一种新型倒装工艺模块的封装技术分析研究

北京智芯半导体科技有限公司 林 杰 王文赫

在智能电网和智能芯片的推广和应用过程中，其智能卡模块的要求也在逐日提高。同时对智能卡模块的低成本和高可靠性的需求日益增加，采用新型的WLCSP封装技术对模块进行工艺封装也趋于主流。本文从WLCSP封装工艺方式，对比COB技术，从产品的加工成本，效率，可靠性等进行分析讨论。

芯片产业是信息产业的核心，是推动工业化和信息化融合的重要纽带。国家大力支持芯片产业发展，2006年1月国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，已将“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”（“核高基重大专项”）列为国家十六个科技重大专项之一。同时国家电网公司也大力推进芯片产业发展，国家电网公司2010年工作会议上明确提出要加快建设智能电网，全面提升电网各环节的智能化水平，要求尽快在电网智能化上实现突破。

在智能电网和智能芯片的推广和应用过程中，对其应用环节中主要一项智能卡模块的要求也在逐日提高。智能卡技术的发展是现代生活一个重要因素，智能卡应用范围已经涵盖了从生活到工业生产和消费的各个领域，我们的生活已经离不开智能卡。包括在电力行业中，无论是电网内部的购电卡，还是P-SAM/E-SAM卡，HF/UHF支付卡，银联购电卡等，都要依托于智能卡模块来进行实现。

国家发展的快速化，对电力的可靠性和运行效率要求也越来越高，中国电力企业和各种大型企业走向数字化、智能化的步伐越来越快。随着社会物质生活的极大丰富，对生活质量的要求也迅速提高，电力的需求也越来越大。故为保障行业的竞争力，对智能卡模块的低成本和高可靠性的需求日益增加。

本文从模块的WLCSP晶圆级封装技术进行分析讨论，同时与传统的COB封装工艺进行7816协议模块的对比，包括材料的特性，生产工艺流程，生产成本，过程工艺控制点等。

1 COB模块封装工艺

模块的COB封装工艺相对较为成熟和稳定，采用传统的晶圆减薄，晶圆切割，模块载带的芯片贴片，高温固化，金线键合bonding，plasma清洁，UV固化或黑胶固化，冲切分离。COB模块封装工艺如图1所示。

相对来说，这种封装工艺过程和流程较为复杂，全套加工过程涉及覆盖多道工艺环节，且每道工艺环节均为串行，无法实现并行，同时各环节加工时长较长。虽然整道工序涵盖的设备和工艺管控均在行业内较为稳定，但缺点如下：

（1）键合焊接采用金线融球工艺，成本较高，且需要工序前后plasma。

（2）载带常规使用FCI等进口载带，价格较为昂贵，且载带利用率较低，仅双排或四排，加工效率低。

（3）贴片需要逐一进行载带贴胶，固化，效率慢。

（4）模块需要进行UV点，固化，效率低。

（5）成品模块铳切模具冗余，分担工序较多。

通过以上的对比分析可以看出，在成熟工艺日益推广的基础上，已形成普推市场化，而在如此规划市场化的条件下，客户对模块本身的成本也在不断的要求下降，最终导致产品的加工销售成本也是缩减至分厘级别。同时因整个加工流程的繁琐复杂，导致整个产品生产加工过程中对人、机、物、法、环的管理工作负担重，直接影响工作效率并加大了管控难度。

图1 COB模块封装工艺

2 CSP模块工艺

2.1 WLCSP技术

WLCSP又称作晶圆级芯片封装，与传统普通COB技术不同，该技术是先晶圆上进行封测，再根据产品的应用和需求，进行独立分割或整片应用，包括Fan-in，Fan-out。因此晶圆级封测后的产品体积几乎等同于原有IC芯片的原尺寸。

晶圆级封测技术，融合流片和晶圆面积化制造技术工艺，不仅大幅度降低了成本，而且实现了与原始芯片表贴封装后相符合的形状，同时有效地降低了集成元器件的面积尺寸。

2.2 CSP封装产品特点

（1）产品面积小

晶圆级封装可实现与晶圆上裸芯片相同尺寸；

（2）I/O数量多

（3）电特性强

CSP可实现并集成更多的功能器件和，信号传输更快，提升电路的性能。

（4）散热性好

CSP产品厚度低，芯片工作温度可以实现高效散热，减少热功耗。

（5）重量小

因为尺寸和集成度高，在工业级航空、航天领域中，或者高密度集成产品产品中有较大优势。

（6）测试电路

因此，产生了由物流服务集成商、物流服务提供商构成的两级物流服务供应链，用于满足零售商面向客户的个性化、多样化的物流服务需求。由此形成了两级产品供应链与两级物流服务供应链的联动与融合，本文将重点研究两者联动的利益协调问题。

