晶圆级芯片尺寸封装技术发展历程

初期发展与概念引入

晶圆级芯片尺寸封装（Wafer-Level Chip Scale Packaging, WLCSP）技术作为一种先进的封装形式，其发展历程可以追溯到20世纪末和21世纪初。随着半导体行业对高性能、低功耗、小尺寸等需求的不断提升，传统的封装技术已经无法满足这些需求，因此晶圆级封装技术应运而生。WLCSP技术通过在晶圆级别进行封装，实现了更高的集成度、较低的功耗和较小的尺寸，从而在高性能计算、移动通信等领域得到了广泛应用。

技术成熟与市场应用

进入21世纪，WLCSP技术逐渐成熟，并开始在市场中得到广泛应用。根据市场分析报告，从2018年到2024年，先进封装市场的复合年增长率（CAGR）达到了8%，市场规模在2023年预计达到400亿美元。其中，WLCSP作为一类先进封装技术，符合消费电子发展的需求和趋势，如产品的轻小短薄化和低价化。WLCSP封装与传统封装相比，其主要优势体现在优化了封装产业链，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本。

技术挑战与未来发展

尽管WLCSP技术在很多方面具有显著的优势，但在实际应用中仍面临一些技术挑战。例如，随着尺寸的缩小，对晶圆的平整度和缺陷控制要求更高；高集成度使得芯片内部的热管理和信号传输更为复杂。此外，由于WLCSP技术相对较新，行业内对于这一技术的经验和技术积累相对较少，这也给WLCSP的推广和应用带来了一定的挑战。然而，随着封装技术的不断发展，我们有理由相信，WLCSP技术将在各个领域取得更多突破，进一步推动半导体行业的繁荣发展。

一、晶圆级芯片尺寸封装技术的起源

晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）技术是一种先进的电子封装技术。它的起源与半导体行业的发展需求密切相关。

在传统的芯片封装技术中，是先将晶圆切割成单个芯片，然后再对每个芯片进行封装，这种方式存在一些局限性，例如封装后的体积较大、生产效率相对较低、成本较高等问题。随着电子产品不断朝着轻薄短小、高性能和低成本的方向发展，传统封装技术逐渐难以满足需求。

晶圆级芯片尺寸封装技术源自于倒装芯片技术。倒装芯片技术为晶圆级封装提供了一定的技术基础，它改变了芯片与封装基板之间的连接方式，使得芯片与基板之间的电气连接更加紧密和高效。晶圆级封装技术的开发主要是由集成器件制造厂家（IBM）率先启动的。

早期的晶圆级封装技术的应用领域相对较窄，主要是一些对封装尺寸和成本较为敏感的低速I/O（输入/输出）、低速晶体管元器件制造，如无源的片上感应器和功率传输ICs等。这些早期应用为晶圆级封装技术的进一步发展积累了经验和技术基础。同时，随着技术的发展，晶圆尺寸不断增大，从直径4、6、8英寸增加到12英寸，这也为晶圆级封装技术的发展提供了有利条件，因为晶圆尺寸的增加意味着每个晶圆上可以容纳更多的芯片，从而在晶圆级进行封装时能够进一步降低成本。

二、晶圆级芯片尺寸封装技术的发展阶段

1. 萌芽阶段

• 晶圆级封装（WLP）最初萌芽于对移动电话中的一些低速I/O、低速晶体管元器件的封装需求，像无源的片上感应器和功率传输ICs等的封装带动了这一技术的初步发展。在这个阶段，WLP技术还处于探索和尝试阶段，技术体系尚未完全成熟，应用范围也比较有限，主要是一些特定的、对封装要求不是非常高的元器件封装。例如，在一些早期的移动电话中，某些简单的功能芯片开始尝试采用晶圆级封装技术，以降低封装成本和减小封装体积，但封装的性能和可靠性还有待提高。

