扇出型晶圓級封裝專利技術(shù)綜述

賈楓

一、扇出型晶圓級封裝技術(shù)概述

扇出型（Fan-out）封裝和扇入型封裝是一組相對的概念。傳統(tǒng)的晶圓級尺寸封裝是一種扇入型結(jié)構(gòu)，封裝尺寸和芯片尺寸一致，雖然能大幅降低封裝后的芯片尺寸，但是在單顆芯片上的植球數(shù)量受限，因此，該晶圓封裝形式難以應用于高I/O端口數(shù)的通訊芯片上。而扇出型晶圓級封裝技術(shù)則大大改進了扇入型封裝方式的弊端。所謂的扇出，是指焊球的布局并不局限于芯片表面積，這表示在焊球間距不變時，通過增加可用于設(shè)置球焊點的面積，扇出型封裝可以提供更多I/O數(shù)量。此外，扇出結(jié)構(gòu)還具有另外兩個特點，一是在塑封材料中埋設(shè)芯片，而不是在層狀基板中，二是重布線層不是設(shè)置在基板上的。除了可以顯著提高I/O數(shù)量外，扇出結(jié)構(gòu)還可以得到更小的封裝尺寸、更好的電學熱學性能和更高的封裝密度。

二、扇出型晶圓級封裝技術(shù)的發(fā)展演進

圖1展示了扇出型晶圓級封裝的發(fā)展脈絡(luò)。本文將本領(lǐng)域?qū)＠墨I主要分文三類，第一類主要涉及新的器件結(jié)構(gòu)，第二類主要涉及工藝步驟的優(yōu)化，第三類則主要涉及解決本領(lǐng)域的重要技術(shù)問題。本文將結(jié)合專利文獻對其中的技術(shù)問題分支進行重點分析。

塑封材料具有較其他半導體載體材料更大的膨脹系數(shù)。在扇出型封裝結(jié)構(gòu)中，使用塑封材料替代載體載體后，封裝結(jié)構(gòu)中的熱膨脹差異變得尤為突出。伴隨塑封材料的固化，晶片發(fā)生翹曲。翹曲將會在后續(xù)步驟中造成對準難，沉積均勻性差，再布線層與晶片接觸不良等諸多問題。因此，翹曲成為該領(lǐng)域最需要解決的技術(shù)問題，圖3示出了幾種典型的解決方案。

1）通過設(shè)置應力消除層

新科金朋在其專利US2014/0246779中公開了一項通過設(shè)置應力消除層緩解翹曲問題的專利。其中設(shè)置有一絕緣層136，絕緣層136覆蓋在絕緣層134上。該絕緣材料層的厚度為2-30微米，在室溫下具有大于100MPa的抗張強度和20%-150%的延伸率。在后續(xù)的重布線工藝中，絕緣層136可保護管芯124的有源面130以及導電層132，減小破裂、翹曲及其他傷害。

2）通過在塑封層中埋入翹曲補償層

NXP在專利US2014/0369015公開了一種通過設(shè)置翹曲補償層降低組件翹曲程度的方法。研究者發(fā)現(xiàn)如果采用銅或其他具有較大熱膨脹系數(shù)的材料制作翹曲補償層，則器件將出現(xiàn)向下彎曲的凹面形態(tài)，而如果采用具有較低熱膨脹系數(shù)的材料制作翹曲補償層，則器件將出現(xiàn)向上彎曲的凸面形態(tài)。相比于凹面形態(tài)，凸面形態(tài)的器件更易被真空吸嘴固定于卡盤上，故研究者確定采用較低熱膨脹系數(shù)的材料制作翹曲補償層，并具體研究了如何根據(jù)半導體器件30和塑封層50的熱膨脹系數(shù)確定最佳的翹曲補償層材料。

