晶圆级封装：电子制造领域微型化与高性能的核心实现方式

在电子制造行业朝着微型化、高性能、高集成度方向不断迈进的过程中，封装技术作为连接芯片与外部电路的关键环节，其重要性日益凸显。而晶圆级封装（Wafer-Level Packaging，简称 WLP）凭借独特的工艺特点和卓越的性能表现，成为众多高端电子设备实现小型化与高效能运行的核心技术之一。与传统封装先切割晶圆再对单个芯片进行封装的流程不同，晶圆级封装直接在未切割的整片晶圆上完成封装工序，最后再进行晶圆切割得到单个封装好的器件，这种颠覆性的工艺顺序，从根本上改变了传统封装的局限，为电子器件的性能提升和尺寸缩减提供了全新的解决方案。

晶圆级封装自诞生以来，经过多年的技术迭代，已形成了成熟的技术体系和广泛的应用场景。它不仅能够有效减小封装尺寸，使封装后的器件面积与芯片面积接近（即封装尺寸接近芯片尺寸，简称 Chip-Scale Packaging，CSP 的一种高阶形式），还能通过优化互联结构降低信号传输损耗，提升器件的电学性能和热性能，同时大规模的晶圆级生产模式也有助于降低单位封装成本，因此在智能手机、平板电脑、可穿戴设备、汽车电子、物联网传感器等领域得到了大量应用。

一、晶圆级封装的核心定义与关键特征

1.1 核心定义

晶圆级封装是一种在晶圆制造完成后，不进行单个芯片切割，而是直接在整片晶圆上开展封装工艺（包括互联结构制作、保护层沉积、焊球植球等），待所有封装工序完成后，再通过切割技术将晶圆分割为单个独立封装器件的先进封装技术。其本质是将传统封装中 “先切割后封装” 的流程倒置，实现了封装工艺与晶圆制造工艺的更紧密融合。

1.2 关键特征

• 尺寸微型化：由于封装工艺直接在晶圆上进行，无需为单个芯片额外预留较大的封装空间，封装后的器件尺寸与芯片本身尺寸非常接近，通常封装面积与芯片面积的比值（封装系数）可达到 1.2 以下，部分先进方案甚至能接近 1，极大程度减小了电子设备的整体体积，满足了微型化设备的需求。
• 性能高效化：晶圆级封装采用短距离的互联结构（如铜互连、微凸点等），缩短了信号传输路径，降低了信号延迟和传输损耗，同时减少了寄生电容和寄生电感，有效提升了器件的电学性能，如数据传输速率、高频特性等。此外，更紧凑的结构也有利于热量的快速传导和散发，改善了器件的热性能，提高了设备的稳定性和可靠性。
• 成本可控化：采用整片晶圆进行批量封装加工，相比传统单个芯片逐一封装的方式，大幅提高了生产效率，降低了单位器件的加工成本。同时，晶圆级封装工艺可与部分晶圆制造工艺兼容，减少了工艺环节的切换成本，进一步提升了成本优势。
• 集成度提升潜力：晶圆级封装不仅可用于单个芯片的封装，还能通过晶圆键合、异质集成等技术，将不同功能、不同材质的芯片（如逻辑芯片、存储芯片、射频芯片、传感器芯片等）在晶圆级别进行集成，形成系统级封装（SiP），实现更高的功能集成度，满足复杂电子系统的需求。

二、晶圆级封装的主要技术分类

根据互联方式、封装结构以及应用场景的不同，晶圆级封装可分为多种技术类型，以下是目前应用较为广泛的几类主流技术：

2.1 基于互联方式的分类

2.1.1 凸点下金属化（Under Bump Metallization，UBM）晶圆级封装

这是晶圆级封装中最基础且应用最广泛的技术类型之一。其核心流程是在晶圆上的芯片焊盘处制作 UBM 层，UBM 层通常由多层金属（如钛、铜、镍、金等）组成，起到连接芯片焊盘与外部互联结构（如焊球、凸点）的作用，同时保护芯片表面金属层，防止氧化和腐蚀。随后在 UBM 层上制作金属凸点（如焊球、微凸点），实现芯片与印刷电路板（PCB）或其他封装载体的电气连接。这种技术工艺成熟，成本较低，适用于中低端到中高端的各类芯片，如电源管理芯片、射频芯片、图像传感器芯片等。

