張政楷，戴飛虎，王成遷

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

1 引言

隨著芯片重構(gòu)工藝的不斷迭代，封裝技術(shù)已經(jīng)成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心，而超高密度的先進扇出（Fan-out）技術(shù)也在其中起到了更加重要的作用。該封裝手段主要分為以下類別：安裝芯片后布線/芯片凸點向下（Chip-first/Face-down）、安裝芯片后布線/芯片凸點向上（Chip-first/Face-up） 以及再布線先行（RDL-first）。前兩種封裝工藝需要在芯片表面完成布線，而RDL-first 工藝是在載片上完成布線后進行芯片倒裝，可以實現(xiàn)更小的線寬線距和更高的封裝良率。封裝廠商如果要做出更加精良的扇出型封裝，RDL-first 工藝具有明顯優(yōu)勢。自從NEC Electronics Corporation（現(xiàn)在的Renesas Electronics Corporation）開發(fā)出RDL-first 工藝以來[1-2]，這一技術(shù)飛速發(fā)展并實現(xiàn)了大量應(yīng)用，例如Amkor 公司在2015 年和2017 年[3]開發(fā)的SWIFTTM和SLIMTM工藝。隨后，臺積電和三星電機先后推出了RDL-first 封裝方案，并且向著板級和2 μm 線寬線距工藝進發(fā)。長電科技于2021 年7 月在國內(nèi)率先推出了使用RDL-first 形式的高密度扇出式封裝（XDFOITM-FcBGA-H），目前正處于快速追趕階段。由于具有更高的封裝良率和布線密度，RDL-first工藝更加適用于多芯片、大尺寸的高密度扇出封裝，例如處理器、存儲芯片的封裝等，隨著5G、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也更加廣泛。本文對RDL-first 工藝進行了詳細(xì)的介紹，包括其工藝路線、應(yīng)用、仿真以及未來發(fā)展趨勢。

2 RDL-first 工藝的介紹

2.1 RDL-first 工藝路線

常見的RDL-first 工藝路線共有三種，分別為：1）使用物理氣相沉積（PVD）制備介質(zhì)層和Cu 布線層，并通過機械研磨除去載片；2）以玻璃載板為介質(zhì)層，通過電鍍+刻蝕完成再布線層（RDL）布線，然后通過激光解鍵合去除載片；3）將前兩種方法混合使用，這種方法更適用于較為復(fù)雜的芯片結(jié)構(gòu)。

使用PVD 進行RDL-first 扇出的過程如圖1 所示。首先使用PVD 在Si 片上形成SiO2（或SiN）薄層，然后使用離子刻蝕（RIE）完成圖形化，隨后進行Ti、Cu濺射以及Cu 沉積，接著通過化學(xué)機械拋光（CMP）工藝得到第一層與Si 片相連的RDL，重復(fù)以上步驟可以得到更多的RDL。當(dāng)所有RDL 制備完成后，通過底部凸塊金屬化（UBM）結(jié)構(gòu)連接芯片，使用PVD 完成的RDL-first 工藝樣品的切片掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)果如圖2 所示。該方法使用的載板是Si 片，在上述步驟完成后還需通過機械研磨去除載板并在磨出的焊盤上完成植球。這一工藝目前已較為成熟，但是對設(shè)備要求較高且造價高昂，因此已逐漸被第二種方案取代。

圖2 使用PVD 完成的RDL-first 工藝樣品的切片SEM 結(jié)果[2]

在玻璃載板上完成RDL-first 工藝的關(guān)鍵步驟如圖3 所示。首先在玻璃載板上涂抹一層犧牲層（通常使用激光釋放材料），然后在犧牲層上完成UBM 結(jié)構(gòu)和RDL 的制備，接著在頂層進行芯片倒裝、底填以及塑封等工藝，最后完成激光解鍵合和植球。這種方法較為簡單，但是玻璃載板的引入提高了對封裝過程中翹曲控制的要求。

