树脂捕捉器 一文看懂晶圆级封装
封装完整晶圆
晶圆级封装是指晶圆切割前的制程，晶圆级封装又分为扇入式晶圆级芯片封装(Fan-In WLCSP)与扇出式晶圆级芯片封装(Fan-Out WLCSP)，其特点是在整个封装制程中晶圆保持完整。此外，再分布层(RDL)封装、倒装芯片封装及硅通孔(TSV)封装也一般被归类为晶圆级封装，虽然这些封装方式只是完成晶圆切割前的部分制程，不同封装方式所采用的金属及电镀()绘图图案也有所不同，但在封装制程中，这些方式基本都遵循以下顺序。
晶圆测试完成后，会依需求在晶圆上制作一层绝缘层（Layer）。绝缘层在初次曝光后，再透过光刻技术，将绝缘层再次曝光于芯片焊盘。接着，透过溅镀（）制程，在晶圆表面镀上一层金属层。此金属层可加强后续步骤所形成的电镀金属层的黏着力，也可作为扩散屏障，避免金属内部发生化学反应。此外，金属层在电镀过程中，也可作为电子通道。之后，涂上光阻（）形成电镀层，透过光刻技术，绘制出图案，再以电镀的方式形成厚金属层。电镀完成后，进行光阻剥离制程，以蚀刻的方式，将剩余的薄金属层去除。最后，电镀金属层已在晶圆表面完成所需的图案。 这些图案可以作为扇入式WLCSP的引线、重分布层封装中的焊盘重分布、以及倒装芯片封装中的凸块，下面将详细介绍各个工序。
光刻：在掩模晶圆上绘制电路图案
光刻的英文对应词是，由“-litho（石刻）”和“（绘画）”组成，是一种印刷技术。换句话说，光刻是一种绘制电路图案的工艺。首先在晶圆上涂上一层称为“光刻胶”的感光聚合物，然后通过刻有所需图案的掩模版对晶圆进行选择性曝光，并对曝光区域进行显影，从而绘制出所需的图案或图形。该工艺的步骤如图2所示。
在晶圆级封装中，主要利用光刻工艺在绝缘层上绘制图形，然后利用绘制的图形制作电镀层，并通过刻蚀扩散层形成金属线路。
为了更清楚了解光刻工艺，将其与摄影作一比较会有所帮助。如图3所示，摄影是利用太阳光作为光源来拍摄拍摄对象，拍摄对象可以是物体、地标或人物。光刻需要特定的光源，才能将光罩上的图案转移到曝光装置上。此外，相机中的胶片也可以类比为光刻工艺中涂在晶圆上的光刻胶。如图4所示，我们可以通过三种方式将光刻胶涂在晶圆上，包括旋涂（Spin）、覆膜（Film）和喷涂（Spray）。涂上光刻胶后，需要使用预烘烤（Soft）来去除溶剂，以确保粘稠的光刻胶留在晶圆上并保持其原有的厚度。
如图5所示，旋涂是将黏稠的光刻胶涂在旋转的晶圆中心，离心力使光刻胶向晶圆边缘扩散，从而以均匀的厚度分散在晶圆上。黏度越高、转速越低，光刻胶就越厚。反之，黏度越低、转速越高，光刻胶就越薄。对于晶圆级封装，特别是倒装芯片封装，光刻胶层厚度必须达到30μm~100μm才能形成焊料凸块。但单次旋涂很难达到所需的厚度，在某些情况下，需要多次重复旋涂光刻胶并进行预烘烤。因此，在所需光刻胶层较厚的情况下，采用压合方法更为有效，因为此方法可使光刻胶膜从初始阶段就达到所需的厚度，并且在加工过程中不会造成晶圆浪费，因此更具成本效益。 然而，若晶圆结构表面粗糙，光刻胶膜难以附着于晶圆表面，此时采用压合方式会产生产品缺陷，因此对于表面非常粗糙的晶圆，可采用喷涂的方式使光刻胶厚度保持均匀。