2.1.2 硅通孔（Through-Silicon Via，TSV）晶圆级封装

TSV 技术是晶圆级封装中的高端技术类型，其核心是在晶圆或芯片中制作垂直贯穿硅衬底的导电通孔（TSV），通过 TSV 实现芯片正反面的电气互联，或实现多个晶圆 / 芯片之间的堆叠互联。TSV 晶圆级封装能够最大程度缩短互联路径，进一步提升器件的电学性能和集成度，同时实现芯片的 3D 堆叠，大幅减小封装体积。根据 TSV 制作工艺的不同，又可分为先通孔（Via-First）、中通孔（Via-Middle）和后通孔（Via-Last）三种类型，分别适用于不同的芯片制造流程和性能需求。该技术主要应用于高性能计算芯片、高端存储芯片（如 DRAM 堆叠封装）、图像传感器（如 CMOS 图像传感器的背照式封装）等领域。

2.2 基于封装结构的分类

2.2.1 扇入型晶圆级封装（Fan-In Wafer-Level Packaging，FIWLP）

扇入型晶圆级封装的核心特点是芯片的输入 / 输出（I/O）引脚全部布置在芯片本身的区域范围内，即互联结构（如凸点）仅分布在芯片的有效区域内，不超出芯片边界。由于 I/O 引脚数量受芯片面积限制，扇入型晶圆级封装通常适用于 I/O 引脚数量较少（一般在数百个以下）的芯片，如射频芯片、电源管理芯片、小型传感器芯片等。其优势在于结构简单、封装尺寸小、成本较低，且工艺成熟度高。

2.2.2 扇出型晶圆级封装（Fan-Out Wafer-Level Packaging，FOWLP）

与扇入型不同，扇出型晶圆级封装将芯片的 I/O 引脚延伸到芯片边界之外的区域，即通过在晶圆上制作重新分布层（Redistribution Layer，RDL），将芯片焊盘的信号引导到芯片周围的封装区域，再在这些延伸区域制作焊球或凸点。这种结构突破了芯片面积对 I/O 引脚数量的限制，可实现更多的 I/O 引脚（可达到数千个），同时还能在封装区域内集成无源元件（如电阻、电容、电感），进一步提升封装的集成度。扇出型晶圆级封装又可分为无芯扇出封装（Chip-Free Fan-Out）和有芯扇出封装（Chip-In Fan-Out），前者主要用于集成无源元件，后者则用于芯片封装。该技术适用于 I/O 引脚数量较多的芯片，如应用处理器、高端微控制器、汽车电子芯片等。

三、晶圆级封装的关键工艺环节

晶圆级封装的工艺流程复杂且精密，涉及多个关键环节，每个环节的工艺质量直接影响最终封装器件的性能和可靠性，以下是主要的关键工艺环节：

3.1 晶圆预处理工艺

在进行封装工艺前，需要对晶圆进行预处理，确保晶圆表面符合封装工艺要求。主要包括以下步骤：

• 晶圆清洗：采用化学清洗（如使用酸性或碱性清洗剂）和物理清洗（如超声波清洗）相结合的方式，去除晶圆表面的杂质、污染物、氧化层等，保证晶圆表面的洁净度，避免后续工艺中出现缺陷。
• 晶圆减薄（可选，根据需求）：对于部分需要薄型封装或 TSV 封装的场景，需要对晶圆进行减薄处理。通过机械研磨、化学机械抛光（CMP）等工艺，将晶圆的厚度从原始的数百微米减薄至几十微米（如 50μm-100μm），以满足封装尺寸和互联需求，同时也有利于热量传导。
• 晶圆划片道处理：对晶圆上的划片道（用于后续切割的区域）进行处理，去除划片道内的残留物质，确保划片道的宽度和平整度符合切割工艺要求，避免切割时对芯片造成损伤。

3.2 重新分布层（RDL）制作工艺

重新分布层是晶圆级封装中实现芯片焊盘信号引导和互联的关键结构，尤其在扇出型晶圆级封装中不可或缺。其制作工艺主要基于半导体制造中的光刻、镀膜和蚀刻技术，具体流程如下：

