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扇出型封裝是先進封裝最具代表性的技術之一,隨著其向多晶片、3D SiP等方向發展,正越來越多地被應用在5G、AIoT和HPC等領域中。
扇出型封裝有兩大分支:扇出型晶圓級封裝(FOWLP,下文簡稱晶圓級封裝)和扇出型板級封裝(FOPLP,下文簡稱板級封裝)。作為後起之秀的板級封裝,由於面板的大尺寸和更高的載具使用率(95%),帶來了遠高於晶圓級封裝的規模經濟效益。而作為其核心的RDL(Redistribution Layer,重布線層)技術,也得到了業界更多的關註。
承先啟後的RDL
板級封裝借鏡了晶圓級封裝的思路和技術,但採用了更大的面板,因此可以量產出數倍於大尺寸晶圓晶片的封裝產品。而且,其基板選材更加靈活,可以採用液晶面板用的玻璃基板或是安定性較佳的金屬基板。
深圳中科四合科技有限公司CTO丁鯤鵬表示:「在發展晶圓級封裝的時候,有人想到既然可以在晶圓上面直接做封裝,如果把晶圓換成面板,用面板的設備也可以做同樣的事情,於是就開發出了板級封裝。」
與晶圓級封裝相同,板級封裝可以將封裝前後段制程整合進行,可以被視為完整的封裝制程,因此可大幅降低生產與材料等各項成本。舉例而言,板級封裝採用了如24×18英寸(610×457mm)的PCB載板,其面積大約是12英寸晶圓的4倍,就相當於一次制程下可以量產出4倍於12英寸晶圓的封裝產品。巨大的成本優勢促使了全球各大封裝業者的加入,三星機電、日月光等均積極投入到板級封裝制程技術中。
板級封裝與晶圓級封裝各有擅長,CPU、GPU、FPGA等大型晶片多用晶圓級封裝,APE、PMIC等主要以板級封裝為主。不過,通過RDL技術將不同的晶片整合在單一封裝體中,可以使板級封裝實現更細線寬線距,達到與晶圓級封裝相同的效果。
高精密設備制造商Manz亞智科技技術處長李裕正表示,印刷電路板最小的線寬尺寸大概可以做到35μm,但是在IC制造方面來講已經到5nm,在晶片面積不斷微縮的情況下,要實現晶片與PCB板的連接,就必須有一些互聯的技術來彌補兩者的差距,RDL技術就是其中之一。
圖 板級RDL工藝的發展
RDL技術的核心是在晶圓表面沉積金屬層和介質層並形成相應的金屬布線圖形,來對晶片的 I/O 端口進行重新布局,將其布置到新的、節距占位可更為寬鬆的區域。
能制作高品質的精細線路是RDL的強項。李裕正指出,IC載板在發展精細線路上的良率很低,但是RDL工藝制作的線寬符合晶圓和板級封裝1~10μm之間的範圍。同時,RDL層使用了高分子聚合物(Polymer)為基礎的薄膜材料來制作,可以取代矽中介層跟封裝載板,不僅省下大量成本,也讓晶片的封裝厚度明顯降低。
設備的支撐將是關鍵
晶片先裝/面朝下(Chip-first/face-down)、晶片先裝/面朝上(Chip-first/face-up)和晶片後裝(RDL first)是扇出型封裝的三大類型。
圖 RDL first和Chip first
如果要發展板級封裝,封裝行業會更傾向於RDL First工藝,其非常適合進行精細布線,但其面臨的挑戰遠比Chip First工藝來得高。
與Chip-first工藝相比,RDL First工藝的材料必須經過更多道工藝步驟,而且會接觸到更多化學品,因此在制作過程中遇到污染或加工失敗導致不良品出現的機率更高。換言之,針對RDL First,封裝廠必須跟產業上下遊進行緊密的配合,確保材料、設備和工藝的參數相互匹配,才能擁有很高的良率。
隨著布線精度的提高,RDL的進一步精細化也會帶來挑戰。廈門雲天半導體科技有限公司董事擅長大全認為,要讓RDL進一步精細化,當前使用的銅布線就需要實現微納或奈米級別的結構調控,採用能自由取向的技術。因此,在滿足成本考量和精細化需求的同時如何保證可靠性也是一大考驗。
從工藝細節上來看,RDL給板級封裝也帶來一些具體的問題。「現在99%的晶圓都是面向傳統封裝來設計生產加工的,所以晶圓上的焊盤大部分是適應於打線的鋁焊盤,但在進行扇出型封裝時,鋁金屬並不友好,所以要將其替換掉。」丁鯤鵬認為RDL呈現兩種走向:第一個是變換原有的焊盤尺寸,第二就是變換原有焊盤的金屬材質。」
丁鯤鵬進一步指出,這些變化會帶來加工尺寸中的開窗大小,對金屬層厚度的掌控,銅導線跟鋁焊盤結合的可靠性等一系列問題。
針對這諸多實際問題,李裕正認為關鍵是扇出型封裝和RDL為業界的新需求,設備規格尚未有共同標準,例如面板尺寸、工藝條件等。解決之道就是配合客戶需求而提供最適合的定制化機臺設計,做到具體問題具體解決。
首先是在設備上針對問題進行優化設計。以Manz亞智科技為例,針對板級封裝生產工藝中出現關係到產能及制程良率的載板翹曲問題,提供輸送類型的濕法制程設備,採用獨特的載板翹區壓制設計,得以保證載板在傳輸過程維持平整,減少破片率。
為了延長化學品使用壽命,降低耗用量,Manz亞智科技會通過特殊噴嘴配置及噴盤擺動機制達到化學品精準流量及溫度控制,可搭配在線實時濃度監控系統,進行新化學液添加,不僅確保制程對均一性的高標準需求,更達到降低成本的綜效。
為了應對基板重量增加,李裕正表示,「 Manz亞智科技專門開發了無治具的模組,可以讓基板直接密合到反應槽上,而不需要另外承載的治具,大幅縮減了傳輸系統的承重。」
在工藝制程方面,Manz亞智科技通過自有專利來實現優化。在容易與基板接觸的部分,Manz亞智科技可以在短時間內可以完成顯影、剝膜及蝕刻工藝,使電鍍均勻性達到90%以上。此外,在細線路制作上面,Manz亞智科技也可以提供給客戶一些特殊需求的設計制作。
李裕正還指出客戶對RDL解決方案提供商最大需求,就是提供一個能夠指導生產制造的規劃,避免生產中的波動造成制程上的變異。「以亞智科技來說,現在可以提供完整的板級RDL制程規劃,覆蓋生產制造的全過程。」
扇出型的晶圓級封裝目前領先於板級封裝,丁鯤鵬認為最大的原因就是其設備精度要遠高於板級所用的設備。如果板級封裝和RDL要進一步升級,封裝廠必須要和設備廠攜手前行。(校對/Andrew)