光刻胶涂布及预烘烤完成后，接下来就是曝光，通过照射，将掩膜上的图案投影到晶圆表面的光刻胶上。由于正性光刻胶（PR）在曝光后会变软，因此使用正性光刻胶时，需要在掩膜去除区域开孔。负性光刻胶（PR）在曝光后会变硬，因此需要在掩膜保留区域开孔。晶圆级封装通常采用掩膜对准曝光机（Mask）或步进光刻机（）作为光刻工艺设备。
显影（）是利用显影液溶解光刻工艺软化后的光刻胶的过程。如图6所示，显影方式有三种，包括：水坑显影（），将显影液倒入晶圆中央，并低速旋转；浸没显影（Tank），将多片晶圆同时浸没在显影液中；喷淋显影（Spray），将显影液喷洒到晶圆上。图7示出了静态显影法的工作原理。静态显影完成后，通过光刻技术将光刻胶形成为所需的电路图案。
溅射工艺：在晶圆表面形成一层薄膜
溅射是一种物理气相沉积(PVD)工艺，在晶圆表面形成一层金属膜。如果晶圆上形成的金属膜低于倒装芯片封装中的凸块，则称为凸块下金属化(UBM)。通常，凸块下金属化层由两层或三层金属膜组成，包括：增强晶圆附着力的附着层；能在电镀过程中提供电子的载流层；具有焊料润湿性()并能阻止电镀层与金属之间形成化合物的扩散阻挡层。例如，如果膜由钛、铜和镍组成，则钛层作为附着层，铜层作为载流层，镍层作为阻挡层。因此，UBM对保证倒装芯片封装的质量和可靠性非常重要。 在RDL、WLCSP等封装工艺中，金属层的主要作用是形成金属引线，因此通常由粘附层和能提高粘附性的载流层组成。
如图8所示，在溅射过程中，氩气首先被转化成等离子体（），然后用离子束撞击靶材（），靶材与正氩离子沉积的金属有相同的成分。撞击后，靶材上的金属颗粒脱落，沉积在晶圆表面。通过溅射，沉积的金属颗粒具有一致的方向性。虽然晶圆的平坦区域沉积的厚度均匀，但是沟槽或垂直互连路径（过孔）的沉积厚度可能会有所不同，因此在沉积厚度方面，这样的不规则形状将导致平行于金属沉积方向的基片表面的沉积厚度比垂直于金属沉积方向的基片表面的沉积厚度薄。
电镀工艺：形成金属层，用于粘合
电镀是将电解质溶液中的金属离子还原为金属并沉积在晶圆表面的过程。这个过程需要外部供给电子进行还原反应。在晶圆级封装中，通过电镀形成厚金属层。厚金属层可以作为电连接的金属引线或焊点处的凸块。如图9所示，阳极上的金属被氧化成离子并向外电路释放电子。在阳极处氧化并存在于溶液中的金属离子可以接受电子，经过还原反应后变成金属。在晶圆级封装的电镀过程中，阴极就是晶圆。阳极由用于电镀层的金属制成，但也可以使用铂等不溶性电极（）。如果阳极板由用于电镀层的金属制成，金属离子将从阳极板中溶解出来并继续扩散以保持溶液中一致的离子浓度。 如果采用不溶性电极，则晶片表面沉积所消耗的金属离子必须定期在溶液中补充，以维持金属离子浓度。图10分别显示了阴极和阳极发生的电化学反应。
在放置晶圆电镀设备时，通常需要保证晶圆待镀面朝下，阳极置于电解液中。当电解液流向晶圆并以很大的力量与晶圆表面碰撞时，就会发生电镀。此时，待镀晶圆上光刻胶所形成的电路图案与电解液接触。电子在晶圆边缘的电镀设备中分布，最终电解液中的金属离子与晶圆上光刻胶所绘制的图案相遇。随后，电子与电解液中的金属离子结合，在光刻胶图案所绘制的地方发生还原反应，形成金属引线或凸块。
光刻胶剥离工艺及金属蚀刻工艺：去除光刻胶
