晶圓級再布線過程控制質量評價方法研究

Research on Quality Evaluation Methods for Process Control of Wafer-levelRedistribution

TANG Shuo1 Ql Xiao1 LIU Haowen1 CHEN Wenhao2 SUN Xiaodong2 （1.China Electronics Standardization Institute; 2.The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

Abstract： As a new packaging technology， wafer level ReDistribution Layer （RDL） package technology has the advantages suchas shortening interconnection，reducing powerconsumption，andimproving integration.Itisthecore technologyofthe currentmicrosystemsandmulti-chipcomponents procesing，andcanbeusedtorealizetheintegrationofnewmultifunctional devices and microsystems.This paper studies the manufacturing process ofRDL，and analyzes the processmonitoring and qualityevaluationmethodsofRDLprocess，aswellas themaindefectsandtypcalfilure modesofRDLproces，inoderto layafoundation forthe enrichmentand perfectionof integrated circuits.

Keywords：redistribution layer;process control; reliability

0 引言

（WLP）的基礎，是將芯片上的引腳通過薄膜工藝的再布線變換成陣列分布焊區或其他需要的分布圖形的焊區，最終形成凸點或鍵合引腳的一種封圓級再布線（RDL）是實現晶圓級封裝裝技術。再布線封裝是實現微系統制造的關鍵工藝，其優勢在于能夠顯著降低芯片的設計難度，提高封裝的集成度\"，RDL典型結構如圖1所示。

再布線工藝技術發明之初是為了應對倒裝芯片的引出端排布問題。在20世紀90年代，不具有I/O端口面陣列設計的芯片是阻礙倒裝芯片技術應用的主要原因。而再布線層技術的發明就剛好可以解決這一問題。它在晶圓表面沉積金屬層和介質層并形成相應的金屬布線圖形，來對芯片的端口進行重新布局，將其布置到新的、節距站位可更寬松的區域。目前RDL技術應用較為廣泛的領域主要是先進封裝和微系統、多芯片模塊產品的制造。

1 RDL工藝過程分析

目前行業中最主流的再布線封裝的工藝方法是通過樹脂材料進行晶圓級的布線，過程主要包括再布線層的制備、芯片的重塑以及凸點的制備，按照工藝的先后順序可以分為兩種類型，一是先布線（First），二是后布線（Last）[3]。核心工藝包括濺射、光刻、刻蝕、模塑等。RDL封裝工藝的制備通常包含以下步驟。

1.1濺射工藝

充滿腔室的工藝氣體在高電壓的作用下，形成氣體等離子體（輝光放電），其中的陽離子在電場力作用下高速向靶材沖擊，陽離子和靶材進行能量交換，使靶材原子獲得足夠的能量從靶材表面逸出（其中逸出的還可能包含靶材離子）。這一整個的動力學過程，就叫做濺射。濺射的目的就是使氬氣電離成正離子后轟擊靶材，使靶材原子濺射出來并沉積于基板上。

1.2光刻工藝

光刻工藝的主要步驟是：涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘等。

（1）涂膠

涂膠工藝的控制要素為目標膠度的整片均勻性，這一點是后續金屬圖形化的第一前提，目標膠度的整片均勻性的控制主要與膠材本身及轉速有關。如下圖是涂膠過程，包括滴膠、旋轉鋪開、甩膠和降速過程。對于再布線封裝工藝來說，涉及的光刻材料包括光刻樹脂薄膜和光刻膠兩種形式，其中樹脂薄膜是為了保留在晶圓上作為再布線層中的絕緣介質，行業中常用的是聚酰亞胺（PI），而光刻膠（PR）則是為了給所需的金屬化做出圖形，最終會被洗掉，不保留在晶圓上。

（2）洗邊

洗邊工藝的主要作用有兩方面：一是去除勻膠后在襯底邊緣處形成較厚的邊，這種厚邊稱為邊珠效應，如果不去除，會影響光刻的圖形精度；二是匹配后續的電鍍工藝，通過洗邊工藝，將涂好的膠層邊緣清洗掉一定寬度，把膠層下的金屬露出。控制洗邊的潔凈度的主要方法是調整清洗液的流量，通過針對目標寬度，進行不同清洗液流量的洗邊工藝控制目標洗邊寬度的潔凈度。

