晶圆级WLP封装植球机关键技术研究及应用.pdfVIP

摘要：

晶圆级WLP微球植球机是高端IC封装的核心设备之一，晶圆上凸点

（Bump）的制作是关键技术。阐述了WLP封装工艺流程，对三种晶圆

级封装凸点制作技术进行了对比。分析了WLP微球植球机工作流程，

并对其关键技术进行了研究，包括X-Y-Z-θ植球平台、金属模板印刷

和植球。最后在自主研制的半自动晶圆级微球植球机WMB-1100上进行

了印刷和植球实验，通过对设备工艺参数的调整，取得了良好的印刷

和植球效果。

0引言

晶圆级封装（WaferLeverPackage，WLP）是以BGA技术为基础，将

百微米级的焊锡球放置到刻好电路的晶圆上，是一种经过改进和提高

的CSP。WLP封装具有较小封装尺寸与较佳电性表现的优势，目前多应

用于轻薄短小的消费性IC的封装应用。

微球植球机是晶圆级封装工艺中的必备核心设备之一。在WLP工艺中，

晶圆上凸点（Bump）的制作是关键的基础技术，国内中电科技24所、

华中科技大学、清华大学等单位研究了WLP封装中电镀凸点方式；哈

尔滨工业大学、上海交通大学研究了激光植球技术，主要应用于BGA

器件修复；合肥工业大学对BGA基板植球进行了研究。本文针对晶圆

凸点制作的金属模板印刷和植球方式，研究WLP封装工艺和WLP植球

机关键技术，并在自主研制的半自动晶圆级微球植球机进行植球实验，

晶圆尺寸12inch，焊锡球直径250um。晶圆级植球技术和设备的开发

研制为高端芯片封装装备国产化提供从技术理论到实践应用的参考。

1WLP封装工艺

晶圆级封装，是属于芯片尺寸封装（CSP）的一种。所谓芯片尺寸封装

是当芯片（Die）封装完毕后，其所占的面积小于芯片面积的120%。晶

圆级封装与传统封装工艺不同，传统封装将芯片上压点和基座上标准

压点连接的集成电路封装都是在由晶圆上分离出来的芯片上进行的，

这种工艺造成了前端晶圆制造工艺与用于生产最终集成电路的后端装

配和封装的自然分离。晶圆级封装是在在完成封装和测试后，才将晶

圆按照每一个芯片的大小来进行切割，统一前端和后端工艺以减少工

艺步骤，封装后的体积与IC裸芯片尺寸几乎相同，能大幅降低封装后

的IC尺寸，是真正意义上的芯片尺寸封装。一片12inch的晶圆上一

般有750～1500个裸片，与单个芯片封装相比，每个裸片的封装成本

可以降低一个数量级。晶圆级芯片封装工艺流程如图1所示。

2WLP植球技术

晶圆级封装采用凸点技术（Bumping）作为其I/O电极，晶圆上形成凸

点有三种方式：电镀方式、印刷锡膏方式和植球方式，三种方式的比

较如表1所示。

鉴于电镀方式和印刷锡膏方式的缺点，业界一直在寻找替代解决方案，

晶圆级植球技术的突破恰好满足了这一需求，并且随着多层堆叠技术

(MCM)的发展，要求晶圆与晶圆间具有高精度的多引脚的100um级的互

联，晶圆级植球技术可以稳定地实现。

下面分析晶圆级微球植球机工作过程：

1）上料机械手对晶圆盒（Cassette）中的晶圆进行检测（Mapping）；

2）将晶圆取出放置到晶圆预对位装置（Aligner)上进行对位；

3）然后机械手将晶圆放置于X-Y-Z-θ植球平台上；

4）利用超精密金属模板印刷技术将助焊剂（Flux）涂敷在

晶圆的焊盘上；

5）利用金属模板植球技术手动或自动将焊锡球放置于晶圆上；

6）最后将植球后的晶圆收回晶圆盒。

3WLP植球实验

本次植球实验在自主研制的半自动晶圆级微球植球机进行，如图5所

示。实验晶圆尺寸12inch，焊锡球直径250um。

3.1实验过程

印刷：根据刮刀长度在金属模板印刷初始位置涂抹适量助焊剂，调整

刮刀气缸压强，设定为0.12MPa。CCD相机对Table上晶圆和金属模板

光学定位点（Mark点）进行对中，然后执行印刷，如图6所示。

植球：植球定位与印刷定位一样，由于本次实验的12inch晶圆一次植

球量多，为节省焊锡球，在晶圆上取五块具有代表性的区域，使用塑

料刮板刮球，使焊锡球通