第三種方法混合使用了前兩種制備工藝。首先使用第二種工藝，在玻璃載板上完成布線、UBM 結(jié)構(gòu)制備，隨后將其鍵合到Si 片上，去除玻璃載板后使用第一種工藝的PVD 和電鍍技術(shù)繼續(xù)布線，最后再進行芯片倒裝和塑封，通?？梢詫崿F(xiàn)六層以上的高密度布線?；旌蟁DL-first 工藝的關(guān)鍵步驟如圖4 所示，這一工藝更適用于復(fù)雜的芯片結(jié)構(gòu)，SPIL 和Amkor 公司都推出過使用這一工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。這種方案成本較高，目前主要應(yīng)用于研發(fā)領(lǐng)域。

圖4 混合RDL-first 工藝的關(guān)鍵步驟[3]

上述三種制備方法各有利弊，設(shè)計者通常會根據(jù)實際情況選擇最為合適的工藝路線完成芯片封裝。盡管出現(xiàn)較晚，但是RDL-first 工藝由于其獨特優(yōu)勢已在先進封裝領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置。

2.2 RDL-first 工藝的特點

RDL-first 工藝最大的優(yōu)勢在于對良率的顯著提升。對于傳統(tǒng)的Chip-first 工藝來說，由于已知合格芯片（KGD）已經(jīng)嵌入，后續(xù)加工過程中的各種缺陷都將導(dǎo)致芯片失效，特別是在金屬層較為復(fù)雜且層數(shù)較多的情況下，最終良率往往不能滿足要求。而RDL-first工藝可以首先完成線路排布，通過測試手段選擇合適的區(qū)域進行芯片倒裝，從而實現(xiàn)大幅度提高產(chǎn)品良率的目的，這一工藝對于部分價格昂貴的芯片尤為適用。LUJAN[4]對RDL-first 和Chip-first 工藝進行價格比較，結(jié)果表明，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，當(dāng)封裝芯片種類大于等于三種時，RDL-first 技術(shù)成本更低，因此，RDL-first 工藝目前主要應(yīng)用于復(fù)雜的多芯片封裝場景下，隨著后續(xù)芯片價格的進一步上升以及RDL-first工藝的不斷優(yōu)化，這一工藝必將獲得更大范圍的應(yīng)用。需要指出的是，當(dāng)單個封裝體的芯片數(shù)目較少時，RDL-first 工藝以外的鍵合和解鍵合步驟將會增加封裝成本。此外，RDL-first 工藝多用于來料芯片帶球的情況，否則芯片倒裝時對位難度較大。

3 RDL-first 工藝的進展

盡管RDL-first 工藝的開發(fā)僅有十余年的歷史，但是研究者已經(jīng)對這一技術(shù)進行了大量的探索。

2018 年，ZHU 等人[5-7]探究了RDL-first 工藝中的關(guān)鍵步驟，包括金屬層的制備、芯片倒裝工藝以及激光解鍵合的參數(shù)等，并通過增加玻璃載片厚度的方式避免晶圓翹曲對布線層產(chǎn)生影響，最終該團隊成功制備出線寬線距為10 μm 的兩層RDL 扇出封裝樣品并完成可靠性測試。玻璃載片上的布線情況如圖5 所示。

圖5 玻璃載片上的布線情況[5]

2019 年，HO 等人[8-9,16]通過RDL-first 工藝實現(xiàn)了單邊八層金屬層的超高密度扇出封裝，接觸通孔的橫截面如圖6 所示。這八層金屬層包括七層RDL 和一層UBM 結(jié)構(gòu)，最細(xì)的線寬線距僅為2 μm。為了實現(xiàn)該方案，HO 等人將介質(zhì)層厚度從7 μm 降低到3 μm，顯著改善了翹曲問題。在該工藝條件下，隨著加工層數(shù)的增加，晶圓翹曲隨之增大，最終翹曲僅為1.33 mm。團隊對芯片的電性能進行了測試，相鄰信號線之間的最大串?dāng)_為－20.5 dB，這表明RDL-first 工藝在實現(xiàn)超高密度扇出封裝中具有優(yōu)勢。