2. 初步发展阶段

• 随着蓝牙、GPS（全球定位系统）元器件以及声卡等应用的推动，晶圆级封装技术需求逐步增长。在这个阶段，技术开始逐渐成熟，更多的元器件制造商开始关注和采用这一技术。例如，在蓝牙设备中，晶圆级封装技术使得蓝牙芯片的封装尺寸更小，更适合集成到小型化的蓝牙设备中，提高了蓝牙设备的便携性和性能。同时，在GPS设备中，晶圆级封装技术也有助于减小GPS芯片的封装体积，降低功耗，提高定位精度。

• 这个时期，存储器件制造商开始逐步实施WLP技术，这对整个行业产生了重要的推动作用。存储器件对封装技术的要求较高，包括封装尺寸、成本、数据传输速度等方面。晶圆级封装技术在存储器件中的应用，标志着这一技术在高性能和高要求的元器件封装方面取得了重要进展。例如，在闪存芯片的封装中，晶圆级封装技术能够提高闪存芯片的数据传输速度，降低封装成本，并且能够适应闪存芯片不断提高的存储密度需求。

3. 快速发展阶段

• 目前，晶圆级封装技术已广泛用于闪速存储器、EEPROM、高速DRAM、SRAM、LCD驱动器、射频器件、逻辑器件、电源/电池管理器件和模拟器件（稳压器、温度传感器、控制器、运算放大器、功率放大器）等领域。在这些领域中，晶圆级封装技术不断发展和创新，以满足不同器件的封装需求。

• 例如，在逻辑器件封装方面，晶圆级封装技术通过优化重布线层（RDL）等工艺，提高了逻辑器件的集成度和性能。在射频器件封装中，晶圆级封装技术能够有效减小射频信号的传输损耗，提高射频器件的工作频率和效率。同时，随着电子产品不断升级换代，智能手机、5G、AI等新兴市场对封装技术提出了更高要求，使得晶圆级封装技术朝着高维度、超细节距互连等方向发展。在智能手机中，晶圆级封装技术使得手机芯片的封装尺寸更小、性能更高，能够满足智能手机轻薄化、高性能化的需求；在5G通信设备中，晶圆级封装技术有助于提高5G芯片的高频性能和数据传输速度；在AI芯片封装中，晶圆级封装技术能够提高AI芯片的运算速度和能效比，为人工智能应用提供更强大的计算能力支持。

三、晶圆级芯片尺寸封装技术的重要突破

1. 工艺技术方面的突破

• 重布线层（RDL）技术的发展：重布线层是晶圆级芯片尺寸封装中的关键技术之一。早期的RDL技术存在布线密度低、线路长度较长等问题。随着技术的发展，RDL的布线密度不断提高，能够在更小的芯片面积上实现更多的电路连接。例如，在一些先进的晶圆级封装中，RDL的线宽和线间距可以达到非常小的尺寸，如几微米甚至更小。这使得芯片与外部电路之间的连接更加高效，减少了信号传输延迟，提高了芯片的性能。同时，RDL技术的改进也使得芯片的I/O布局更加灵活，可以根据实际需求进行优化，例如将I/O从芯片边缘扩展到整个芯片表面，提高了单位面积的连接密度。

• 凸点制作技术的进步：晶圆级芯片尺寸封装中的凸点用于实现芯片与封装基板或电路板之间的电气连接。早期的凸点制作技术在凸点的高度、形状、间距等方面存在一定的局限性。随着技术的发展，凸点制作技术取得了重要突破。例如，在先进的晶圆级封装中，采用了铜柱凸块、锡凸块等技术。铜柱凸块具有较高的导电性和良好的机械性能，能够承受更高的电流密度，适用于高性能芯片的封装。锡凸块技术则具有成本低、工艺简单等优点。这些凸点制作技术的进步，使得芯片与基板之间的电气连接更加可靠，提高了封装的整体性能。

