在半导体产业的发展历程中,技术革新从未停止。每数年便会出现小型技术革命,每 10 - 20 年则会迎来大结构转变的技术革命。如今,推动半导体产业变革的,不仅有将制程技术向更细微化发展、缩小裸晶尺寸的技术,封装技术的变革也正发挥着关键作用。
自 2016 年起,半导体技术论坛和各研讨会几乎都围绕 FOWLP(Fan Out Wafer Level Package,扇出型封装)展开讨论。FOWLP 给整个半导体产业带来了巨大冲击,它改变了未来封装产业的结构,影响了封装产业的制程、设备和相关材料,还将过去前后段鲜明区分的制程融合在一起。
FOWLP 采用拉线方式,成本相对较低。它能将多种不同裸晶像 WLP 制程那样埋入,减少一层封装,若放置多颗裸晶,可节省多层封装,有助于降低客户成本。与 WLP 的 Fan In 相比,FOWLP 在相同芯片尺寸下,能实现范围更广的重分布层(Redistribution Layer)。这使得芯片脚数增多,未来采用该技术生产的芯片功能性更强,能将更多功能整合到单芯片中,还具备无载板封装、薄型化和低成本化等优点。
在晶圆制程中,从半导体裸晶端点拉出所需电路到重分布层,形成封装。这种方式无需封装载板,也不用打线(Wire)和凸块(Bump),可降低 30% 的生产成本并减少芯片厚度。芯片中的重分布层缩短了电路长度,大幅提高了电气信号。与 WLCSP 的半导体芯片面积和封装面积相比,FOWLP 技术下芯片面积比封装后面积小很多,可完成更多脚位设计或减少封装后半导体芯片面积,满足小型化芯片需求。这使得原本需要数颗生产成本较高的直通硅晶穿孔(TSV:Through - Silicon Via),进化到能将不同组件通过封装技术整合在一起并实现小型化的 SiP(System in Package)封装技术。为形成重分布层,需将封装制程导入晶圆前段制程,打破了前后段制程的藩篱,这对芯片生产者实现一贯性的制程技术(Full Turnkey)至关重要,也让封装代工业者和封装载板材料业者面临生存挑战。因此,未来半导体领域的决胜关键不仅在于 5nm、3nm 制程细微化能力,还延伸到前后段一贯性的制程技术。
- 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,同时准备金属载板并清洁载板,清除一切污染物。
- 层压粘合:通过压力激化粘合膜。
- 重组晶圆:将芯片从晶圆拾取并放置在金属载板上。
- 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(RDL)上,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。
FOWLP 是一种将来自异质制程的多颗晶粒结合到紧凑封装中的新方法,与传统矽载板(Silicon Interposer)运作方式不同,其主要特色与优势如下:
- 不残留矽晶圆:虽通常利用矽晶圆作载体,但矽晶圆不会留在封装中,晶粒到晶粒及晶粒到球闸阵列封装(BGA)的连接通过封装的重布层(RDL)实现。
- 成本较低:无需中介层或插入矽穿孔(TSV),降低了成本,还避免了 TSV 对电气特性的负面影响。
- 属无基板封装:是无基板(Substrate - less)的封装方式,垂直高度较低,缩短了与散热片的距离,减少了热冲击问题。
- 实现 POP 设计:凭借薄型化优势,能提供额外垂直空间让更多元件向上堆叠,通过矽穿封装孔(TPV)实现层叠封装(POP)设计。TPV 类似传统通孔(Via),良率和可靠性更高,在整合第三方 DRAM 时尤为有用。
尽管 FOWLP 能满足更多 I/O 数量需求,但要大量应用该技术,需克服以下挑战:
- 焊接点的热机械行为:FOWLP 结构与 BGA 构装相似,焊接点热机械行为相同,焊球关键位置在硅晶片面积下方,热膨胀系数不匹配点发生在硅晶片与 PCB 之间。
- 晶片位置之度:重新建构晶圆时,要确保晶片从持取及放置(Pick and Place)于载具上的位置不偏移,铸模作业时也不可偏移。由于介电层开口、导线重新分布层(RDL)与焊锡开口(Solder Opening)制作使用黄光微影技术,光罩对准晶圆及曝光性完成,对晶片位置度要求极高。
- 晶圆的翘曲行为:人工重新建构晶圆的翘曲(Warpage)行为是重大挑战,因重新建构晶圆含塑胶、硅及金属材料,硅与胶体比例在 X、Y、Z 三方向不同,铸模加热及冷却时的热涨冷缩会影响晶圆翘曲。
- 胶体的剥落现象:常压下被胶体及其他聚合物吸收的水份,在 220 - 260℃迴焊(Reflow)时瞬间气化,产生高内部蒸气压,若胶体组成不良,易出现胶体剥落现象。
此外,市场发展也给 FOWLP 封装技术带来挑战。根据麦姆斯咨询,尽管扇入型封装技术增长稳定,但半导体市场转变及未来应用不确定性因素增加,影响了扇入型封装技术前景。智能手机出货量增长从 2013 年的 35% 降至 2016 年的 8%,预计到 2020 年将进一步降至 6%,智能手机市场引领的扇入型封装技术应用日趋饱和。不过,智能手机仍是半导体产业发展主要驱动力,预计 2020 年出货量将达 20 亿部。