圖6 接觸通孔的橫截面

2020 年，LAU 等人[10,14-16]在復(fù)雜異構(gòu)集成中使用了RDL-first 工藝，對方案的設(shè)計、材料、工藝、可靠性進行了系統(tǒng)性研究，針對回流過程中的芯片脫落、焊點疲勞壽命較短等問題提出了解決方案，最終通過三層RDL 和兩層UBM 結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了三顆不同尺寸芯片的互聯(lián)與封裝，相較于使用Chip-first 工藝的方案，良率得到了顯著提升。

RDL-first 工藝降低成本的關(guān)鍵是選擇合適的位置倒裝KGD，因此需要通過電性能測試等手段區(qū)分RDL 部分是否存在異常。2018 年，GUNJI 等人[11-14]開發(fā)出一種通過電容法測試單面開/短路的新手段，與常規(guī)的四線測試法相比成本降低了30%，并且可以用于更精細(xì)的線路（線寬線距為2 μm），預(yù)計這一測試手段將會助力RDL-first 工藝進一步應(yīng)用于超高密度布線方案。

從2018 年至今，RDL-first 工藝路線快速迭代，良率得到顯著優(yōu)化，生產(chǎn)成本大幅降低，工藝能力穩(wěn)步提升，可以實現(xiàn)的異構(gòu)集成尺寸和芯片顆數(shù)也大幅增加。目前，優(yōu)化工藝的常規(guī)方法為：1）在作業(yè)能力范圍內(nèi)增加載片厚度以顯著降低翹曲，從而實現(xiàn)布線層數(shù)的增加；2）使用熱膨脹系數(shù)（CTE）更加匹配的玻璃載片；3）設(shè)計布線層的線寬線距不大于5 μm，通過增加單層布線密度的方式減少總布線層數(shù)，從而避免較大的介質(zhì)層總厚度導(dǎo)致作業(yè)困難。但是，由于玻璃是一種非晶材料，其CTE 往往無法像Si 片一樣與金屬層匹配良好，隨著金屬層復(fù)雜性的飛速提升，翹曲問題越來越制約著RDL-first 工藝的進一步發(fā)展。針對這一問題，研究者們通過仿真結(jié)合實驗不斷嘗試新的翹曲控制方法。

4 RDL-first 工藝中的翹曲問題

在先進封裝制程中，晶圓經(jīng)歷固化、回流等階段后會積累較大的內(nèi)應(yīng)力，主要表現(xiàn)為晶圓的翹曲變形，這不僅影響了封裝精度，也會增加工藝難度，帶來焊點斷裂、裂片等諸多良率損失，這一問題也嚴(yán)重制約了RDL-first 工藝的應(yīng)用。國內(nèi)外研究者使用有限元分析法，通過各種方式減輕RDL-first 工藝過程中產(chǎn)生的翹曲，從而進一步提升RDL-first 工藝的實用價值[14-20]。

2017 年，LIN 等人[21]通過有限元模擬結(jié)合樣品制備的方式探究了RDL-first 工藝中影響翹曲水平的基本因素，包括金屬層層數(shù)、鈍化層與金屬層的厚度、芯片布局、塑封溫度等。根據(jù)仿真結(jié)果，LIN 等人優(yōu)選參數(shù)，成功制備出了包含三層金屬層的RDL-first 扇出結(jié)構(gòu)，最小線寬線距為8 μm，封裝體的整體翹曲僅為283 μm，遠(yuǎn)低于常規(guī)水平，這一研究結(jié)果為更多金屬層的RDL-first 結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)。

2018 年，ONOZEKI 等人[22]通過有限元分析研究了底部填充體和塑封料對RDL-first 工藝中晶圓翹曲的影響。結(jié)果表明，選擇低模量的底部填充體和塑封料可以顯著改善翹曲情況。該團隊根據(jù)計算結(jié)果選擇了合適的底部填充體和塑封料搭配，成功制備了包含四層金屬層的RDL-first 結(jié)構(gòu)，翹曲水平相較于優(yōu)化前大幅降低。