2. 封装结构方面的突破

• 扇出型（Fan - Out）封装结构的出现：传统的晶圆级封装结构在某些方面存在局限性，例如对于芯片尺寸较大或I/O数量较多的情况，封装效率和性能可能会受到影响。扇出型封装结构的出现是一个重要突破。在扇出型封装中，通过将芯片从晶圆上切割下来，倒置粘在载板上形成重组晶圆，然后在重组晶圆上进行曝光长RDL等工艺，可以将I/O引出到芯片外部，从而解决了传统封装结构中I/O布局受限的问题。扇出型封装结构可以根据工艺过程分为芯片先上（Die First）和芯片后上（Die Last）工艺。芯片先上工艺是先放置芯片再进行布线，而芯片后上工艺是先进行布线，测试合格的单元再放置芯片。芯片后上工艺的优点是可以提高合格芯片的利用率，提高良品率，但工艺相对复杂。扇出型封装结构的出现，使得晶圆级芯片尺寸封装技术能够适应更多类型的芯片封装需求，提高了封装的灵活性和性能。

• 3D封装技术与晶圆级封装的结合：3D封装技术是将多个芯片在垂直方向上进行堆叠封装，以提高芯片的集成度和性能。晶圆级封装技术与3D封装技术的结合是一个重要的发展方向。通过将晶圆级封装技术应用于3D封装中的单个芯片封装，可以提高每个芯片的封装效率和性能，然后再将这些封装好的芯片进行3D堆叠。这种结合方式可以在更小的封装体积内实现更高的芯片集成度，提高了系统的性能和功能密度。例如，在一些高端的图像传感器或处理器的封装中，采用了3D封装与晶圆级封装相结合的技术，使得图像传感器或处理器的性能得到了显著提升，同时封装体积大大减小。

3. 材料方面的突破

• 新型聚合物材料的应用：在晶圆级芯片尺寸封装中，聚合物材料被广泛应用于钝化层、缓冲层、平坦化层等方面。随着技术的发展，新型的聚合物材料不断被开发和应用。例如，一些具有更好的热性能、机械性能和化学稳定性的光敏聚酰亚胺（PI）、苯并环丁烯（BCB）、聚苯并恶唑（PBO）等聚合物材料被应用于封装工艺中。这些新型材料能够提高芯片的可靠性，例如在高温、高湿度等恶劣环境下，能够更好地保护芯片免受外界环境的影响。同时，新型聚合物材料的应用也有助于提高封装工艺的效率，例如在光刻工艺中，某些新型聚合物材料具有更好的光刻性能，能够实现更高分辨率的图案化。

• 无铅焊料的应用：传统的焊料中含有铅等有害物质，随着环保要求的提高，无铅焊料在晶圆级芯片尺寸封装中的应用成为一个重要突破。无铅焊料如Sn96.5Ag3Cu0.5等合金被广泛应用于芯片的焊接过程中。无铅焊料的应用不仅满足了环保要求，而且在焊接性能方面也取得了一定的进步。例如，无铅焊料的熔点、润湿性等特性经过不断优化，能够实现与传统含铅焊料相当甚至更好的焊接效果，保证了芯片与基板之间的可靠电气连接。

四、晶圆级芯片尺寸封装技术的现状与未来趋势

1. 现状

• 广泛的应用领域：目前，晶圆级芯片尺寸封装技术在众多领域得到了广泛应用。在消费电子领域，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等设备中，晶圆级封装技术是芯片封装的主流技术之一。例如，在智能手机的处理器、基带芯片、图像传感器等芯片的封装中，晶圆级封装技术能够满足手机对芯片封装尺寸小、性能高、功耗低的要求。在汽车电子领域，随着汽车智能化、电动化的发展，晶圆级封装技术也被广泛应用于汽车的发动机控制单元、车载娱乐系统、自动驾驶芯片等的封装。在工业控制领域，晶圆级封装技术用于各种工业控制器、传感器等芯片的封装，提高了工业设备的可靠性和性能。

