IC封装知识：晶元级封装技术

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传统集成电路封装技术通过金属引线键合实现芯片与外部电气连接。然而，随着芯片特征尺寸缩小与集成度提升，引线键合技术受限于高密度、细间距I/O芯片的电气连接问题。晶元级封装技术，利用薄膜再分布工艺，使I/O分布于芯片表面，解决传统技术局限，成为封装技术革命性突破的标志。这项技术在移动电话等便携式产品中的应用，如EPROM、IPD、模拟芯片等，推动了晶元级封装技术的快速发展与广泛应用。技术研究与开发持续进行，以提升适用性与扩大应用范围。

晶元级封装技术，特别是WLP（Wafer Level Packaging），最初由移动电话领域低速I/O器件带动，如无源片上感应器和功率传输IC。蓝牙、GPS元器件以及声卡等应用推动WLP需求增长。随着3G手机的生产，手机内容全新应用将成为WLP成长的动力，包括电视调谐器、调频发射器和堆栈存储器。存储器件制造商的逐步实施WLP，引领整个行业的模式变迁。

晶元级封装技术广泛应用于闪速存储器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驱动器、射频器件、逻辑器件、电源/电池管理器件和模拟器件（稳压器、温度传感器、控制器、运算放大器、功率放大器）。主要采用薄膜再分布技术与凸点形成两大基础技术。再分布工艺通过将I/O焊盘转换为焊球阵列，实现器件表面布局的重新布置。薄膜再分布WL-CSP是最常用的工艺，成本较低，适合大批量、便携式产品的板级应用可靠性标准要求。晶元级微凸点制作技术，基于倒装芯片互连方式，以提高连接的可靠性与性能。电镀制作微凸点，实现窄凸点节距与高产率，广泛应用于晶圆凸点制作。

晶元级封装技术采用批量生产工艺制造，可以将封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降，并且封装与芯片制造融为一体，改变传统分离的局面。这项技术的出现与应用，受到极大关注并迅速发展。技术研究与开发聚焦于提高适用性、扩大应用范围与降低成本。

在晶元级封装技术中，凸点下金属化层（UBM）是关键界面层，为芯片电路与焊料凸点提供高可靠的电学和机械连接。UBM层需要与金属焊盘和晶圆钝化层具有良好的粘结性，保护金属焊盘，保持低接触电阻，并作为有效的扩散阻挡层和种子层。技术实现包括蒸发、化学镀和溅射沉积等方法，以及电镀和蒸镀工艺制作焊料或金凸点。

晶圆级工艺技术，如微小间距晶圆凸点、引线焊盘重分布和集成无源元件等，为许多应用提供了方便的解决方案。利用这些技术，可以在晶圆级实现器件封装与测试，再进行切割。高级封装技术涉及厚膜工艺，如厚胶旋涂、均匀曝光以及非常陡峭的厚胶侧壁等。等倍式全场曝光系统满足这种需求，产量高、自对准成本低，在厚膜光刻领域成为最具竞争力的系统。

晶圆级封装工艺包括金属化、光刻、电介质淀积、厚膜光刻胶旋涂、焊料淀积与回流焊接。图形化工艺涉及多层金属制作用于凸点基础的UBM层。光刻胶图形化工艺流程包括清洗、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影与坚膜等步骤。电镀或蒸镀方法填充焊料或金，去除光刻胶后进行回流工艺，将柱状凸点转换为球形凸点。厚膜光刻胶涂层作为制造金属焊点微模具的掩模，适用于不同电学、化学、机械和热属性的多晶硅膜。这些技术满足WLP中的不同需求，适应标准化应用与特殊要求。

晶元减薄技术对叠层式芯片封装至关重要，降低封装贴装高度，使芯片叠加而不增加系统总高度。智能卡和RFID是体现薄型晶元要求的重要部分。较薄的芯片可增加热循环可靠性，支持薄形产品。芯片减薄技术与封装工艺步骤的适用范围紧密相关，确保晶元不会在操作中受损。晶元减薄与WLP工艺的匹配，提高封装焊料球的疲劳性能，也是改善可靠性的重要措施。

晶元级封装技术的优势显著，包括封装加工效率高、轻薄短小、低生产设施费用、统一设计流程、成本降低与芯片数量相关性成本优势。WLP技术是一种适用于小型集成电路的芯片级封装(CSP)，通过并行封装和电子测试技术提高产量与减少芯片面积，降低每个I/O的成本。简化测试程序进一步降低成本，实现晶元级封装与测试。

晶元级封装技术的发展趋势包括降低成本、提高可靠性与扩大在大型IC的应用。在焊球技术方面，开发无铅焊球与高铅焊球技术成为研究重点。随着IC晶元尺寸的扩大与工艺进步，IC厂商将研究新一代晶元级封装技术，以满足φ300 mm晶元的需求与适应近期的铜布线技术和低介电常数层间介质技术。同时，提高处理电流与温度的能力、WLBI（晶元级测试与老化）技术的研究与应用也成为关键课题。通过这些技术的发展，晶元级封装将在未来成为主流制造技术。

现代电子装置选择封装类型时，既要满足设计要求又要考虑成本最低。晶元级封装技术以其低成本、批量生产芯片封装的特性，在小型化与低成本化需求的推动下，正在迅速发展。业界正努力开发新技术，降低生产成本，实现大尺寸芯片的晶元级封装与精细节距焊球阵列晶元级封装。随着封装技术的不断进步与市场需求的多样化，晶元级封装技术在现代电子设备领域将展现出广阔的应用前景。