2018 年，LIN 等人[23]研究了RDL-first 工藝中倒裝芯片的體積對晶圓翹曲的影響。通過實驗結(jié)合仿真，作者得到了芯片體積/塑封料體積與晶圓翹曲的關(guān)系函數(shù)，如圖7 所示。當(dāng)比值增大時，晶圓翹曲形式從“笑臉”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱弈槨?，這一結(jié)果有助于RDL-first 工藝路線優(yōu)化，后續(xù)研究者可以通過計算定性判斷晶圓翹曲的狀態(tài)，避免無法實際作業(yè)的情況。

2020 年，CHE 等人[24]詳細(xì)探究了RDL-first 工藝中的激光釋放材料、玻璃載片以及塑封料選擇對翹曲情況的影響，并對所有影響因素進行整合。通過有限元分析結(jié)合實驗數(shù)據(jù)的方法，CHE 得出結(jié)論：1）增加玻璃載片的厚度可以顯著降低翹曲；2）當(dāng)玻璃載片與鈍化層、塑封料的CTE 匹配時翹曲較?。?）通過增大玻璃載片尺寸可以緩解翹曲問題。不同工藝條件下晶圓的翹曲結(jié)果如圖8 所示，其中實驗條件選擇見參考文獻[24]。

圖8 不同工藝條件下晶圓的翹曲結(jié)果[24]

在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，RDL-first 工藝快速發(fā)展，已在多家封裝企業(yè)實現(xiàn)量產(chǎn)，其工藝能力也已基本接近更加成熟的Chip-first 工藝。為了滿足后續(xù)先進封裝對成本、使用范圍的更高要求，RDL-first 工藝路線還需要完成進一步優(yōu)化。

5 RDL-first 工藝的發(fā)展方向

由于工藝成熟度的逐步提升，RDL-first 工藝的應(yīng)用空間正在進一步拓展。除了金屬層層數(shù)的增加、線寬線距的進一步縮小等先進扇出封裝發(fā)展方向外，RDL-first 工藝還有幾項較為重要的研究方向，以下主要介紹激光釋放材料的優(yōu)化、面板級工藝、優(yōu)化載片三個方面[25-28]。

5.1 激光釋放材料的優(yōu)化

RDL-first 工藝目前常用的激光緩釋材料的主要成分為聚酰亞胺，其固化溫度在400 ℃左右[29]，并且需要配合黏合劑使用，這一特性顯著提高了成本。2018年，ZHANG 等人[30]開發(fā)出兩種新型激光釋放材料，這兩種材料具有更低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，不需要額外加入黏合劑，適用于當(dāng)前主流的載片材料。這兩種激光釋放材料的固化條件如表1 所示，在150 ℃和100 ℃下，A、B 材料僅需2 min 就可以完成固化，并且具有出色的耐化性和可靠性。這一結(jié)果對RDL-first 工藝應(yīng)用空間的拓展有積極意義。

表1 兩種激光釋放材料的固化條件[30]

2022 年，LEE 等人[31]通過研究激光燒蝕后激光釋放材料的表面性狀，評估了四種激光釋放材料的最優(yōu)解膠工藝，并且實現(xiàn)了玻璃晶圓的循環(huán)使用，極大地降低了RDL-first 工藝的成本。不同膠材的解膠能量以及解膠效果如圖9 所示，可以看出，所有樣品的解膠效果完好，載片與塑封片均未出現(xiàn)明顯的污染情況，載片經(jīng)過清洗后可以再次使用。

圖9 不同膠材的解膠能量以及解膠效果[31]

5.2 面板級工藝

先進封裝工藝中降低成本尤為重要。通常情況下，晶圓級封裝的面積使用率遠(yuǎn)小于面板級封裝，使用面板完成先進封裝工藝可以大幅降低成本[32-35]。因此，研究者們在對RDL-first 工藝路線的探索中不斷嘗試使用玻璃面板替代玻璃晶圓，另一方面，玻璃面板的尺寸也在不斷增加，玻璃面板尺寸的變化如圖10 所示[24]。

圖10 玻璃面板尺寸的變化[24]