（3）前烘

前烘工藝的主要作用是在涂膠工藝完成后，蒸發掉膠中的有機溶劑成分，使圓片表面的膠固化，以保證膠面更好的成型，緩和在旋轉過程中光刻膠膜內產生的應力，防止沾污設備，增強光刻膠的粘附性等。控制前烘的主要方法是調試出合適的溫度和時間。一般來說前烘的溫度根據膠材自身特性而行，通過連續的時間曲線前烘試驗，得到最合適的前烘工藝參數。

（4）曝光

曝光工藝是整個光刻工藝的核心工步，對最終圖形的形貌及尺寸有直接影響。曝光工藝的控制要素是圖形尺寸精度，合格的圖形要求其特征尺寸滿足要求。控制曝光工藝的主要方法是采用合適的能量。光刻膠對特定波長的光線非常敏感，光照能量的微量變化都會對圖形精度產生很大影響，因此需要嚴格控制光照能量。

（5）顯影

顯影是用化學顯影液將曝光造成的光刻膠的可溶解區域溶解就是光刻膠的顯影，其主要目的就是把掩膜版的圖形準確復制到光刻膠中。曝光、顯影是控制光刻工藝圖形化的關鍵工藝，兩者共同的目標是控制圖形精度。影響顯影質量的主要因素是顯影時間。由于顯影過程本質上是化學反應過程，因此受時間的影響非常大。時間短則顯影不充分，開口圖形中存在殘膠，時間長則產生過顯影，圖形尺寸過大，因此需要嚴格控制顯影時間。

1.3濕法刻蝕工藝

濕法刻蝕就是利用光刻膠或其它材料做掩蔽層，對沒有保護的區域進行腐蝕，最終實現將掩膜版上的圖形變成硅片（或晶圓）上的圖形，實現圖形轉移。通俗來說，刻蝕就是光刻后利用化學或物理的手段，對硅片本體精雕細琢的過程?？涛g后在硅片上呈現出邏輯電路結構。

濕法工藝的主要步驟是：電鍍、去膠、金屬腐蝕。

（1）電鍍

電鍍是指借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，使導電體（如：金屬）的表面沉積一層金屬或合金層。

（2）去膠

去膠的工作原理是將圓片置于光刻膠剝離槽中，通過去膠液加熱、超聲震蕩等方式使圓片表面的光刻膠從圓片上剝離。

（3）金屬腐蝕

金屬腐蝕也就是Ti/Cu種子層濕刻，通過酸性藥液將圓片非線路部分去除，留下再布線和凸點。

對于扇人形式的再布線封裝，直接在晶圓上形成再布線層，后續再植入凸點、切割即可形成完整IC。對于扇出型再布線，則還需經過一步模塑（molding）的工藝。

1.4模塑工藝

扇出式的再布線封裝，除了上述工序外，還需將切割、測試后的KGD轉移到另一塊模塑料圓片后再進行再布線加工。轉移后的再布線層加工工藝與傳統WLP一致。

首先在載板上邊旋涂臨時鍵合材料，然后進行高精度裝片，之后完成圓片級塑封，最后將載板拆掉，通常用到的拆鍵合方法有激光和熱機械法解鍵合。由于采用測試后已知良好器件進行裝片，使得扇出式RDL封裝的良率不再受限于前端工藝的成品率，僅取決于模塑再布線以及凸點工藝。KGD移至再布線后的模塑料后相對位置更為分散，使得再布線層的空間變大，有助于提高I/O的數量。

1.5主要控制點

RDL工藝過程主要包括圓片的清洗、鈍化層光刻（涂膠/曝光/顯影/固化）、種子層濺射、金屬布線層濕法（電鍍/去膠/腐蝕/清洗）等。主要控制要素如圖2所示。

2 RDL工藝過程常見缺陷和失效分析

目前主流的再布線工藝相關封裝形式有兩種，即扇入型封裝和扇出型封裝。扇入型封裝一般只在芯片內部進行布線，而扇出型封裝的封裝體尺寸大于芯片尺寸，可以在芯片外部進行布線，從而實現異質異構集成。扇人和扇出型封裝都包括了大量的工藝步驟，如：光刻、濺射、濕法和植球回流等，而對于需要進行圓片重構的扇出型再布線，還包括裝片塑封工藝流程。其中，任何工藝流程出現問題，包括材料問題、不當操作和超出允許范圍的工藝誤差等，都可能導致再布線封裝產品出現缺陷。如果不作管理，這些缺陷很可能會導致加工完成的再布線封裝產品出現早期失效和直接失效問題，見表1。