在利用光刻胶图案进行的所有工艺步骤完成后，必须通过光刻胶剥离工艺去除光刻胶。光刻胶剥离工艺是一种湿法工艺，使用一种称为剥离液（）的化学溶液，以浸没、浸泡或喷洒的方法实现。在通过电镀工艺形成金属引线或凸块后，需要去除溅射形成的金属膜。这是非常必要的步骤，因为如果不去除金属膜，整个晶圆就会电连接，从而导致短路。可以通过湿蚀刻（Wet）工艺去除金属膜，使用酸性蚀刻剂（）溶解金属。此过程类似于光刻胶剥离工艺。随着晶圆上的电路图案越来越精细，浸没法也得到了更广泛的应用。
扇入式晶圆级芯片封装工艺
在扇入式晶圆级芯片封装中，合格的晶圆会先进入封装生产线，利用溅射法在晶圆表面制备一层金属膜，并在金属膜上涂上一层较厚的光刻胶，光刻胶的厚度要超过封装所用的金属引线。利用光刻法在光刻胶上绘制出电路图案，再利用电镀铜法在露出的区域形成金属引线。然后去除光刻胶，利用化学蚀刻（ ）工艺去除多余的薄金属膜。接着在晶圆表面制备一层绝缘层（ Layer ），利用光刻法去除焊球（ Ball ）放置区域的绝缘层。因此绝缘层又称为“阻焊层”（ ）。它是晶圆级芯片封装中的钝化层（ Layer ），也就是最后一层保护层，用来区分焊球放置区域。 如果没有钝化层，当采用回流焊接（ ）等工艺时，附着在金属层上的焊球会不断熔化，而无法保持球形的形状。
利用光刻工艺在绝缘层上绘制出电路图案后，通过植球工艺将焊球附着在绝缘层上，植球完成后，封装工序也完成，将封装好的整晶圆切割后，即可得到多个独立的扇入式晶圆级芯片封装。
在植球工艺中，需要将焊球附着在晶圆级芯片封装上。传统封装工艺与晶圆级封装工艺的关键区别在于前者将焊球置于基板上，而后者将焊球置于晶圆之上。因此，除了涂抹助焊剂和植球所用的模板必须与晶圆尺寸一致外，助焊剂涂抹、植球工艺和回流工艺均遵循相同的步骤。
此外，回流焊设备采用的是如图所示的基于加热板的回流焊方式，而不是采用传送带（ ）的对流热风回流焊方式。晶圆级回流焊设备在不同的加工阶段对晶圆施加不同的温度，以保持回流焊操作所需的温度条件，确保封装过程能够顺利进行。
倒装芯片封装凸块工艺
倒装封装中的凸块是基于晶圆级工艺完成的，后续步骤与传统封装工艺相同。
为了保证凸块具有足够的高度，必须选择能够厚厚地涂覆在晶圆上的光刻胶。铜柱凸块（CPB）需要经过两道工序形成，即电镀铜和电镀焊料。所用的焊料通常为无铅锡银合金。电镀完成后立即去除光刻胶，通过金属蚀刻工艺去除溅射的凸块下金属层（UBM）。然后通过晶圆级回流设备将凸块制成球形。这里采用的焊料凸块回流工艺可以最大程度地减少凸块之间的高度差，降低焊料凸块表面的粗糙度，并去除焊料中的氧化物，从而确保在倒装芯片键合过程中增加键合强度。
重分布层封装流程
重分布层封装工艺在晶圆原有焊盘上形成新的焊盘，用于承载额外的金属引线。该工艺主要用于芯片堆叠。因此，如图所示，重分布层工艺之后的封装工艺遵循传统的封装工艺。在芯片堆叠过程中，每个单独的芯片需要重复芯片贴装和引线键合两个过程。
在重分布层工艺中，首先通过溅射工艺创建金属膜，然后在金属膜上涂上一层厚厚的光刻胶。然后使用光刻工艺绘制电路图案，并在电路图案的暴露区域电镀金层以形成金属引线。由于重分布工艺本身就是重建焊盘的工艺，因此确保引线接合的强度非常重要。这就是为什么广泛用于引线接合的材料金被用于电镀的原因。
