晶圓級封裝技術解析：WLP封裝結構、Fan-in/Fan-out工藝及可靠性測試方法

晶圓級封裝（Wafer Level Packaging，WLP），是一種先進的半導體封裝技術。與傳統封裝相比，WLP封裝不需要先將晶圓切割成單顆芯片再進行封裝，而是在晶圓狀態下完成封裝結構制造，最后進行切割分離。

隨著WLP封裝結構不斷微型化，微凸點、焊球以及重布線層等連接結構尺寸持續縮小，封裝可靠性問題逐漸受到關注。因此，需要通過微凸點剪切測試、焊球推力測試、芯片剪切測試等力學可靠性測試方法，對WLP封裝內部連接結構強度進行評價。

本文科準測控小編將圍繞晶圓級封裝WLP結構、WLP工藝流程、晶圓重布線、微凸點形成以及WLP可靠性的推拉力測試機測試方法進行詳細介紹。

一、什么是晶圓級封裝WLP？

晶圓級封裝WLP（Wafer Level Packaging）是指在晶圓制造階段完成封裝相關工藝，再通過晶圓切割形成獨立封裝芯片的一種封裝技術。

WLP封裝流程包括：鈍化層加工、晶圓重布線（RDL）、凸點形成、表面保護處理，完成后再進行晶圓切割。

WLP封裝主要應用于：移動終端芯片、圖像傳感器、MEMS器件、射頻芯片、模擬芯片、高密度電子器件。

WLP封裝具有以下特點：

1. 封裝尺寸接近芯片尺寸

由于封裝結構直接在晶圓階段形成，最終封裝體積較小，適用于對空間要求較高的電子產品。

2. 支持高密度互連

通過晶圓重布線技術，可以重新規劃芯片表面焊盤位置，提高I/O連接密度。

3. 縮短信號傳輸路徑

芯片與外部連接距離縮短，有利于改善高速信號傳輸性能。

二、       WLP晶圓級封裝結構組成

典型晶圓級封裝WLP結構主要包括以下部分：

1. 芯片基底

硅晶圓作為芯片主體結構，內部包含：晶體管、有源器件、金屬互連層。晶圓表面通過半導體制造工藝形成芯片電路。

2. 鈍化層（Passivation Layer）

鈍化層位于芯片表面，用于保護內部電路結構。

常見材料包括：氮化硅、氧化硅、聚合物材料。

主要作用：防止水汽進入、降低環境影響、保護金屬線路區域。

3. 晶圓重布線層（RDL）

晶圓重布線層（Redistribution Layer，RDL）是WLP封裝中的關鍵結構。

由于芯片原始焊盤位置通常無法直接滿足外部連接需求，需要通過RDL重新設計金屬線路，將焊盤重新分布。

RDL主要作用：調整I/O連接位置、擴展芯片連接區域、實現高密度布線。

RDL制造過程通常包括：光刻→金屬沉積→電鍍→圖形化處理。

常用金屬材料包括：銅、鋁。

4. 微凸點（Micro Bump）

微凸點用于實現芯片與外部電路之間的電氣連接。

常見材料：銅、錫、鎳、金。

隨著封裝尺寸縮小，微凸點尺寸不斷降低，其連接強度會直接影響WLP封裝可靠性。

在長期工作過程中，微凸點可能受到：溫度循環、機械載荷、材料熱膨脹差異影響，產生裂紋、脫落等失效。

三、WLP晶圓級封裝工藝流程

WLP封裝制造流程主要包括以下步驟：

1. 晶圓準備

完成前道晶圓制造后，對晶圓表面進行清洗和處理，為后續封裝工藝提供基礎。

2. 鈍化層形成

在芯片表面形成保護層，并通過開孔工藝暴露連接區域。

該步驟用于保護芯片電路，同時為后續RDL制作提供連接窗口。

3. 晶圓重布線（RDL）

晶圓重布線主要用于重新設計芯片表面的金屬連接路徑。

主要流程：

（1）涂覆光刻膠

在晶圓表面形成光刻膠層。

（2）曝光顯影

形成目標線路圖形。

（3）金屬電鍍

在指定區域形成導電金屬層。

（4）去除光刻膠

完成RDL線路結構。

RDL質量會影響：電氣連接性能、信號傳輸穩定性、封裝可靠性。

4. 微凸點形成（Bumping）

完成RDL后，需要在指定位置形成凸點結構。

常見方式包括：

銅柱凸點：采用銅柱作為主要導電結構，具有較好的電流承載能力。

