一種新型倒裝工藝模塊的封裝技術分析研究

北京智芯半導體科技有限公司 林 杰 王文赫

在智能電網和智能芯片的推廣和應用過程中，其智能卡模塊的要求也在逐日提高。同時對智能卡模塊的低成本和高可靠性的需求日益增加，采用新型的WLCSP封裝技術對模塊進行工藝封裝也趨于主流。本文從WLCSP封裝工藝方式，對比COB技術，從產品的加工成本，效率，可靠性等進行分析討論。

芯片產業是信息產業的核心，是推動工業化和信息化融合的重要紐帶。國家大力支持芯片產業發展，2006年1月國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中，已將“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”（“核高基重大專項”）列為國家十六個科技重大專項之一。同時國家電網公司也大力推進芯片產業發展，國家電網公司2010年工作會議上明確提出要加快建設智能電網，全面提升電網各環節的智能化水平，要求盡快在電網智能化上實現突破。

在智能電網和智能芯片的推廣和應用過程中，對其應用環節中主要一項智能卡模塊的要求也在逐日提高。智能卡技術的發展是現代生活一個重要因素，智能卡應用范圍已經涵蓋了從生活到工業生產和消費的各個領域，我們的生活已經離不開智能卡。包括在電力行業中，無論是電網內部的購電卡，還是P-SAM/E-SAM卡，HF/UHF支付卡，銀聯購電卡等，都要依托于智能卡模塊來進行實現。

國家發展的快速化，對電力的可靠性和運行效率要求也越來越高，中國電力企業和各種大型企業走向數字化、智能化的步伐越來越快。隨著社會物質生活的極大豐富，對生活質量的要求也迅速提高，電力的需求也越來越大。故為保障行業的競爭力，對智能卡模塊的低成本和高可靠性的需求日益增加。

本文從模塊的WLCSP晶圓級封裝技術進行分析討論，同時與傳統的COB封裝工藝進行7816協議模塊的對比，包括材料的特性，生產工藝流程，生產成本，過程工藝控制點等。

1 COB模塊封裝工藝

模塊的COB封裝工藝相對較為成熟和穩定，采用傳統的晶圓減薄，晶圓切割，模塊載帶的芯片貼片，高溫固化，金線鍵合bonding，plasma清潔，UV固化或黑膠固化，沖切分離。COB模塊封裝工藝如圖1所示。

相對來說，這種封裝工藝過程和流程較為復雜，全套加工過程涉及覆蓋多道工藝環節，且每道工藝環節均為串行，無法實現并行，同時各環節加工時長較長。雖然整道工序涵蓋的設備和工藝管控均在行業內較為穩定，但缺點如下：

（1）鍵合焊接采用金線融球工藝，成本較高，且需要工序前后plasma。

（2）載帶常規使用FCI等進口載帶，價格較為昂貴，且載帶利用率較低，僅雙排或四排，加工效率低。

（3）貼片需要逐一進行載帶貼膠，固化，效率慢。

（4）模塊需要進行UV點，固化，效率低。

（5）成品模塊銃切模具冗余，分擔工序較多。

通過以上的對比分析可以看出，在成熟工藝日益推廣的基礎上，已形成普推市場化，而在如此規劃市場化的條件下，客戶對模塊本身的成本也在不斷的要求下降，最終導致產品的加工銷售成本也是縮減至分厘級別。同時因整個加工流程的繁瑣復雜，導致整個產品生產加工過程中對人、機、物、法、環的管理工作負擔重，直接影響工作效率并加大了管控難度。

圖1 COB模塊封裝工藝

2 CSP模塊工藝

2.1 WLCSP技術

WLCSP又稱作晶圓級芯片封裝，與傳統普通COB技術不同，該技術是先晶圓上進行封測，再根據產品的應用和需求，進行獨立分割或整片應用，包括Fan-in，Fan-out。因此晶圓級封測后的產品體積幾乎等同于原有IC芯片的原尺寸。

晶圓級封測技術，融合流片和晶圓面積化制造技術工藝，不僅大幅度降低了成本，而且實現了與原始芯片表貼封裝后相符合的形狀，同時有效地降低了集成元器件的面積尺寸。

2.2 CSP封裝產品特點

（1）產品面積小

晶圓級封裝可實現與晶圓上裸芯片相同尺寸；

（2）I/O數量多

（3）電特性強

CSP可實現并集成更多的功能器件和，信號傳輸更快，提升電路的性能。

（4）散熱性好

CSP產品厚度低，芯片工作溫度可以實現高效散熱，減少熱功耗。

（5）重量小

因為尺寸和集成度高，在工業級航空、航天領域中，或者高密度集成產品產品中有較大優勢。

（6）測試電路

因此，產生了由物流服務集成商、物流服務提供商構成的兩級物流服務供應鏈，用于滿足零售商面向客戶的個性化、多樣化的物流服務需求。由此形成了兩級產品供應鏈與兩級物流服務供應鏈的聯動與融合，本文將重點研究兩者聯動的利益協調問題。

