晶圓級(jí)再布線過程控制質(zhì)量評(píng)價(jià)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(chǔ)，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(qū)或其他需要的分布圖形的焊區(qū)，最終形成凸點(diǎn)或鍵合引腳的一種封圓級(jí)再布線（RDL）是實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)封裝裝技術(shù)。再布線封裝是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)制造的關(guān)鍵工藝，其優(yōu)勢(shì)在于能夠顯著降低芯片的設(shè)計(jì)難度，提高封裝的集成度\"，RDL典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

再布線工藝技術(shù)發(fā)明之初是為了應(yīng)對(duì)倒裝芯片的引出端排布問題。在20世紀(jì)90年代，不具有I/O端口面陣列設(shè)計(jì)的芯片是阻礙倒裝芯片技術(shù)應(yīng)用的主要原因。而再布線層技術(shù)的發(fā)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(zhì)層并形成相應(yīng)的金屬布線圖形，來對(duì)芯片的端口進(jìn)行重新布局，將其布置到新的、節(jié)距站位可更寬松的區(qū)域。目前RDL技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域主要是先進(jìn)封裝和微系統(tǒng)、多芯片模塊產(chǎn)品的制造。

1 RDL工藝過程分析

目前行業(yè)中最主流的再布線封裝的工藝方法是通過樹脂材料進(jìn)行晶圓級(jí)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(diǎn)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(chǎng)力作用下高速向靶材沖擊，陽離子和靶材進(jìn)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(gè)的動(dòng)力學(xué)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(biāo)膠度的整片均勻性，這一點(diǎn)是后續(xù)金屬圖形化的第一前提，目標(biāo)膠度的整片均勻性的控制主要與膠材本身及轉(zhuǎn)速有關(guān)。如下圖是涂膠過程，包括滴膠、旋轉(zhuǎn)鋪開、甩膠和降速過程。對(duì)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(zhì)，行業(yè)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(huì)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(yīng)，如果不去除，會(huì)影響光刻的圖形精度；二是匹配后續(xù)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?？刂葡催叺臐崈舳鹊闹饕椒ㄊ钦{(diào)整清洗液的流量，通過針對(duì)目標(biāo)寬度，進(jìn)行不同清洗液流量的洗邊工藝控制目標(biāo)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(fā)掉膠中的有機(jī)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(zhuǎn)過程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，防止沾污設(shè)備，增強(qiáng)光刻膠的粘附性等?？刂魄昂娴闹饕椒ㄊ钦{(diào)試出合適的溫度和時(shí)間。一般來說前烘的溫度根據(jù)膠材自身特性而行，通過連續(xù)的時(shí)間曲線前烘試驗(yàn)，得到最合適的前烘工藝參數(shù)。

（4）曝光

曝光工藝是整個(gè)光刻工藝的核心工步，對(duì)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?？刂破毓夤に嚨闹饕椒ㄊ遣捎煤线m的能量。光刻膠對(duì)特定波長(zhǎng)的光線非常敏感，光照能量的微量變化都會(huì)對(duì)圖形精度產(chǎn)生很大影響，因此需要嚴(yán)格控制光照能量。

（5）顯影

顯影是用化學(xué)顯影液將曝光造成的光刻膠的可溶解區(qū)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(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠中。曝光、顯影是控制光刻工藝圖形化的關(guān)鍵工藝，兩者共同的目標(biāo)是控制圖形精度。影響顯影質(zhì)量的主要因素是顯影時(shí)間。由于顯影過程本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)過程，因此受時(shí)間的影響非常大。時(shí)間短則顯影不充分，開口圖形中存在殘膠，時(shí)間長(zhǎng)則產(chǎn)生過顯影，圖形尺寸過大，因此需要嚴(yán)格控制顯影時(shí)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(duì)沒有保護(hù)的區(qū)域進(jìn)行腐蝕，最終實(shí)現(xiàn)將掩膜版上的圖形變成硅片（或晶圓）上的圖形，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。通俗來說，刻蝕就是光刻后利用化學(xué)或物理的手段，對(duì)硅片本體精雕細(xì)琢的過程。刻蝕后在硅片上呈現(xiàn)出邏輯電路結(jié)構(gòu)。

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(jìn)行電解反應(yīng)，使導(dǎo)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(diǎn)。

對(duì)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(xù)再植入凸點(diǎn)、切割即可形成完整IC。對(duì)于扇出型再布線，則還需經(jīng)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(cè)試后的KGD轉(zhuǎn)移到另一塊模塑料圓片后再進(jìn)行再布線加工。轉(zhuǎn)移后的再布線層加工工藝與傳統(tǒng)WLP一致。

首先在載板上邊旋涂臨時(shí)鍵合材料，然后進(jìn)行高精度裝片，之后完成圓片級(jí)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(jī)械法解鍵合。由于采用測(cè)試后已知良好器件進(jìn)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(diǎn)工藝。KGD移至再布線后的模塑料后相對(duì)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(shù)量。

1.5主要控制點(diǎn)

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(guān)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(nèi)部進(jìn)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(jìn)行布線，從而實(shí)現(xiàn)異質(zhì)異構(gòu)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(duì)于需要進(jìn)行圓片重構(gòu)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(xiàn)問題，包括材料問題、不當(dāng)操作和超出允許范圍的工藝誤差等，都可能導(dǎo)致再布線封裝產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷。如果不作管理，這些缺陷很可能會(huì)導(dǎo)致加工完成的再布線封裝產(chǎn)品出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)圓片重構(gòu)的技術(shù)，在扇出型封裝中使用廣泛。對(duì)于裝片制程，裝片機(jī)根據(jù)重構(gòu)圓片布局圖拾取相應(yīng)的芯片臨時(shí)鍵合在載板上；塑封制程則通過特定的方式將臨時(shí)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(zhì)是把制作在掩膜版上的圖形復(fù)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(jìn)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(huì)在后續(xù)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(xué)反應(yīng)來制備金屬或合金的技術(shù)，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(qū)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(xù)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(chǎn)品質(zhì)量可靠性考核

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

4結(jié)語

晶圓級(jí)再布線技術(shù)是異構(gòu)集成技術(shù)的基礎(chǔ)，本文圍繞RDL工藝過程的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行了分析研究，提出了針對(duì)RDL封裝工藝的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)條件，對(duì)今后行業(yè)中RDL封裝技術(shù)的研制、使用、考核具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]范懿鋒，董禮，張延偉，等.扇出型晶圓級(jí)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(tǒng)封裝關(guān)鍵工藝設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及國產(chǎn)化分析[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2023，52（6）：1-9.

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