地了解所涉及的结构，本文采用有限元法分析了 WLCSP 封装失效问题。首先，建立一个3D封装模型，初步了解扇入型封装的热机械特性。研究发现， 焊球和聚合物边缘是影响可靠性的重要位置。然后，用一个2D模型深入分析聚 合物边缘的影响，优化BEoL层。实验发现，终止在平坦区域的锥体沉积法可降 低在BEoL钝化层发生的应力。最后，我们研究了 SiN厚度及残余应力的影响， 并建议提高SiN层厚度，以降低残余应力。本文能够让读者朋友更好地了解WLCSP封装在机械性能方面的特异性。通过介 绍一组与有限元法结果相关的典型失效，我们概括了主要有效参数和可靠性改 进建议。