• 技术的成熟与改进：晶圆级芯片尺寸封装技术在工艺、结构和材料等方面已经相对成熟。在工艺方面，如前面提到的重布线层（RDL）工艺、凸点制作工艺等已经能够实现高精度、高效率的生产。在结构方面，扇入式（Fan - In）和扇出式（Fan - Out）等封装结构已经被广泛应用，并且不断优化。在材料方面，新型的聚合物材料、无铅焊料等的应用也提高了封装的性能和可靠性。然而，目前仍然存在一些挑战，例如在封装尺寸不断缩小的情况下，对晶圆的平整度和缺陷控制要求更高；高集成度使得芯片内部的热管理和信号传输更为复杂；行业内对于这一技术的经验和技术积累相对传统封装技术仍然较少，需要进一步加强技术研发和人才培养。

2. 未来趋势

• 更高的集成度：随着电子产品的不断发展，对芯片的集成度要求越来越高。晶圆级芯片尺寸封装技术将朝着更高集成度的方向发展，例如进一步减小芯片尺寸、布线长度、焊球间距等。通过提高集成度，可以在更小的封装体积内实现更多的功能，提高集成电路的集成度、处理器的速度等，降低功耗，提高可靠性。这将有助于满足未来智能手机、可穿戴设备、物联网设备等对芯片高性能、低功耗、小尺寸的需求。

• 与其他先进技术的融合：晶圆级芯片尺寸封装技术将与其他先进技术进一步融合。例如，与硅通孔（TSV）技术的融合将更加深入。硅通孔技术是一种实现芯片垂直互连的技术，通过在芯片上制作微小的通孔，实现不同芯片层之间的电气连接。晶圆级芯片尺寸封装技术与硅通孔技术的融合，可以实现更高级别的3D封装，提高芯片的集成度和性能。此外，晶圆级芯片尺寸封装技术还将与新兴的量子芯片、光子芯片等技术相结合，为这些新型芯片的封装提供解决方案。

• 成本的进一步降低：在市场竞争日益激烈的情况下，降低成本是晶圆级芯片尺寸封装技术的一个重要发展趋势。一方面，通过不断优化工艺，减少工艺步骤和材料消耗，降低生产成本。例如，通过减少WLCSP的层数降低工艺成本，缩短工艺时间，主要针对I/O少、芯片尺寸小的产品。另一方面，随着技术的普及和规模效应的显现，单位封装成本也将逐渐降低。这将有助于晶圆级芯片尺寸封装技术在更多领域得到应用，进一步扩大市场份额。

五、晶圆级芯片尺寸封装技术发展的影响因素

1. 市场需求的驱动

• 消费电子市场的需求：消费电子市场是晶圆级芯片尺寸封装技术发展的主要驱动力之一。随着消费者对电子产品的轻薄短小、高性能、多功能等需求的不断提高，传统的封装技术已经难以满足要求。例如，智能手机的发展趋势是屏幕越来越大，机身越来越薄，同时还需要具备高性能的处理器、大容量的存储、高像素的摄像头等功能。晶圆级芯片尺寸封装技术能够满足智能手机对芯片封装尺寸小、性能高、功耗低的需求，因此在智能手机市场得到了广泛应用。类似地，平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备等消费电子产品也对芯片封装技术提出了类似的要求，推动了晶圆级芯片尺寸封装技术的发展。

• 汽车电子市场的需求：汽车电子市场的快速发展也对晶圆级芯片尺寸封装技术产生了重要影响。随着汽车向智能化、电动化、网联化方向发展，汽车中的电子设备数量不断增加，对芯片的需求也日益增长。例如，自动驾驶汽车需要高性能的计算芯片来处理大量的传感器数据，电动汽车需要高效的电源管理芯片来控制电池充放电。晶圆级芯片尺寸封装技术能够满足汽车电子对芯片可靠性、耐高温、抗震动等特殊要求，同时也能够减小芯片封装体积，提高汽车电子系统的集成度，因此在汽车电子市场具有广阔的应用前景。

• 工业控制和物联网市场的需求：在工业控制领域，随着工业自动化程度的提高，对工业控制器、传感器等芯片的性能和可靠性要求不断提升。晶圆级芯片尺寸封装技术能够提高芯片的性能和可靠性，满足工业控制的需求。在物联网领域，大量的物联网设备需要低功耗、小尺寸、高性能的芯片。晶圆级芯片尺寸封装技术正好符合物联网设备的这些需求，能够为物联网芯片的封装提供理想的解决方案。