• 底层介质层沉积：在晶圆表面沉积一层绝缘介质材料（如聚酰亚胺、苯并环丁烯（BCB）、二氧化硅等），作为 RDL 的底层绝缘层，防止 RDL 与晶圆表面其他结构发生短路。
• 光刻与显影：在介质层表面涂覆光刻胶，通过光刻曝光将 RDL 的图形转移到光刻胶上，再经过显影工艺去除未曝光的光刻胶，形成光刻胶图形窗口，露出需要制作金属线路的区域。
• 金属沉积：采用物理气相沉积（PVD，如溅射）或化学气相沉积（CVD）等技术，在光刻胶图形窗口内和介质层表面沉积金属层（常用材料为铜、铝、金等），形成 RDL 的金属线路。
• 蚀刻与光刻胶去除：通过蚀刻工艺（如干法蚀刻、湿法蚀刻）去除多余的金属层，仅保留光刻胶窗口内的金属线路，然后去除残留的光刻胶，完成一层 RDL 的制作。根据需要，可重复上述步骤制作多层 RDL，以实现更复杂的信号互联。

3.3 凸点下金属化（UBM）与凸点制作工艺

UBM 和凸点是实现封装器件与外部载体（如 PCB）电气连接的关键结构，其工艺质量直接影响互联的可靠性。

• UBM 制作：UBM 通常采用多层金属结构，以确保良好的导电性、附着力和耐腐蚀性。常见的 UBM 结构包括钛（Ti）/ 铜（Cu）/ 镍（Ni）/ 金（Au）或钛（Ti）/ 镍钒合金（NiV）/ 金（Au）等。制作过程一般通过溅射或蒸发工艺沉积各层金属，然后通过光刻和蚀刻工艺形成与芯片焊盘对应的 UBM 图形。
• 凸点制作：根据凸点的类型和尺寸，主要有两种制作方式：一是焊球植球法，通过焊球植球机将预先制作好的焊球（如锡铅焊球、无铅焊球）放置在 UBM 上，然后通过回流焊接使焊球与 UBM 牢固结合；二是电镀凸点法，通过光刻工艺在 UBM 上形成凸点图形的掩膜，然后采用电镀技术在掩膜窗口内电镀金属（如锡、铜、金等）形成凸点，电镀完成后去除掩膜和种子层，得到所需的凸点结构。电镀凸点法可制作尺寸更小、精度更高的微凸点，适用于高密度互联的需求。

3.4 保护层沉积与开窗工艺

为保护封装器件内部的互联结构和芯片表面，防止外界环境（如湿气、灰尘、化学物质）对器件造成损害，需要在晶圆表面沉积保护层，并在凸点位置进行开窗处理。

• 保护层沉积：常用的保护层材料为聚酰亚胺（PI）或环氧树脂类材料，通过旋涂、喷涂或气相沉积等方式均匀地覆盖在晶圆表面，形成一层具有良好绝缘性和耐腐蚀性的保护薄膜。沉积完成后，需要进行固化处理（如高温烘烤、紫外线照射），使保护层达到所需的机械性能和化学稳定性。
• 保护层开窗：通过光刻和蚀刻工艺，在保护层上对应凸点的位置制作窗口，露出凸点的顶部，以便后续与外部载体进行焊接互联。开窗的尺寸和精度需要严格控制，确保既能够完全露出凸点，又不会对周围的保护层和互联结构造成损伤。

3.5 晶圆切割工艺

在所有封装工序完成后，需要将整片封装好的晶圆切割成单个独立的封装器件，即芯片颗粒（Die）。晶圆切割工艺主要采用金刚石切割刀切割或激光切割两种方式：

• 金刚石切割刀切割：通过高速旋转（转速可达每分钟数万转）的金刚石切割刀，沿着晶圆上的划片道对晶圆进行机械切割。这种方式切割精度较高，适用于大多数类型的晶圆和封装结构，但切割速度相对较慢，且可能会产生一定的切割应力和碎屑，需要在切割后进行清洗和应力释放处理。
• 激光切割：利用高能量密度的激光束（如紫外激光、红外激光）对晶圆进行热切割或冷切割。激光切割速度快，切割应力小，不会产生碎屑，适用于薄型晶圆、脆性材料晶圆或对切割应力敏感的封装结构。但激光切割设备成本较高，且切割精度受激光参数和晶圆材料的影响较大，需要根据具体情况进行参数优化。

