三维晶圆级扇出型封装产品采用了裸芯片重构圆片、晶圆级多层再布线、晶圆级微凸点制备、三维堆叠等新工艺，其工艺不同于传统平面键合和倒装焊封装，也不同于键合形式的堆叠封装。目前，国内尚未有明确适用的三维晶圆级扇出型封装产品的检验标准，器件的研制、生产和考核基本是依据企业详细规范执行，具体考核试验项目由用户单位和研制单位协商确定，考核与评价方法有待统一。

因此，亟需研究制定统一的三维晶圆级扇出型封装产品工艺与器件可靠性的评价方法，提高其整体可靠性水平。

一、三维晶圆级扇出型封装工艺可靠性评价

    三维晶圆级扇出型封装工艺由圆片重构工艺、晶圆级双面布线工艺、晶圆级微凸点制备工艺和三维堆叠等关键工艺组成。

（1）晶圆重构工艺

    裸芯片重构技术是实现晶圆级扇出型封装工艺的关键步骤。该技术通过特定方式将芯片模塑在树脂基体中，形成树脂基圆片。包含高精度装片、圆片级塑封等关键工艺技术。 

    通过工艺分析，多芯片圆片重构工艺的失效模式主要包括芯片偏移和圆片翘曲等，芯片位置偏移是由于压缩模塑工艺过程熔融树脂材料流动的不平衡作用力造成的，圆片翘曲是芯片与树脂材料的CTE 不匹配造成的。

（2）晶圆级双面布线工艺

    要实现多个封装体的三维堆叠，需要在封装体的双面都进行布线，并通过不同封装体的制备凸点进行焊接，从而完成上下封装体的信号互联。单层RDL 无法满足晶圆级扇出型三维封装集成结构的电信号传输需求，因此需采用多层 RDL 加工工艺。

    双面极多层再布线工艺的主要失效模式包括RDL 断裂和 RDL 与 PI 分层等，分层主要是由于树脂、IC 芯片和再布线的热膨胀系数不同而使得塑封体内部材料界面之间产生分层，RDL 断裂是由于外界机械冲击振动造成结构破坏。

（3）晶圆级微凸点制备工艺

微凸点结构作为堆叠芯片组上下层之间电气互联的传输媒介，起着至关重要的作用。

通过工艺分析，晶圆级微凸点的失效模式主要包括热疲劳和机械疲劳。随着时间的延续，焊点产生蠕变损伤，最终造成器件失效。

（4）三维堆叠工艺

三维堆叠工艺包括高精度贴装与回流工艺和堆叠芯片无空洞底部填充工艺。

    堆叠后的芯片模组与外壳或基板连接采用倒装焊工艺，芯片堆叠模组与外壳 / 基板采用一体化回流工艺方式，减少二次回流带来的焊球二次熔融风险。底部填充通常在上方芯片边缘位置进行点胶，胶液低落在下方芯片相齐平的相应位置，通过“虹吸效应”，底部填充料被吸入焊接的凸块区域，并逐渐蔓延至芯片其他侧边，从而实现底部填充。

通过工艺分析，三维堆叠工艺的失效模式主要包括焊点空洞、底部填充空洞等。

（5）关键工艺参数测试方法

根据上述研究，得到了三维晶圆级扇出型封装的关键工艺参数及测试方法，为后续国产器件的工艺鉴定考核提供了依据。

二、三维晶圆级扇出封装器件可靠性评价

结合三维晶圆级扇出型封装与传统结构器件的差异性分析，对《半导体集成电路通用规范》《合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范》《混合集成电路通用规范》《微电子器件试验方法和程序》等标准中的规定试验项目开展了适用性分析，得到重点差异如下 ： 

A 非破坏性键合拉力试验不适用

非破坏性键合拉力主要适用于引线键合形式的集成电路，对三维晶圆级扇出型封装器件不适用。

B 应采用工艺样件开展倒装结构质量测试

《微电子器件试验方法和程序》中规定应对下填料前的倒装片进行拉脱和剪切试验。 

在三维晶圆级扇出型封装中，仍普遍采用倒装结构，需考虑倒装片剪切和拉脱试验方法，

目前鉴定检验均是针对底部填充后的封装器件进行，底部填充后会导致应力过大而无法采用标准判据。

因此，应对开展底部填充工艺前的工艺样件开展试验，分别进行破坏性的倒装拉脱测试和剪切力测试，测试标准分别依据《微电子器件试验方法和程序》中方法 2031 倒装片拉脱 (下填料前) 条件 F和方法 2019 倒装焊芯片剪切 (下填料前)。

C 采用 3D X-RAY 进行内部结构分析

对三维晶圆级扇出型封装器件，传统的 X 射线试验无法反映其内部的立体形貌及相关缺陷，故应采用 CT 试验方法对三维晶圆级扇出型封装器件进行检验。

D 采用工艺样件开展微凸点质量测试

三维晶圆级扇出型封装采用微凸点结构，对于工艺样件的凸点共面性和凸点剪切强度的测试也应重 点考虑，采用剪切力测试仪对完成晶圆级植球的芯片表面焊球进行剪切强度测试，采用 AOI 设备对圆 片表面微凸点的共面性进行检测，考核微凸点质量。

E 对于温度循环、强加速稳态湿热等试验条件进行对比验证 

由于器件工艺对于温度的敏感性，重点开展温度循环 (1 000 次 ) 和 HAST 试验 (500 h) 的试验，验证目前国产工艺的稳定性，并在不同试验条件下进行对比分析。

三、可靠性评价验证

（1）工艺质量可靠性验证

选用的典型国产器件为三维扇出型两层堆叠Flash 芯片电路。

对于关键工艺参数，对选用的典型国产器件开展在线监测，进行产品的工艺质量验证，提升产品的可靠性。工艺参数均在合格范围内，国产工艺质量可控。

（2）器件质量可靠性验证

选择了温度循环 (1000次 )、强加速稳态湿热 (96 h)、高温—低气压、高温贮存、倒装片拉脱和剪切等易激发器件缺陷的试验，针对未做底部填充的工艺样件开展了试验验证。试验结果表明，国产器件在 1 000 次温度循环试验后发生了功能失效，对温度循环后失效的器件开展失效分析，CT 试验结果如图 8 所示，经分析，失效是由于工艺过程中未进行底部填充而发生了大量焊球热疲劳断裂导致的。在倒装剪切试验中，断裂面为焊球处，处于韧性断裂，断裂模式正常。

选择了温度循环 (1000 次 )、强加速稳态湿热 (500 h)、CT 内部检验、静电放电敏感度分级 (2000 V) 等易激发和发现器件缺陷的试验，针对底部填充的器件开展了试验验证。1 只器件在 CT 内部结构检验中，大量焊球出现了不明原因的规则性空洞，经初步判断为工艺过程中产生的缺陷。

                                                                                                   文章归原作者所有，转载仅为分享和学习使用，不做任何商业用途！内容如有侵权，请联系本部删除！