晶圆级凸点技术的定义和原理

晶圆级凸点技术，通常称为Wafer Bumping，是一种先进的半导体封装技术，它允许在晶圆切割成单个芯片之前，在晶圆的预设位置上形成或安装焊球（也称为凸块）。这种技术是实现芯片与PCB（印刷电路板）或基板互连的关键，对于缩小芯片尺寸、提高电气性能和降低成本具有重要意义。晶圆凸块技术包括多种不同的凸点形成方法，如印刷型凸点、共晶电镀型落球、无铅合金及铜支柱合金凸点技术等。

晶圆级凸点技术的原理涉及到在晶圆表面制作一系列凸点，这些凸点将作为芯片与外部电路连接的接口。凸点的选材、构造和尺寸设计受到封装大小、成本以及电气、机械、散热等性能要求的影响。例如，印刷型凸点技术通过模板印刷的方式在晶圆表面形成凸点，而共晶电镀型落球技术则通过在晶圆表面滴落熔融焊料并进行共晶反应来形成凸点。无铅合金和铜支柱合金凸点技术则分别使用无铅材料和铜材料来制作凸点，以满足不同的应用需求。

晶圆级凸点技术的应用领域

晶圆级凸点技术广泛应用于各种半导体封装领域，包括但不限于移动电话、便携式电子产品、高速计算设备等。随着集成电路的复杂性不断增加，每个芯片的输入/输出连接数也在增长，传统的引线键合技术已经无法满足需求。晶圆级凸点技术通过提供更多的I/O连接点和更小的封装尺寸，使得芯片能够实现更高的性能和更低的功耗。此外，该技术还有助于提高生产效率，因为晶圆级封装可以在切割成单个芯片之前进行，从而减少了后续的封装步骤。

在消费性IC的封装应用中，晶圆级封装技术因其较小的封装尺寸和较佳的电性表现而受到青睐。例如，WLP（Wafer Level Package）技术就是一种经过改进和提高的CSP（Chip Scale Package），它以BGA（Ball Grid Array）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。这种技术在轻薄短小的消费性IC封装中具有显著优势，并且随着多层堆叠技术（MCM）的发展，晶圆级植球技术能够满足晶圆与晶圆间高精度多引脚的100um级互联需求。

晶圆级凸点技术的工艺流程

晶圆级凸点技术的工艺流程包括多个关键步骤，首先是材料准备，然后是焊膏印刷、IC贴装、回流焊接等。在材料准备阶段，需要准备好底部基板、球栅阵列（BGA）、波士顿背面图案（WLCSP）等材料。接着，在底部基板上涂刷适量的焊膏，并通过印刷机器实现均匀分布，这步操作对最终焊接质量至关重要。IC贴装阶段，使用自动贴装机器将裸露的芯片精确地放置在指定位置上。回流焊接阶段，通过回流炉对已贴装的芯片进行焊接，使得芯片与基板上的焊膏相互粘结，形成稳定的连接。最后，根据需求，可能还需进行陶瓷球刻印、测试等处理步骤。

在晶圆级封装（WLP）工艺中，晶圆上凸点（Bump）的制作是关键的基础技术。晶圆级封装采用凸点技术作为其I/O电极，形成凸点的三种方式包括电镀方式、印刷锡膏方式和植球方式。具体到植球方式，其工艺流程如下：

1. 上料机械手对晶圆盒中的晶圆进行检测（Mapping）。

2. 将晶圆取出放置到晶圆预对位装置上进行对位。

3. 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. 将植球后的晶圆收回晶圆盒中。 此外，实验过程中，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相机对晶圆和金属模板光学定位点进行对中，然后执行印刷。经过多次印刷和植球实验，对工艺参数进行调整，最终设备的印刷和植球效果达到误差在1/2焊锡球球径范围内。

晶圆级凸点技术的优势和局限性

晶圆级凸点技术具有多项优势，包括小型化、高可靠性、生产周期短和适应性强。小型化是由于封装技术使得芯片封装更加紧凑，节省了空间。高可靠性是通过精确控制工艺参数实现的，提高了封装连接的可靠性和稳定性。生产周期短得益于自动化生产线和简化的工艺流程，提高了生产效率。适应性强表现在晶圆级封装技术能够适应不同类型的芯片，并灵活应对多种工程设计要求。

然而，晶圆级凸点技术也存在一些局限性。例如，在设计阶段，需要考虑封装方式、电路设计与布局、引脚排布和信号引出等多方面因素，以确保信号传输的可靠性和最小功耗。在加工阶段，芯片固定和连接、封装材料选择、清洗和去除污染物、控制温度和湿度等都是需要注意的关键要点。此外，测试与质量管控也是确保最终产品品质的关键阶段，需要进行可靠性测试、尺寸与外观检查等。

补充信息 在晶圆级封装技术的发展过程中，一些关键技术如RDL（重布线层）技术、Interposer（硅中介层）技术和TSV（硅通孔）技术发挥着重要作用。RDL技术主要用于2D平面上的芯片电气延伸与互连，可以支持更多的引脚数量，使I/O触点间距更灵活、凸点面积更大，从而提高元件可靠性。Interposer技术则通过引线凸块/TSV实现电气连接，具有较高的细间距I/O密度和TSV形成能力，在2.5D和3D IC芯片封装中扮演关键角色。TSV技术是一种垂直互连技术，可以减小互连长度和信号延迟，降低寄生电容和电感，实现芯片间的低功耗和高速通信，增加宽带和实现封装小型化。

晶圆级凸点技术的发展趋势

随着电子产品不断升级换代，对封装技术提出了更高要求，晶圆级凸点技术正朝着高度集成、三维、超细节距互连等方向发展。技术发展的趋势包括减小芯片尺寸、布线长度、焊球间距，以提高集成电路的集成度、处理器的速度，降低功耗，提高可靠性，顺应电子产品日益轻薄短小、低成本的发展需求。此外，晶圆级封装技术还在不断降低成本，提高可靠性水平，扩大在大型IC方面的应用，如通过减少WLP的层数降低工艺成本，缩短工艺时间，以及通过新材料应用提高WLP的性能和可靠度。

在后摩尔时代，半导体技术的发展方向之一是晶圆级封装技术，它通过晶圆重构工艺在晶圆上完成重布线，并通过晶圆凸点工艺形成与外部互联的金属凸点以进行封装。这种技术能够在更小的封装面积下容纳更多的引脚，提升集成度。同时，随着技术的发展，金属凸点的尺寸越来越小，最终可能发展为Hybrid Bonding技术，该技术制造的电介质表面光滑、没有凸点，且具有更高的集成密度。此外，台积电在其技术发展中也致力于突破晶片堆叠技术极限，预计于2027年准备就绪采用CoWoS技术的芯片堆叠版本，整合SoIC、HBM及其他零部件，打造一个强大且运算能力媲美数据中心服务器机架的晶圆级系统。

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