2. 技术竞争的压力

• 与传统封装技术的竞争：虽然晶圆级芯片尺寸封装技术具有诸多优势，但传统封装技术在一些特定领域仍然具有竞争力。例如，在功率器件、光电器件等领域，传统封装技术由于其结构和连接方式的特点，能够更好地满足这些器件的特殊要求。因此，晶圆级芯片尺寸封装技术需要不断发展和创新，以提高自身的性能和竞争力，逐步挤占传统封装技术的市场份额。例如，在功率器件封装方面，传统封装技术在散热性能方面可能具有优势，晶圆级芯片尺寸封装技术就需要在提高散热性能方面进行改进，如采用新型的散热材料或优化封装结构等。

• 与其他先进封装技术的竞争：在先进封装技术领域，除了晶圆级芯片尺寸封装技术外，还有3D封装、倒装芯片封装等其他先进封装技术。这些技术在不同的方面具有各自的优势。例如，3D封装技术在提高芯片集成度方面具有独特的优势，倒装芯片封装技术在电气连接性能方面表现出色。晶圆级芯片尺寸封装技术需要与这些先进封装技术竞争，不断发展自身的特色和优势，如在降低成本、提高生产效率等方面进行优化，以在先进封装市场中占据一席之地。

3. 技术研发的投入

• 企业研发投入：晶圆级芯片尺寸封装技术的发展离不开企业的研发投入。许多大型的半导体企业，如英特尔、台积电、三星等，都在晶圆级芯片尺寸封装技术方面投入了大量的资金和人力进行研发。这些企业通过研发新的工艺、结构和材料，不断推动晶圆级芯片尺寸封装技术的发展。例如，台积电在研究一种新的先进芯片封装方法，使用矩形基板，而不是传统圆形晶圆，其尺寸达到510mmx515mm，这一创新设计使得基板的可用面积较圆形晶圆大幅提升，高达三倍以上，可放更多芯片。这种研发投入有助于企业在技术上保持领先地位，提高市场竞争力。

• 产学研合作研发：除了企业自身的研发投入外，产学研合作也是晶圆级芯片尺寸封装技术发展的重要途径。高校和科研机构在基础研究和前沿技术研究方面具有优势，企业在产业化和市场应用方面具有经验。通过产学研合作，可以将高校和科研机构的研究成果快速转化为实际的产品和技术。例如，一些高校和科研机构在新型封装材料、先进的封装工艺等方面进行研究，与企业合作将这些研究成果应用于晶圆级芯片尺寸封装技术的生产实践中，推动了技术的发展。

六、晶圆级芯片尺寸封装技术在不同领域的应用与发展

1. 消费电子领域

• 智能手机：在智能手机中，晶圆级芯片尺寸封装技术是不可或缺的。智能手机的处理器芯片采用晶圆级封装技术，可以在保持高性能的同时，大大减小芯片的封装尺寸，从而为手机内部其他部件留出更多的空间。例如，苹果、三星等品牌的智能手机处理器大多采用了晶圆级封装技术。此外，智能手机中的图像传感器、基带芯片等也广泛采用晶圆级封装技术。图像传感器采用晶圆级封装技术能够提高图像的质量和传输速度，基带芯片采用晶圆级封装技术可以提高数据处理能力和通信性能。

• 平板电脑和笔记本电脑：在平板电脑和笔记本电脑中，晶圆级芯片尺寸封装技术也得到了广泛应用。对于平板电脑和笔记本电脑中的处理器、芯片组等核心部件，晶圆级封装技术

综上所述，晶圆级芯片尺寸封装技术自引入以来，经历了从概念提出到技术成熟再到市场广泛应用的发展历程。虽然在实际应用中仍面临一些技术挑战，但其在高性能计算、移动通信等领域的广泛应用前景广阔。随着技术的不断进步和创新，WLCSP技术有望在未来取得更多突破，继续推动半导体行业的繁荣发展。

芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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