晶圆级封装 （WLP） 可靠性标准及试验方法综述

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晶圆级封装 （WLP） 可靠性标准及试验方法综述

吉勇 李杨 朱家昌 朱召贤

（中国电子科技集团公司第五十八研究所）

摘 要：

随着晶圆级封装的广泛应用， 其可靠性也受到越来越多的重视。 首先， 介绍了典型晶圆级封装结构，并针对该结构介绍了常见的晶圆级封装失效问题， 包括芯片碎裂、 再布线分层和凸点剪切力试验异常等； 然后，介绍了目前国内外晶圆级封装标准的现状， 指出目前仅有部分标准涉及晶圆级封装， 缺少针对性标准； 最后，通过对国内外军民领域考核标准的分析， 给出了典型的晶圆级封装考核方法， 对今后晶圆级封装的可靠性考核方法的制定及可靠性提升具有一定的指导作用。

0 引言

随着集成电路技术的不断发展， 芯片工艺制程的典型线宽不断缩小， 芯片集成度越来越高， 功能越来越复杂，这使得芯片表面的引出端数目和密度急剧地增加， 传统的封装形式无法满足这种高密度芯片的封装需求， 晶圆级封装 （ WLP ： Wafer Level Package ） 技术因此产生。 具体来说， WLP 是通过类似于晶圆流片的方式， 以圆片的形式进行芯片封装， 具体的工艺手段包括磁控溅射、 光刻和湿法等。 WLP 通过再布线实现单芯片的引出端重新分布或者多芯片的高密度互联， 再通过细节距的凸点制备技术实现高密度外连引出端。 WLP 的典型再布线尺寸为 2~30 μm ， 能够很好地衔接目前多引出端芯片封装需求。 WLP 具有互连密度高、 传输距离短等优势， 不仅可以极大地减小器件的尺寸和重量， 还能提高产品性能。 WLP 样片如图 1 所示。

目前 WLP 已广泛地应用于各类电子产品中， 产品的可靠性也是关注的重点， 因此统一的可靠性考核标准和试验方法就非常重要， 目前对于 WLP 的可靠性， 业内的权威标准体系还没有针对性规范， 但是， 由于技术的广泛应用，主流厂商各自制定了内控标准， 而参考的文件均为业内针对微电子器件的通用标准和规范[1] 。 本文针对WLP 可靠性标准问题， 分别论述目前 WLP 常见的失效问题， 介绍当前业内 WLP 的可靠性标准和考核方法， 同时介绍了考核完成后相应的分析方法， 对今后 WLP 的可靠性考核方法及可靠性提升具有一定的指导作用。

1 WLP 的常见失效问题

WLP 作为当前重要的先进封装方式， 在工艺制造后和可靠性考核后的失效现象和失效模式是人们研究的重点。从结构角度分析， WLP 的主要构成包括： 芯片、 金属再布线层 （ RDL ： Redistribution Layer ）、 介质层、 凸点下金属层（ UBM ： Under Ball Metal ） 和凸点等， 其中， 凸点主要包括铜柱凸点和焊料凸点两类， 典型的结构示意图如图 2 所示。

上述结构中涉及到的常用材料包括硅、 铜、 聚酰亚胺（ PI ： polyimide ） 和锡银或锡铅等[2] ， 各种材料的热膨胀系数 （ CTE ： Coefficient of Thermal Expansion ） 如表 1 所示。

从表 2 中可以看出， WLP 所涉及的材料的 CTE 存在较大的差异， 这会导致应力不匹配问题， 给器件的长期可靠性带来了一定的风险[3] 。 目前CTE 的主要失效问题包括以下几类。

1.1 芯片碎裂

在可靠性考核或者实际的使用过程中， WLP 成品可能会出现芯片碎裂的失效问题， 失效现象如图 3 所示。

出现这种情况的主要原因如下所述。

a ） 芯片自身问题， 包括芯片存在初始隐裂纹或者芯片的材质特殊又没有采取相应的特殊工艺封装， 如 Low-k 芯片。

b ） 芯片与再布线、 凸点和基板的应力失配在器件长期使用或者可靠性考核中不断累积， 如温度循环， 聚集到一定程度后在整个器件的最薄弱环节表现出来。 如果芯片是相对薄弱点， 则表现为芯片碎裂。

1.2 再布线分层

再布线分层包括两大类： 再布线内部分层与外部分层。 内部分层主要是指再布线内部金属层与钝化层之间分层。 出现这种情况主要是由于材料选型或者工艺不当， 造成金属层与钝化层之间粘结力不足， 在受到应力时出现分层， 如图 4 所示。 例如： 所选金属材料与钝化层材料的CTE 差异过大、 两种材料之间剪切力较小、 工艺间表面处理不到位和钝化层固化不完全等。