扇出型晶圆级芯片封装工艺
在扇出型晶圆级芯片封装工艺中，首先在与晶圆形状相当的载体上贴上一层薄膜，切割晶圆后将优质芯片以一定间隔贴附在薄膜上，再将芯片间隔区域成型为新的形状。晶圆成型完成后，将去除载体和薄膜。然后在新成型的晶圆上，利用晶圆设备制作金属导线、贴附焊球进行封装。最后将晶圆切割成多个独立的封装件。
1. 晶圆成型
晶圆成型是制作扇出型晶圆级芯片封装的重要工序。对于扇出型晶圆级芯片封装，晶圆成型薄膜需要先将与芯片形状相同的晶圆载体贴合，然后将其放置在成型框架中。将液态、粉状或颗粒状的环氧成型材料（EMC）加入成型框架中，加压加热成型薄膜。晶圆成型不仅是扇出型晶圆级芯片封装过程中的重要工序，也是使用硅通孔（TSV）技术制作已知良好堆叠芯片（KGSD）不可或缺的工序。
通过硅通孔封装工艺
下图显示了采用通孔（Via-）方法的硅通孔封装工艺步骤。首先，在晶圆制造过程中形成通孔。然后，在封装过程中，在晶圆正面形成焊料凸块。然后将晶圆贴附到晶圆载体上并进行背面打磨。在晶圆背面形成凸块后，将晶圆切割成单个芯片单元并堆叠。
接下来简单概括一下通孔形成的基本过程。首先，在前段制程中，在晶圆上制作出互补金属氧化物半导体等晶体管。接着，使用硬掩模6在硅通孔形成区域内绘制出电路图案。之后，使用干蚀刻工艺去除硬掩模未覆盖的区域，形成深槽。接着，使用化学气相沉积工艺（Vapor）制备绝缘膜，例如氧化物。此绝缘膜将用于隔离填充在槽内的铜等金属物质，以防止硅晶圆受到金属物质的污染。此外，绝缘层上还会制备一层薄金属层作为阻挡层。
这层薄薄的金属层将用来电镀铜层，电镀完成后再利用化学机械抛光（CMP）技术，保持晶圆表面平整，并去除表面的铜基板，确保只在凹槽处留有铜基板，之后再经过后段制程，完成晶圆制造。
使用TSV技术制作芯片堆叠封装时，一般有两种封装方式，第一种是采用3D芯片堆叠技术的基板封装，第二种则需要先制作KGSD，再基于KGSD制作2.5D或3D封装，下面将详细介绍如何制作KGSD，以及如何基于KGSD制作2.5D封装。
作为利用硅通孔技术制作的芯片堆叠封装，KGSD的生产必须经过额外的封装工序，例如2.5D封装、3D封装以及扇出型晶圆级芯片封装。高带宽存储器（HBM）是KGSD产品的典型例子。由于KGSD需要经过额外的封装工序，其作为连接针脚的焊料凸块需要比传统焊球更精细。因此，3D封装中的芯片堆叠在基板上，而KGSD中的芯片堆叠在晶圆之上，晶圆也可以看作是KGSD的底部芯片。在HBM的情况下，位于底部的芯片称为基底芯片或基底晶圆，其上方的芯片称为核心芯片。
此方法的流程为：首先，通过翻转晶圆，在基底晶圆和核心晶圆的正面制作凸块。在制作2.5D封装时，基底晶圆需要布置凸块，以便能够贴附在中介层（）；相反，核心晶圆上的凸块布局有利于在晶圆正面进行芯片堆叠。在晶圆正面形成凸块后，需要对晶圆进行减薄，同时在晶圆背面也形成凸块。但是，如前面介绍背面研磨工艺时所述，减薄过程中需要注意晶圆的弯曲。在传统的封装工艺中，可以在减薄前将晶圆贴附在裸片环上，以防止晶圆弯曲，但在硅通孔封装工艺中，由于凸块是在晶圆背面形成的，因此这种保护方法并不适用。为了解决这个问题，晶圆载体系统（Wafer）应运而生。 利用晶圆载体系统，可以借助临时粘合剂将带有凸块的晶圆正面粘贴到晶圆载体上，同时将晶圆背面减薄。此时晶圆已粘贴在晶圆载体上，即使减薄后也不会弯曲。