可在晶圓級進行封測驗證，剔除篩選失效及衰減電路，保證電路穩定性。

2.3 CSP模塊封裝優勢

采用WLCSP技術進行智能電網內的智能卡模塊制造，無論是在模塊的封裝成本，還是封裝周期流程，與傳統的智能卡模塊相比有著極高的優勢。

封裝成本：WLCSP工藝中芯片采用RDL+SOLDER是對整片WAFER的二次布線和植球，加工效率極高，而且采用成熟穩定的半導體貼裝工藝。同時采用倒裝工藝進行封裝，取代COB傳統焊線工藝，錫材質成本遠低于金線成本。載板不是傳統的進口FCI條帶，而是采用整版載板進行貼裝，成本低。

封裝周期：WLCSP技術采用連體流水線作業模式，非傳統模塊生產的多工序，多固化時間等方式，整體的封裝周期少。

載帶利用率：WLCSP模塊可使用基板和多復合載帶，可根據機臺的實際情況設計不同尺寸的載帶或基板，相比原有條帶載帶大大提升了的生產效率。

可靠性：WLCSP技術的芯片粘結牢固程度高，避免了傳統工藝貼片+包封的缺點，其可靠性均滿足相關國標和企標標準。

綜上所述，采用WCLSP技術的智能卡模塊，在后期的電網相關產品的投入使用過程中，無論是模塊的成本還是模塊的交貨周期等，均要優于傳統的智能卡模塊。同時CSP封裝方式的模塊，其尺寸體積上能夠有效的減少，可以更多的搭配輕薄短小的產品，可容納的市場會更多?？煽啃缘脑鰪姡灿欣陔娏Ξa品在客戶進行更好的推廣和應用，更有利于電力市場的發展。

3 WLCSP模塊生產工藝流程及介紹

WLCSP模塊生產工藝流程如圖2所示。

圖2 WLCSP模塊生產工藝流程圖

4 WLCSP模塊技術先進新

WLCSP技術將主要用于電表的購電卡，P/E-SAM卡，雙界面卡，銀聯電力卡等領域，其成本優勢將縮減至20%。

4.1 原材料成本降低

（1）傳統載帶為FCI法國進口，其來料成本較高。而CSP使用國產板，交貨及時，原材料規模生產后有成本競爭力。

（2）使用錫代替金線實現導通，成本降低明顯。

4.2 封裝體積靈活

CSP封裝方式的最大特點便是有效地縮減封裝體積，故可搭配于符合可產品輕薄短小的特性需求，如4FF卡。

4.3 可靠性高

●芯片的粘結牢固程度高，避免了傳統工藝貼片+包封的缺點。

●導通性能好，避免出現傳統工藝的金線鍵合拉力問題。其數據傳輸路徑。

●穩定性高：采用WLCSP封裝時，由于電路布線的線路短且厚，故可有效增加數據傳輸的頻寛減少電流耗損，也提升數據傳輸的穩定性。

●芯片工作時散熱性能好。

●由于CSP少了傳統密封的塑料或UV包裝，故IC芯片運算時的熱能便能有效發散，而不致增加過多的溫度，熱量可以直接從芯片的背面散出。

●允許的芯片減劃厚度大，直接降低減劃裂片風險，提高產品可靠性。

由于采用植球后的倒裝工藝，省去了WB打線孤高和塑封等高度，故在對于模塊整體厚度的可控范圍較大，在芯片減劃時能夠增加部分厚度，以減少劃片的失效風險。減劃效果對芯片后期的電性能的影響已是眾所周知了。

●產品的耐高溫性能好。

相對于傳統的模塊，CSP工藝需要經過回流焊，且最高溫度達到250℃，模塊底部膠固化溫度僅有125℃。

4.4 產品出貨周期縮短

CSP工藝采用流水線作業模式，貼片后直接經回流焊和底部填充，不用經打線及包封固化等多道工藝，成品模塊的出貨周期快。

4.5 生產效率高

現有CSP生產線均采用成熟半導體封裝技術，進口設備穩定可靠，貼裝精度且生產效率高.載板采用整版生產，實際生產較之載帶速度有所提升。

凸點芯片如圖3所示，CSP模塊如圖4所示。

圖3 凸點芯片

圖4 CSP模塊

結語：上所述，隨著WLCSP技術的逐漸完善，晶圓級封裝應用的逐漸深化，CSP模塊的封裝和技術優勢也日益凸顯。無論是整體的成本的降低，原材料控制，還是加工過程效率提升，產品的可靠性等級，均高于COB封裝工藝模塊，且傳統COB工藝雖然行業成熟，但設備和管理水平參差不齊，容易出現波動性。故使用新型WLCSP技術生產CSP工藝模塊已逐漸成為行業趨勢，讓我們拭目以待。