晶圓級凸點技術的定義和原理

晶圓級凸點技術，通常稱為Wafer Bumping，是一種先進的半導體封裝技術，它允許在晶圓切割成單個芯片之前，在晶圓的預設位置上形成或安裝焊球（也稱為凸塊）。這種技術是實現芯片與PCB（印刷電路板）或基板互連的關鍵，對于縮小芯片尺寸、提高電氣性能和降低成本具有重要意義。晶圓凸塊技術包括多種不同的凸點形成方法，如印刷型凸點、共晶電鍍型落球、無鉛合金及銅支柱合金凸點技術等。

晶圓級凸點技術的原理涉及到在晶圓表面制作一系列凸點，這些凸點將作為芯片與外部電路連接的接口。凸點的選材、構造和尺寸設計受到封裝大小、成本以及電氣、機械、散熱等性能要求的影響。例如，印刷型凸點技術通過模板印刷的方式在晶圓表面形成凸點，而共晶電鍍型落球技術則通過在晶圓表面滴落熔融焊料并進行共晶反應來形成凸點。無鉛合金和銅支柱合金凸點技術則分別使用無鉛材料和銅材料來制作凸點，以滿足不同的應用需求。

晶圓級凸點技術的應用領域

晶圓級凸點技術廣泛應用于各種半導體封裝領域，包括但不限于移動電話、便攜式電子產品、高速計算設備等。隨著集成電路的復雜性不斷增加，每個芯片的輸入/輸出連接數也在增長，傳統的引線鍵合技術已經無法滿足需求。晶圓級凸點技術通過提供更多的I/O連接點和更小的封裝尺寸，使得芯片能夠實現更高的性能和更低的功耗。此外，該技術還有助于提高生產效率，因為晶圓級封裝可以在切割成單個芯片之前進行，從而減少了后續的封裝步驟。

在消費性IC的封裝應用中，晶圓級封裝技術因其較小的封裝尺寸和較佳的電性表現而受到青睞。例如，WLP（Wafer Level Package）技術就是一種經過改進和提高的CSP（Chip Scale Package），它以BGA（Ball Grid Array）技術為基礎，將百微米級的焊錫球放置到刻好電路的晶圓上。這種技術在輕薄短小的消費性IC封裝中具有顯著優勢，并且隨著多層堆疊技術（MCM）的發展，晶圓級植球技術能夠滿足晶圓與晶圓間高精度多引腳的100um級互聯需求。

晶圓級凸點技術的工藝流程

晶圓級凸點技術的工藝流程包括多個關鍵步驟，首先是材料準備，然后是焊膏印刷、IC貼裝、回流焊接等。在材料準備階段，需要準備好底部基板、球柵陣列（BGA）、波士頓背面圖案（WLCSP）等材料。接著，在底部基板上涂刷適量的焊膏，并通過印刷機器實現均勻分布，這步操作對最終焊接質量至關重要。IC貼裝階段，使用自動貼裝機器將裸露的芯片精確地放置在指定位置上。回流焊接階段，通過回流爐對已貼裝的芯片進行焊接，使得芯片與基板上的焊膏相互粘結，形成穩定的連接。最后，根據需求，可能還需進行陶瓷球刻印、測試等處理步驟。

在晶圓級封裝（WLP）工藝中，晶圓上凸點（Bump）的制作是關鍵的基礎技術。晶圓級封裝采用凸點技術作為其I/O電極，形成凸點的三種方式包括電鍍方式、印刷錫膏方式和植球方式。具體到植球方式，其工藝流程如下：

1. 上料機械手對晶圓盒中的晶圓進行檢測（Mapping）。

2. 將晶圓取出放置到晶圓預對位裝置上進行對位。

3. 機械手將晶圓放置于X-Y-Z-θ植球平臺上。

4. 利用超精密金屬模板印刷技術將助焊劑涂敷在晶圓的焊盤上。

5. 利用金屬模板植球技術手動或自動將焊錫球放置于晶圓上。

6. 將植球后的晶圓收回晶圓盒中。 此外，實驗過程中，根據刮刀長度在金屬模板印刷初始位置涂抹適量助焊劑，調整刮刀氣缸壓強，設定為0.12MPa。CCD相機對晶圓和金屬模板光學定位點進行對中，然后執行印刷。經過多次印刷和植球實驗，對工藝參數進行調整，最終設備的印刷和植球效果達到誤差在1/2焊錫球球徑范圍內。

晶圓級凸點技術的優勢和局限性

晶圓級凸點技術具有多項優勢，包括小型化、高可靠性、生產周期短和適應性強。小型化是由于封裝技術使得芯片封裝更加緊湊，節省了空間。高可靠性是通過精確控制工藝參數實現的，提高了封裝連接的可靠性和穩定性。生產周期短得益于自動化生產線和簡化的工藝流程，提高了生產效率。適應性強表現在晶圓級封裝技術能夠適應不同類型的芯片，并靈活應對多種工程設計要求。

然而，晶圓級凸點技術也存在一些局限性。例如，在設計階段，需要考慮封裝方式、電路設計與布局、引腳排布和信號引出等多方面因素，以確保信號傳輸的可靠性和最小功耗。在加工階段，芯片固定和連接、封裝材料選擇、清洗和去除污染物、控制溫度和濕度等都是需要注意的關鍵要點。此外，測試與質量管控也是確保最終產品品質的關鍵階段，需要進行可靠性測試、尺寸與外觀檢查等。

補充信息 在晶圓級封裝技術的發展過程中，一些關鍵技術如RDL（重布線層）技術、Interposer（硅中介層）技術和TSV（硅通孔）技術發揮著重要作用。RDL技術主要用于2D平面上的芯片電氣延伸與互連，可以支持更多的引腳數量，使I/O觸點間距更靈活、凸點面積更大，從而提高元件可靠性。Interposer技術則通過引線凸塊/TSV實現電氣連接，具有較高的細間距I/O密度和TSV形成能力，在2.5D和3D IC芯片封裝中扮演關鍵角色。TSV技術是一種垂直互連技術，可以減小互連長度和信號延遲，降低寄生電容和電感，實現芯片間的低功耗和高速通信，增加寬帶和實現封裝小型化。

晶圓級凸點技術的發展趨勢

隨著電子產品不斷升級換代，對封裝技術提出了更高要求，晶圓級凸點技術正朝著高度集成、三維、超細節距互連等方向發展。技術發展的趨勢包括減小芯片尺寸、布線長度、焊球間距，以提高集成電路的集成度、處理器的速度，降低功耗，提高可靠性，順應電子產品日益輕薄短小、低成本的發展需求。此外，晶圓級封裝技術還在不斷降低成本，提高可靠性水平，擴大在大型IC方面的應用，如通過減少WLP的層數降低工藝成本，縮短工藝時間，以及通過新材料應用提高WLP的性能和可靠度。

在后摩爾時代，半導體技術的發展方向之一是晶圓級封裝技術，它通過晶圓重構工藝在晶圓上完成重布線，并通過晶圓凸點工藝形成與外部互聯的金屬凸點以進行封裝。這種技術能夠在更小的封裝面積下容納更多的引腳，提升集成度。同時，隨著技術的發展，金屬凸點的尺寸越來越小，最終可能發展為Hybrid Bonding技術，該技術制造的電介質表面光滑、沒有凸點，且具有更高的集成密度。此外，臺積電在其技術發展中也致力于突破晶片堆疊技術極限，預計于2027年準備就緒采用CoWoS技術的芯片堆疊版本，整合SoIC、HBM及其他零部件，打造一個強大且運算能力媲美數據中心服務器機架的晶圓級系統。

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