3）通過在塑封層中設(shè)置凹陷部分

SPIL在其專利US2014/0342506中公開了一種通過在絕緣層中形成凹部以釋放應力的方法。研究人員在該專利中公開了在載體基板200上設(shè)置粘接層220，在粘接層220上設(shè)置圍繞中心區(qū)域的擋止件21。隨后進行塑封工藝，將塑封材料設(shè)置在整個載體基板上。隨后將載體基板200、粘接層220以及擋止件21一并去除，塑封材料23中則留下了原來被擋止件21占據(jù)的空間，即凹部230。凹部230可釋放該絕緣層23的應力，從而改善絕緣層23的翹曲程度。

晶片位移

塑封材料在固化過程中會收縮，收縮尺度可能達到幾十微米。這將導致已經(jīng)對準設(shè)置的晶片和重布線互連結(jié)構(gòu)發(fā)生相對位移，甚至因錯位而破壞電連接。尤其是在多芯片堆疊的結(jié)構(gòu)中，收縮和位移出現(xiàn)在多個方向上，因此，晶片位移也是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

1）使用定位結(jié)構(gòu)

矽品在其專利US2016/0005695中公開了一項用以解決扇出型封裝對準問題的技術(shù)方案。該專利提供的技術(shù)方案是在塑封層上的晶片外圍區(qū)域上提供凸起的定位結(jié)構(gòu)，隨后按照常規(guī)手段制作重分布層。雖然重分布結(jié)構(gòu)中的介電層是不透明的，由于凸起結(jié)構(gòu)和塑封層之間明顯的高度差，該定位結(jié)構(gòu)仍然可以輕易的被光刻機、臺階儀及激光成像儀等識別，從而保證了制作重分布層時的對準精度。

2）通過粘接材料

新科金朋在專利US2011/00740中公開了一種通過設(shè)置粘接材料來避免晶片位移的方法。在載帶上的固晶區(qū)域設(shè)置連續(xù)膜狀粘接材料或孤立島狀粘接材料，固晶區(qū)域用于貼裝半導體晶片的有源面。粘接材料由PVC和紫外感應添加劑混合而成的柔性塑膠材料。當完成貼裝半導體器件后，在載帶上覆蓋足以包覆器件的塑封材料，粘接材料可有效防止在塑封步驟中半導體晶片與載帶之間發(fā)生位移。

3）通過設(shè)置相適應的重分布布線層

Deca Technologies在其專利US8656333中公開了一種通過設(shè)置重分布層解決芯片錯位導致的一系列技術(shù)問題的方法。研究人員發(fā)現(xiàn)在放置晶片以及塑封成型階段很容易導致晶片發(fā)生平面內(nèi)的位置偏移或旋轉(zhuǎn)。本專利公開的方法中包括一預制層結(jié)構(gòu)，該預制層中包括一組金屬跡線，該金屬跡線可以在晶片固定之間制作，也可在晶片固定后制作，也可與第二組跡線一起形成。具體流程為，在晶元放置于載帶上并完成塑封后，根據(jù)當下的位置計算并設(shè)計第二組跡線，第二組跡線用于提供晶片焊盤到凸塊下金屬焊盤之間的導電通路。由于每次晶片的偏移不同，預制層中的第一組跡線的端點相對于晶片焊盤的位置也不同，技術(shù)人員需根據(jù)實際需要計算和實際用于連接二者的第二組跡線，這就是該技術(shù)所謂的與位移相適應的重分布線層。

三、結(jié)語

本文對扇出型封裝技術(shù)進行了概述，重點對各種結(jié)構(gòu)進行了分類，避免容易出現(xiàn)的概念混淆，并提供了各種結(jié)構(gòu)的代表專利。當各種類型的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本固定，難于獲得新的授權(quán)專利的情況下，各申請人已經(jīng)將專利布局重心轉(zhuǎn)移到了對技術(shù)問題的解決上。本文重點分析了本領(lǐng)域突出的技術(shù)問題以及各申請人為解決這些技術(shù)問題所提出的技術(shù)方案。