可在晶圆级进行封测验证，剔除筛选失效及衰减电路，保证电路稳定性。

2.3 CSP模块封装优势

采用WLCSP技术进行智能电网内的智能卡模块制造，无论是在模块的封装成本，还是封装周期流程，与传统的智能卡模块相比有着极高的优势。

封装成本：WLCSP工艺中芯片采用RDL+SOLDER是对整片WAFER的二次布线和植球，加工效率极高，而且采用成熟稳定的半导体贴装工艺。同时采用倒装工艺进行封装，取代COB传统焊线工艺，锡材质成本远低于金线成本。载板不是传统的进口FCI条带，而是采用整版载板进行贴装，成本低。

封装周期：WLCSP技术采用连体流水线作业模式，非传统模块生产的多工序，多固化时间等方式，整体的封装周期少。

载带利用率：WLCSP模块可使用基板和多复合载带，可根据机台的实际情况设计不同尺寸的载带或基板，相比原有条带载带大大提升了的生产效率。

可靠性：WLCSP技术的芯片粘结牢固程度高，避免了传统工艺贴片+包封的缺点，其可靠性均满足相关国标和企标标准。

综上所述，采用WCLSP技术的智能卡模块，在后期的电网相关产品的投入使用过程中，无论是模块的成本还是模块的交货周期等，均要优于传统的智能卡模块。同时CSP封装方式的模块，其尺寸体积上能够有效的减少，可以更多的搭配轻薄短小的产品，可容纳的市场会更多。可靠性的增强，也有利于电力产品在客户进行更好的推广和应用，更有利于电力市场的发展。

3 WLCSP模块生产工艺流程及介绍

WLCSP模块生产工艺流程如图2所示。

图2 WLCSP模块生产工艺流程图

4 WLCSP模块技术先进新

WLCSP技术将主要用于电表的购电卡，P/E-SAM卡，双界面卡，银联电力卡等领域，其成本优势将缩减至20%。

4.1 原材料成本降低

（1）传统载带为FCI法国进口，其来料成本较高。而CSP使用国产板，交货及时，原材料规模生产后有成本竞争力。

（2）使用锡代替金线实现导通，成本降低明显。

4.2 封装体积灵活

CSP封装方式的最大特点便是有效地缩减封装体积，故可搭配于符合可产品轻薄短小的特性需求，如4FF卡。

4.3 可靠性高

●芯片的粘结牢固程度高，避免了传统工艺贴片+包封的缺点。

●导通性能好，避免出现传统工艺的金线键合拉力问题。其数据传输路径。

●稳定性高：采用WLCSP封装时，由于电路布线的线路短且厚，故可有效增加数据传输的频寛减少电流耗损，也提升数据传输的稳定性。

●芯片工作时散热性能好。

●由于CSP少了传统密封的塑料或UV包装，故IC芯片运算时的热能便能有效发散，而不致增加过多的温度，热量可以直接从芯片的背面散出。

●允许的芯片减划厚度大，直接降低减划裂片风险，提高产品可靠性。

由于采用植球后的倒装工艺，省去了WB打线孤高和塑封等高度，故在对于模块整体厚度的可控范围较大，在芯片减划时能够增加部分厚度，以减少划片的失效风险。减划效果对芯片后期的电性能的影响已是众所周知了。

●产品的耐高温性能好。

相对于传统的模块，CSP工艺需要经过回流焊，且最高温度达到250℃，模块底部胶固化温度仅有125℃。

4.4 产品出货周期缩短

CSP工艺采用流水线作业模式，贴片后直接经回流焊和底部填充，不用经打线及包封固化等多道工艺，成品模块的出货周期快。

4.5 生产效率高

现有CSP生产线均采用成熟半导体封装技术，进口设备稳定可靠，贴装精度且生产效率高.载板采用整版生产，实际生产较之载带速度有所提升。

凸点芯片如图3所示，CSP模块如图4所示。

图3 凸点芯片

图4 CSP模块

结语：上所述，随着WLCSP技术的逐渐完善，晶圆级封装应用的逐渐深化，CSP模块的封装和技术优势也日益凸显。无论是整体的成本的降低，原材料控制，还是加工过程效率提升，产品的可靠性等级，均高于COB封装工艺模块，且传统COB工艺虽然行业成熟，但设备和管理水平参差不齐，容易出现波动性。故使用新型WLCSP技术生产CSP工艺模块已逐渐成为行业趋势，让我们拭目以待。