此外，由于晶圆载体与晶圆为同一种形态，因此也可使用晶圆设备进行加工。基于此原理，可在核心晶圆背面制作凸块。当核心晶圆正反面的凸块完成后，即可对载体进行脱键合。随后将晶圆贴附到芯片环上，并按照传统封装工艺进行切割。基底晶圆始终贴附在晶圆载体上，而从核心晶圆上切下的芯片则堆叠在基底晶圆上。芯片堆叠完成后，对基底晶圆进行成型，然后对晶圆载体进行脱键合。此时，基底晶圆便成为堆叠有核心晶圆的成型晶圆。随后将晶圆研磨至制作2.5D封装所需的厚度，再切割成单个芯片单元，制成KGSD。HBM成品经过包装后，运送给制作2.5D封装的客户。
晶圆承载系统工艺流程
晶圆搬运系统是对晶圆背面进行进一步减薄处理的系统，此过程通常在背面研磨之前使用。晶圆搬运系统工艺包括两个步骤：第一，晶圆键合，需要将用于硅通孔封装的晶圆贴合到晶圆上；第二，晶圆脱键合，即在完成晶圆背面凸块等工艺后将晶圆分离。
下图为晶圆载体系统的工艺步骤，首先在晶圆表面涂抹临时粘合剂，使晶圆与载体贴合，待晶圆背面加工完成后，即可对载体进行脱黏，清除残留粘合剂，确保晶圆表面洁净。
在进行晶圆键合时，需要考虑几个因素：首先，晶圆键合后晶圆的整体厚度应均匀；其次，键合面之间不应有间隙，两片晶圆应准确对准；此外，晶圆边缘不应被粘合剂污染，搬运过程中应尽可能少地弯曲晶圆。在晶圆脱键合过程中，还需要：避免晶圆与晶圆分离后造成损坏，如边缘剥落（）7或裂缝；避免粘合剂残留；避免凸块变形。
在基于晶圆载体系统的封装工艺中，载体脱黏是一道相对复杂且重要的工序。因此业界提出并发展了多种脱黏方法，并针对每种脱黏方法开发了相应的临时黏合剂。典型的脱黏方法包括热技术、激光烧蚀（Laser）后剥离、化学溶解、机器剥离后化学清洗等。
晶圆边缘切割工艺
如图8上半部分红色圆圈所示，采用硅通孔工艺封装的晶圆在键合到晶圆载体上后，经过背面研磨后，晶圆边缘会变得更加锋利。在此状态下，晶圆后续会经过光刻、金属膜制备、电镀等工艺，在背面制作凸块，这将增加晶圆边缘剥离的风险。边缘裂纹可能会延伸到晶圆内部，阻碍后续工艺的进行，最终导致良品严重流失。为避免此问题，对于采用硅通孔工艺封装的晶圆，在晶圆键合到载体前，应将晶圆前缘修整，并去除修整部分。如图下半部分所示，当修整后的晶圆贴合到晶圆载体并进行背面研磨后，锋利凸起的边缘已经消失。因此，在后续工艺中也消除了晶圆边缘剥离的风险。在修整过程中，旋转的晶圆切割刀片穿过晶圆边缘，将指定的边缘区域切除。
堆叠过程
在硅通孔封装工艺中，利用晶圆正反面形成的凸块进行键合，以方便堆叠。同样，在倒装芯片键合过程中，也利用回流焊工艺8和热压工艺进行键合。根据堆叠方式的不同，堆叠工艺可分为芯片到芯片堆叠、芯片到晶圆堆叠和晶圆到晶圆堆叠。
采用硅通孔工艺堆叠芯片时，会使用微凸块，因此凸块之间的间距很小，堆叠后的芯片之间的间距也较小，这也是以可靠性著称的热压工艺被广泛应用的原因。然而热压工艺也有缺点，即耗时长、生产率低，因为在键合过程中必然需要加热加压的时间。因此，热压工艺逐渐被批量回流焊工艺取代的趋势越来越明显。