一種新型倒裝工藝模塊的封裝技術(shù)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(wǎng)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(shù)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(shù)，從產(chǎn)品的加工成本，效率，可靠性等進行分析討論。

芯片產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動工業(yè)化和信息化融合的重要紐帶。國家大力支持芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2006年1月國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，已將“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)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(wǎng)公司也大力推進芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家電網(wǎng)公司2010年工作會議上明確提出要加快建設(shè)智能電網(wǎng)，全面提升電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的智能化水平，要求盡快在電網(wǎng)智能化上實現(xiàn)突破。

在智能電網(wǎng)和智能芯片的推廣和應用過程中，對其應用環(huán)節(jié)中主要一項智能卡模塊的要求也在逐日提高。智能卡技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代生活一個重要因素，智能卡應用范圍已經(jīng)涵蓋了從生活到工業(yè)生產(chǎn)和消費的各個領(lǐng)域，我們的生活已經(jīng)離不開智能卡。包括在電力行業(yè)中，無論是電網(wǎng)內(nèi)部的購電卡，還是P-SAM/E-SAM卡，HF/UHF支付卡，銀聯(lián)購電卡等，都要依托于智能卡模塊來進行實現(xiàn)。

國家發(fā)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(yè)和各種大型企業(yè)走向數(shù)字化、智能化的步伐越來越快。隨著社會物質(zhì)生活的極大豐富，對生活質(zhì)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(yè)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(shù)進行分析討論，同時與傳統(tǒng)的COB封裝工藝進行7816協(xié)議模塊的對比，包括材料的特性，生產(chǎn)工藝流程，生產(chǎn)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(wěn)定，采用傳統(tǒng)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(huán)節(jié)，且每道工藝環(huán)節(jié)均為串行，無法實現(xiàn)并行，同時各環(huán)節(jié)加工時長較長。雖然整道工序涵蓋的設(shè)備和工藝管控均在行業(yè)內(nèi)較為穩(wěn)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(guī)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(chǔ)上，已形成普推市場化，而在如此規(guī)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(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中對人、機、物、法、環(huán)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(shù)

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

晶圓級封測技術(shù)，融合流片和晶圓面積化制造技術(shù)工藝，不僅大幅度降低了成本，而且實現(xiàn)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(chǎn)品特點

（1）產(chǎn)品面積小

晶圓級封裝可實現(xiàn)與晶圓上裸芯片相同尺寸；

（2）I/O數(shù)量多

（3）電特性強

CSP可實現(xiàn)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(chǎn)品厚度低，芯片工作溫度可以實現(xiàn)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(yè)級航空、航天領(lǐng)域中，或者高密度集成產(chǎn)品產(chǎn)品中有較大優(yōu)勢。

（6）測試電路

因此，產(chǎn)生了由物流服務(wù)集成商、物流服務(wù)提供商構(gòu)成的兩級物流服務(wù)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(wù)需求。由此形成了兩級產(chǎn)品供應鏈與兩級物流服務(wù)供應鏈的聯(lián)動與融合，本文將重點研究兩者聯(lián)動的利益協(xié)調(diào)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(wěn)定性。

2.3 CSP模塊封裝優(yōu)勢

采用WLCSP技術(shù)進行智能電網(wǎng)內(nèi)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(tǒng)的智能卡模塊相比有著極高的優(yōu)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(wěn)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(tǒng)焊線工藝，錫材質(zhì)成本遠低于金線成本。載板不是傳統(tǒng)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(shù)采用連體流水線作業(yè)模式，非傳統(tǒng)模塊生產(chǎn)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(jù)機臺的實際情況設(shè)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(chǎn)效率。

可靠性：WLCSP技術(shù)的芯片粘結(jié)牢固程度高，避免了傳統(tǒng)工藝貼片+包封的缺點，其可靠性均滿足相關(guān)國標和企標標準。

綜上所述，采用WCLSP技術(shù)的智能卡模塊，在后期的電網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)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(yōu)于傳統(tǒng)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(chǎn)品，可容納的市場會更多?？煽啃缘脑鰪姡灿欣陔娏Ξa(chǎn)品在客戶進行更好的推廣和應用，更有利于電力市場的發(fā)展。

3 WLCSP模塊生產(chǎn)工藝流程及介紹

WLCSP模塊生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 WLCSP模塊生產(chǎn)工藝流程圖

4 WLCSP模塊技術(shù)先進新

WLCSP技術(shù)將主要用于電表的購電卡，P/E-SAM卡，雙界面卡，銀聯(lián)電力卡等領(lǐng)域，其成本優(yōu)勢將縮減至20%。

4.1 原材料成本降低

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

（2）使用錫代替金線實現(xiàn)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(chǎn)品輕薄短小的特性需求，如4FF卡。

4.3 可靠性高

●芯片的粘結(jié)牢固程度高，避免了傳統(tǒng)工藝貼片+包封的缺點。

●導通性能好，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝的金線鍵合拉力問題。其數(shù)據(jù)傳輸路徑。

●穩(wěn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)念l寛減少電流耗損，也提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

●芯片工作時散熱性能好。

●由于CSP少了傳統(tǒng)密封的塑料或UV包裝，故IC芯片運算時的熱能便能有效發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品的耐高溫性能好。

相對于傳統(tǒng)的模塊，CSP工藝需要經(jīng)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(chǎn)品出貨周期縮短

CSP工藝采用流水線作業(yè)模式，貼片后直接經(jīng)回流焊和底部填充，不用經(jīng)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(chǎn)效率高

現(xiàn)有CSP生產(chǎn)線均采用成熟半導體封裝技術(shù)，進口設(shè)備穩(wěn)定可靠，貼裝精度且生產(chǎn)效率高.載板采用整版生產(chǎn)，實際生產(chǎn)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(jié)語：上所述，隨著WLCSP技術(shù)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(shù)優(yōu)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(chǎn)品的可靠性等級，均高于COB封裝工藝模塊，且傳統(tǒng)COB工藝雖然行業(yè)成熟，但設(shè)備和管理水平參差不齊，容易出現(xiàn)波動性。故使用新型WLCSP技術(shù)生產(chǎn)CSP工藝模塊已逐漸成為行業(yè)趨勢，讓我們拭目以待。