焊料凸點：利用錫基焊料實現芯片與外部電路連接。

微凸點形成質量會影響后續封裝連接可靠性。

5. 晶圓檢測與切割

完成封裝結構后，需要進行：外觀檢測、電性能檢測、晶圓切割，最終形成獨立封裝芯片。

四、WLP封裝類型有哪些？

根據連接結構不同，WLP主要包括Fan-in WLP和Fan-out WLP兩種形式。

1. Fan-in WLP（扇入型晶圓級封裝）

Fan-in WLP是傳統晶圓級封裝形式，也稱WLCSP（Wafer Level Chip Scale Package）。

其特點：外部連接區域位于芯片尺寸范圍內、封裝尺寸接近芯片尺寸、工藝成熟。

Fan-in WLP適用于：小型芯片、低至中等I/O數量器件、傳感器、射頻芯片。

由于連接區域受到芯片尺寸限制，當I/O數量增加時，Fan-in結構存在一定限制。

2. Fan-out WLP（扇出型晶圓級封裝）

Fan-out WLP通過重新構造晶圓，將芯片連接區域擴展到芯片外圍。

其制造過程通常包括：芯片切割箭頭→芯片重新排列→塑封形成重構晶圓→RDL制作→凸點形成

Fan-out WLP相比Fan-in WLP，可以支持：更多I/O數量、更復雜互連結構、多芯片集成。

五、WLP封裝常見可靠性問題

隨著WLP封裝結構不斷微型化，內部連接區域承受的熱機械應力增加，可能產生以下失效：

1. 微凸點失效

微凸點長期受到熱循環影響，可能出現：疲勞裂紋、界面分離、凸點脫落。

影響因素包括：材料熱膨脹系數、凸點尺寸、工藝一致性。

2. RDL失效

重布線層可能出現：金屬裂紋、線路斷裂、層間分離。

3. 界面分層

不同封裝材料之間由于材料性能差異，可能產生：芯片與封裝材料分離、RDL與介質層脫離。

4. 焊點連接失效

焊點長期受到溫度變化和機械應力作用，可能出現：焊點疲勞、裂紋擴展、連接阻抗變化。

六、WLP晶圓級封裝可靠性測試方法

WLP可靠性測試主要用于評價封裝結構在機械載荷、熱循環以及長期使用條件下的穩定性。

其中，力學可靠性測試主要包括：

1. 微凸點剪切測試

微凸點剪切測試用于評價微凸點與芯片焊盤之間的結合強度。

測試原理：測試過程中，通過剪切刀具水平移動，對微凸點施加剪切力，使其發生破壞。

測試過程中記錄：最大剪切力、位移變化、力-位移曲線、測試結果分析

通過測試數據可以評價：微凸點連接強度、焊接工藝穩定性、失效位置。

常見失效模式：凸點內部斷裂、凸點與焊盤界面脫離、基材損傷。

2. 焊球推力測試

焊球推力測試主要用于：WLP封裝、CSP封裝、BGA封裝。

測試時，通過推刀對焊球施加水平載荷，使焊球發生剪切破壞。

主要評價：焊球結合強度、焊接質量、封裝連接可靠性。

3. 芯片剪切測試

芯片剪切測試用于評價：芯片與基板結合強度、膠層粘接性能、焊接界面質量。

測試過程中，通過剪切刀施加載荷，使芯片與基材發生分離。

4. 金線拉力測試

對于采用引線鍵合結構的封裝，需要進行金線拉力測試。

測試對象包括：金線、銅線、鋁線。

通過拉鉤施加載荷，檢測：最大拉力、斷裂位置、鍵合質量。

七、推拉力測試機在WLP可靠性測試中的應用

WLP封裝中的微凸點、焊球以及鍵合結構尺寸較小，測試過程中需要控制加載位置、加載速度以及測試力值。

推拉力測試機主要用于：微凸點剪切測試、焊球推力測試、芯片剪切測試、金線拉力測試。

測試過程中，通過高精度力傳感器采集載荷變化，并結合位移數據生成力-位移曲線。

測試結果可以用于分析：封裝連接強度、工藝一致性、失效模式、產品可靠性。

科準測控Alpha-W260自動推拉力測試機針對半導體封裝測試需求，可用于WLP、CSP、BGA等封裝結構的微凸點剪切、焊球推力、芯片剪切以及鍵合線拉力測試，為封裝工藝驗證和質量分析提供數據支持。

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