2017 年，KO 等人[36]使用聚合物薄膜作為臨時鍵合層，在玻璃面板上實現(xiàn)了芯片與UBM 結(jié)構(gòu)的Cu-Cu 鍵合，并且通過低能量的激光（功率為5 W）照射鍵合層，成功將薄膜與玻璃載體分離，玻璃面板激光解鍵合前后的效果如圖11 所示?？梢钥闯觯Ａ姘宓囊腼@著增加了面積使用率，最終解膠效果良好，低能量激光避免了對芯片的損傷。

2019 年，YANG 等人[37]在玻璃面板上通過RDLfirst 工藝進行布線并完成了低溫Cu-Cu 焊接，芯片與玻璃面板的結(jié)構(gòu)如圖12 所示，其焊接溫度僅為220 ℃，顯著降低了工藝成本并提高了可靠性。

圖12 芯片與玻璃面板的結(jié)構(gòu)[37]

5.3 優(yōu)化載片

在前文的介紹中，幾乎所有的實驗都使用玻璃作為載片完成RDL-first 工藝，然而，CTE 的不匹配以及激光燒蝕的過程嚴(yán)重限制了玻璃晶圓材料的選擇。因此，部分研究者嘗試使用其他材料替換玻璃晶圓作為載片[38-39]。

2017 年，TANG 等人[40]通過噴射氣流完成解膠，成功在Si 片上完成了RDL-first 工藝全流程。與激光燒蝕的過程不同，氣流解膠是在載片與布線層之間引入氣流，從而驅(qū)使兩者發(fā)生分離的解鍵合手段，圖13為氣流解膠過程示意圖，整個解膠過程在室溫下完成。由于Si 片的CTE 與金屬層更加匹配，這一工藝在降低成本的同時顯著減輕了翹曲。解膠完成后，TANG等人對封裝體進行了功能測試，結(jié)果表明，鈍化層、金屬層以及塑封料均保持外形完整，無明顯缺陷，電路功能未出現(xiàn)異常。

圖13 氣流解膠過程示意圖[40]

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，需要部分芯片具備可穿戴甚至是可植入的功能，因此柔性芯片也是當(dāng)前研究的熱點[41-46]。在RDL-first 工藝路線中，研究者們開始嘗試使用柔性載片完成封裝過程，最終實現(xiàn)了異質(zhì)芯片的同步柔性。2020 年，TAKAHASHI 等人[47]開發(fā)出一種基于水凝膠載片的RDL-first 工藝，金屬層使用Au 以確保良好的柔韌性，圖14 是柔性RDL-first 工藝示意圖。最終完成的封裝體在彎曲半徑為40 mm 時仍可以實現(xiàn)完整功能，該彎曲半徑已經(jīng)可以滿足絕大多數(shù)穿戴或植入式芯片的要求。該團隊還對芯片的生物兼容性、物質(zhì)滲透性以及疲勞壽命進行了測試，結(jié)果表明，該封裝手段可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)嵌入式電路的制備。

圖14 柔性RDL-first 工藝示意圖[47]

6 結(jié)束語

隨著芯片成本以及封裝難度的增加，RDL-first 工藝路線在先進封裝中的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，主要表現(xiàn)為：1）可以實現(xiàn)多層超高密度布線；2）具有更高的良率和更低的成本，更加適用于當(dāng)前的多芯片集成場景；3）可以實現(xiàn)柔性封裝。因此，盡管RDL-first 工藝的開發(fā)僅有十余年歷史，但研究者們在工藝路線優(yōu)化、材料選擇、翹曲控制等方面已經(jīng)進行了大量的實驗并取得了一系列成果。然而，對RDL-first 工藝在可靠性和穩(wěn)定性方面的研究目前還不充分，亟待研究者們進一步深入探索?？梢灶A(yù)見，隨著摩爾定律逐步達(dá)到極限，當(dāng)芯片的刻蝕尺度難以進一步縮小時，使用RDL-first 等先進封裝手段實現(xiàn)芯片互連將成為系統(tǒng)級集成的重要解決方案。