晶圓級封裝中的窄間距RDL技術

上篇文章提到用于 IC 封裝的再分布層(RDL)技術Redistribution layer, RDL 的基本概念是將 I/O 焊盤的位置分配到芯片的其他位置，即用RDL轉接到錫球焊接的著陸焊盤位置，如下圖所示：

以下一種或多種情況可能需要這樣做：

a) I/O 焊盤可能太小或太緊而無法放置可靠的焊接連接;

b) I/O 焊盤可能需要放置在更靠近芯片中心的位置以減少熱應力;

c) 其他幾何要求（如將非對稱 I/O 布局轉換為對稱焊盤布局）可能需要 RDL。

RDL 的基本制造流程非常簡單，包括：

a） 創建嵌入 PI 材料中的銅引線，以將 I/O 焊盤重新布線到其著陸焊盤位置，這里主要有三步：

1）在晶圓表面頂部形成第一介電（永久）層，該層僅在 I/O 焊盤上方打開。通常，使用聚合物薄膜，例如BCB或聚酰亞胺(PI)作為絕緣體。

2）創建從 I/O 焊盤到著陸焊盤的銅引線。這將需要創建一個種子層，通常是TiW和Cu，通過臨時光刻膠創建“電鍍模板”，然后電化學沉積（ECD）銅引線，最后剝離光刻膠并蝕刻種子層。

3）創建第二個介電層。該層用于保護裸露的銅免受腐蝕，并定義著陸焊盤。

b） 在著陸焊盤頂部創建微凸塊(ubump, UBM)，以創建與焊料的可靠連接，通常使用各種金屬和這些金屬的堆疊，如 Ti、Cu、Ni、Pd、Ag、Au、它主要作為焊料向金屬再分布層的擴散阻擋金屬。這些金屬可以通過ECD或濺射產生。無論哪種方式，都需要通過臨時光刻膠創建“電鍍模板”或“蝕刻模板”;

c） 最后，將可焊接金屬放在 UBM 頂部?？珊附咏饘?，如 SnAgCu、AuSn、PbSn，可以在 UBM 頂部形成。這可以通過 ECD 或焊球(Ball drop，BG)來完成。

窄間距RDL（Redistribution Layer）技術是一種在集成電路封裝中常用的技術，用于實現芯片與封裝之間的連接。RDL層通常由金屬線構成，其主要功能是將芯片上的信號和電源引腳布線映射到封裝上的引腳，以滿足高密度、高性能應用的需求。

窄間距RDL技術的特點是在芯片和封裝之間采用了非常小的間隔距離進行布線，可以實現更高的引腳密度和較短的電信號傳輸路徑，從而提高了電路性能和可靠性。

窄間距RDL技術主要包括以下幾個方面的關鍵技術：

1. 多層金屬線：通過在RDL層中使用多層金屬線，可以實現更多的引腳布線和更高的信號密度。
2. 超細線寬和間距：采用先進的制造工藝，使得RDL層的金屬線寬度和間距可以達到亞微米級別，從而實現更高的集成度。
3. 低介電常數材料：選擇低介電常數的材料作為RDL層的絕緣材料，可以減小信號傳輸的延遲和損耗，提高電路性能。
4. 高密度布線規則：通過優化布線規則和算法，實現更高的引腳密度和更緊湊的布線結構，使得整個系統的功耗、面積和性能得到優化。

下圖顯示了窄間距RDL的橫截面示意圖：

有三種不同的方案可以實現窄間距RDL，并且UBM之前工藝和標準流程相同，在UBM之前完成的工藝截面圖如下圖所示：

1）Cu BUM & 錫球焊

按照與前面介紹類似的工藝流程創建Cu UBM，通過成錫球陣列焊或錫球噴射在其上焊錫球都可行。錫球焊，如下圖所示，無論是單獨完成（滾珠噴射）還是在傳質過程中完成，都被稱為實現緊密間距的可靠和快速過程。使用錫球焊的另一個好處是，幾乎任何可以形成焊球的金屬，包括三元金屬；

2） Cu UBM & 化學鍍NiAu & 錫球焊

在Cu UBM頂部沉積化學鍍的NiAu，首先要對Cu UBM表面進行預處理。首先，氧化銅被銅蝕刻劑去除，并沉積一層薄薄的鈀 （Pd） 種子層。然后，Cu UBM化學鍍上一層Ni（自催化），然后通過氧化還原反應機制浸入Au。

隨著化學鍍鎳在橫向以及高度或厚度上的生長，原來的Cu UBM直徑會略有擴大，UBM直徑的擴大可以估計為鎳高度的2倍。這為滿足回流焊后所需的焊球高度提供了一定的靈活性。通過控制 Ni 厚度來調整化學鍍 Ni 直徑，可以創建不同的 UBM 直徑，從而影響焊接高度。完成化學鍍 NiAu 表面處理后，使用相同的方法將助焊劑和焊球放置在 UBM 頂部，即 GBP 或焊料噴射。

與1)相比，方案2）中的Cu UBM覆蓋有NiAu層，并為Cu UBM提供了防腐蝕保護的額外好處，如下圖所示：

3）Cu柱 & SnAg cap

在焊盤的頂部創建帶有錫銀（SnAg cap）蓋帽的銅柱，如下圖所示。其中Cu柱和SnAg帽是在同一電鍍工具中通過電鍍工藝完成的。使用此方案，可以省略化學鍍 NiAu 和錫球焊的過程。此方案也適用于相對較小的銅柱直徑和小間距應用，且需要更厚的臨時光刻膠，因為整體柱的高度可達 100 μm。

該方案的缺點是焊料合金選擇的限制。SnAg合金中的Ag百分比通常通過改變SnAg電解液中的Ag濃度或SnAg鍍層電流密度將其控制在1.5%至2.5%的范圍內。

窄間距RDL技術在高性能芯片封裝中起著重要的作用，它可以支持更高的帶寬、更低的延遲和更高的集成度。這些特點使得窄間距RDL技術在高速通信、人工智能、云計算等領域得到廣泛應用。