外部分层是指再布线层与芯片引出端之间或者与 UBM之间出现分层， 如图 5 所示。 出现这一类分层的主要原因是界面结合较弱， 包括界面处理不到位、 界面金属存在氧化或者 PVD 工艺异常等。

1.3 凸点剪切力试验异常

为了验证凸点的机械可靠性， 通常会对 WLP 后板级组装前的器件进行凸点剪切力测试。 试验后的凸点断裂位置可以反映出凸点机械可靠性， 如图6 所示， 图中的 3 个断裂位置中， 只有在位置 1 处断裂是合格的， 其他位置均为异常断裂。 凸点断裂异常说明器件的可靠性存在问题，可能的原因有很多种， 例如： 在位置 2 处断裂可能是由于UBM 制备时工艺异常， 或者 RDL 连接处有氧化等造成的凸点剪切力试验异常案例如图 7 所示。 在位置 3 处断裂可能是由于钝化层制备异常等造成的。

2 晶圆级封装可靠性标准

目前国外的民用标准体系电子器件工程联合委员会标准 （ JEDEC ） 和国际半导体协会标准 （ SEMI ） 中有部分涉及 WLP 的规定， 主要集中在 WLP 中凸点结构、 尺寸的设

计规范， 凸点完成后和倒装焊完成后的检验方法等方面。例如： JEDEC 标准中的 DESIGN GUIDE 4.18 对晶圆级球栅阵列 （ WLBGA ： Wafer Level Ball Grid Arrays ） 的设计进行了规范， 主要规定了凸点的高度、 直径、 节距和阵列尺寸，以及这几者之间的相互关系。

另外， JEDEC 中的 JESD22-B117B 标准规定了焊料凸点的剪切力测试标准， 包括测试方法、 测试结果判据等方面。 焊料凸点剪切力测试方法如图 8 所示。

国内已经有一些关于 TSV 、 三维集成的标准在征求行业意见， 但还未形成完整的针对 WLP 的标准。 另外， 存在一些企业内部标准或者区域标准， 例如： 江苏省半导体协会于 2017 年发布了江苏省半导体行业协会团体标准 （ T/JSSIA 003-2017 ）， 如图 9 所示， 其中部分标准涉及到晶圆级芯片尺寸封装 （ WLCSP ）， 规定了 WLCSP 的系列型谱和凸点特征等。

由此可以看出， 目前国内外仍缺少针对 WLP 的完整标准， 但是随着 WLP 技术的不断发展及其重要性的不断提升， 完整的行业标准或者国家级标准会逐步地建立起来。

3 WLP 的考核方法

由于目前尚未 有 专 门 针 对 WLP 的 标 准 ， 因 此 对 于WLP 可靠性的考核还没有标准的依据。 目前行业内普遍的做法是参考针对集成电路的现行标准， 提炼单一考核项，并结合产品的具体应用或者客户的需求， 形成考核办法。

目前参考的标准或系列标准包括国内的 GJB 7677 、GJB 7400 和 GJB 548B 等 ， 国 外 的 JEDEC 、 MIL -STD 、JESD22-B103 和 IPC J-STD 等。 对各类标准中的考核项目进行整理， 适用于 WLP 的考核项目如表 2 所示。

WLP 器件的考核有 2 种形式， 分别为裸片考核与上板考核。 裸片考核更侧重于工艺制程后对于工艺可靠性的及时检验， 上板考核主要针对应用层面， 目前主流是上板考核， 这样可以更准确地体现实际应用状态的情况。

按照上述考核办法， WLP 器件的考核点及可能的失效现象如表 3 所示。

可以看出， WLP 可靠性考核主要关注点是基于最基本的两个结构， 即再布线和凸点， 考核点和失效现象都围绕这两个基本结构展开。

4 结束语

WLP 是目前先进封装的代表， 广泛地应用于各类电子系统中， 其可靠性也是业内关注的重点。 本文首先对 WLP的常见失效问题进行了分析， 包括芯片碎裂、 再布线分层和凸点剪切力试验异常等。 同时通过调研发现， 目前国内外还缺少专门针对 WLP 的标准， 仅有部分标准有所涉及。另外， 针对目前 WLP 的考核办法， 本文综合了国内外军标和民标， 给出了典型的 WLP 考核办法和考核点， 可以为WLP 的制造和应用提供可靠性方面的参考。