2.1模塑工藝過程常見缺陷

模塑工藝包括裝片和塑封兩大制程，是一種用于實現圓片重構的技術，在扇出型封裝中使用廣泛。對于裝片制程，裝片機根據重構圓片布局圖拾取相應的芯片臨時鍵合在載板上；塑封制程則通過特定的方式將臨時鍵合好的芯片塑封在樹脂基體中，形成真正意義上的圓片。模塑工藝過程中的常見缺陷主要包括：未填充、芯片裂片、沾污、塑封溢料等。模塑工藝常見缺陷如圖3所示。

2.2光刻工藝過程常見缺陷

光刻工藝的本質是把制作在掩膜版上的圖形復制到晶圓上。RDL常用的光刻工藝包括PI制程和PR制程，其中PI制程需要進行光刻膠的固化，而PR制程主要為電鍍工藝提供金屬化圖形，光刻膠會在后續制程中去除。光刻工藝流程中的常見缺陷主要包括：光刻殘膠、開口變形、光刻過顯、氧化等。光刻工藝常見缺陷如圖4所示。

2.3濕法刻蝕工藝缺陷

濕法刻蝕工藝主要包括電鍍、去膠和金屬刻蝕，其中，電鍍是一種通過化學反應來制備金屬或合金的技術，按照鍍層的種類，可以劃分為RDL、

UBM、Solder和Pillar；去膠是指去除非圖形區域的光刻膠；金屬刻蝕則包括銅刻蝕和鈦刻蝕，主要目的是去除多余的金屬種子層。在工藝過程中，通常需要考慮控制膜厚、表面潔凈度、邊緣潔凈度等因素。濕法工藝過程中的常見缺陷包括：劃傷、臟污、破片、電鍍不全/多鍍等。濕法刻蝕工藝常見缺陷如圖5所示。

2.4濺射工藝缺陷

濺射通常需要控制表面潔凈度、膜厚度等因素。在再布線工藝流程中，濺射工藝的目的是為后續的電鍍工藝提供種子層，濺射工藝常見的工藝缺陷包括：破片、沾污、擦傷、金屬層剝離等。濺射工藝常見缺陷如圖6所示。

3 再布線封裝產品質量可靠性考核

除了工藝過程中產生的缺陷可能導致再布線封裝產品直接失效之外，由于復雜的熱、力、濕等環境因素的作用，再布線層內部也會逐漸形成并積累缺陷，最終導致產品失效。不同于工藝缺陷，這一類環境可靠性條件導致的失效問題往往需要一段時間的持續貯存或工作才逐漸顯現。典型的再布線封裝產品的失效模式包括凸點斷裂、互連電阻異常、再布線層分層等，其失效機理可以簡單分為熱應力失效、金屬氧化、“爆米花”效應、力學載荷影響等，見表2。

4結語

晶圓級再布線技術是異構集成技術的基礎，本文圍繞RDL工藝過程的失效模式和失效機理進行了分析研究，提出了針對RDL封裝工藝的可靠性評價試驗方法、試驗程序、試驗條件，對今后行業中RDL封裝技術的研制、使用、考核具有指導意義。

參考文獻

[1]范懿鋒，董禮，張延偉，等.扇出型晶圓級封裝可靠性問題與思考[J].電子元件與材料，2023，42（5）：505-513+520.

[2]羅天，劉佳甲，石倩楠.微系統封裝關鍵工藝設備發展現狀及國產化分析[J].電子工業專用設備，2023，52（6）：1-9.

[3]李奇哲，管永康，汪洋，等.基于RDL-First技術的晶圓級先進封裝工藝中翹曲模擬特性研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2024，42（6）：34-41.