扇出型晶圓級封裝專利技術綜述

賈楓

一、扇出型晶圓級封裝技術概述

扇出型（Fan-out）封裝和扇入型封裝是一組相對的概念。傳統的晶圓級尺寸封裝是一種扇入型結構，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量受限，因此，該晶圓封裝形式難以應用于高I/O端口數的通訊芯片上。而扇出型晶圓級封裝技術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，通過增加可用于設置球焊點的面積，扇出型封裝可以提供更多I/O數量。此外，扇出結構還具有另外兩個特點，一是在塑封材料中埋設芯片，而不是在層狀基板中，二是重布線層不是設置在基板上的。除了可以顯著提高I/O數量外，扇出結構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的發展演進

圖1展示了扇出型晶圓級封裝的發展脈絡。本文將本領域專利文獻主要分文三類，第一類主要涉及新的器件結構，第二類主要涉及工藝步驟的優化，第三類則主要涉及解決本領域的重要技術問題。本文將結合專利文獻對其中的技術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。在扇出型封裝結構中，使用塑封材料替代載體載體后，封裝結構中的熱膨脹差異變得尤為突出。伴隨塑封材料的固化，晶片發生翹曲。翹曲將會在后續步驟中造成對準難，沉積均勻性差，再布線層與晶片接觸不良等諸多問題。因此，翹曲成為該領域最需要解決的技術問題，圖3示出了幾種典型的解決方案。

1）通過設置應力消除層

新科金朋在其專利US2014/0246779中公開了一項通過設置應力消除層緩解翹曲問題的專利。其中設置有一絕緣層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公開了一種通過設置翹曲補償層降低組件翹曲程度的方法。研究者發現如果采用銅或其他具有較大熱膨脹系數的材料制作翹曲補償層，則器件將出現向下彎曲的凹面形態，而如果采用具有較低熱膨脹系數的材料制作翹曲補償層，則器件將出現向上彎曲的凸面形態。相比于凹面形態，凸面形態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的材料制作翹曲補償層，并具體研究了如何根據半導體器件30和塑封層50的熱膨脹系數確定最佳的翹曲補償層材料。

3）通過在塑封層中設置凹陷部分

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上設置粘接層220，在粘接層220上設置圍繞中心區域的擋止件21。隨后進行塑封工藝，將塑封材料設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。這將導致已經對準設置的晶片和重布線互連結構發生相對位移，甚至因錯位而破壞電連接。尤其是在多芯片堆疊的結構中，收縮和位移出現在多個方向上，因此，晶片位移也是本領域亟待解決的技術問題。

1）使用定位結構

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方案。該專利提供的技術方案是在塑封層上的晶片外圍區域上提供凸起的定位結構，隨后按照常規手段制作重分布層。雖然重分布結構中的介電層是不透明的，由于凸起結構和塑封層之間明顯的高度差，該定位結構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置粘接材料來避免晶片位移的方法。在載帶上的固晶區域設置連續膜狀粘接材料或孤立島狀粘接材料，固晶區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生位移。

3）通過設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置重分布層解決芯片錯位導致的一系列技術問題的方法。研究人員發現在放置晶片以及塑封成型階段很容易導致晶片發生平面內的位置偏移或旋轉。本專利公開的方法中包括一預制層結構，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，根據當下的位置計算并設計第二組跡線，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，技術人員需根據實際需要計算和實際用于連接二者的第二組跡線，這就是該技術所謂的與位移相適應的重分布線層。

三、結語

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