四、晶圆级封装的性能优势与应用场景

4.1 核心性能优势

除了前文提到的尺寸微型化、性能高效化和成本可控化外，晶圆级封装还具有以下显著的性能优势：

• 可靠性高：由于封装结构紧凑，互联路径短，且保护层能够有效隔绝外界环境的影响，晶圆级封装器件具有良好的抗振动、抗冲击性能和长期可靠性。在高温、高湿、恶劣环境下的使用寿命较长，满足汽车电子、工业控制等领域对器件可靠性的严苛要求。
• 兼容性强：晶圆级封装器件的外形和引脚布局可根据不同的应用需求进行灵活设计，能够与多种类型的 PCB（如刚性 PCB、柔性 PCB）和组装工艺（如表面贴装技术 SMT）兼容，适配不同的电子设备设计方案。
• 低功耗潜力：短距离的互联结构不仅降低了信号传输损耗，还减少了器件的功耗。对于移动设备、可穿戴设备等对功耗敏感的应用场景，晶圆级封装能够帮助延长设备的续航时间，提升用户体验。

4.2 主要应用场景

4.2.1 消费电子领域

消费电子是晶圆级封装应用最广泛的领域之一，主要包括智能手机、平板电脑、可穿戴设备（如智能手表、智能手环）、笔记本电脑等。在这些设备中，晶圆级封装用于封装应用处理器（AP）、电源管理芯片（PMIC）、射频芯片（RF IC）、图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）、指纹识别芯片等关键器件。例如，智能手机中的 CMOS 图像传感器通常采用 TSV 晶圆级封装，实现了传感器的小型化和高像素性能；可穿戴设备中的微控制器（MCU）则多采用扇入型晶圆级封装，以满足设备的微型化和低功耗需求。

4.2.2 汽车电子领域

随着汽车电子化程度的不断提升，汽车电子对器件的可靠性、稳定性和集成度要求越来越高，晶圆级封装凭借其优异的性能成为汽车电子领域的重要封装技术。主要应用于汽车的驾驶辅助系统（ADAS）、车载信息娱乐系统、动力控制系统、车身电子系统等。例如，ADAS 中的雷达传感器、摄像头模块采用 TSV 晶圆级封装，实现了传感器的高精度和小型化；车载电源管理芯片采用扇出型晶圆级封装，满足了高集成度和高可靠性的需求，同时适应汽车内部的高温环境。

4.2.3 物联网（IoT）与传感器领域

物联网设备通常具有小型化、低功耗、低成本的特点，且需要大量的传感器进行数据采集，晶圆级封装恰好满足这些需求。在物联网领域，晶圆级封装广泛应用于各类传感器（如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、气体传感器）、无线通信模块（如蓝牙模块、Wi-Fi 模块）、微控制器等。例如，物联网终端设备中的湿度传感器采用扇入型晶圆级封装，体积小巧且成本低廉，可集成到各类小型智能设备中；无线通信模块中的射频芯片采用晶圆级封装，提升了通信性能，同时减小了模块体积，便于设备的小型化设计。

4.2.4 医疗电子领域

医疗电子设备对器件的精度、可靠性和生物相容性要求极高，晶圆级封装通过其高精度的工艺和稳定的性能，在医疗电子领域得到了应用。主要用于医疗诊断设备（如血糖监测仪、心电监测仪）、植入式医疗设备（如心脏起搏器、人工耳蜗）、医疗影像设备（如小型超声探头）等。例如，血糖监测仪中的生物传感器采用晶圆级封装，实现了传感器的微型化和高精度检测，便于患者携带和使用；植入式医疗设备中的控制芯片采用薄型晶圆级封装，减小了设备体积，降低了植入手术的难度，同时其高可靠性确保了设备在人体内的长期稳定运行。

五、晶圆级封装的质量控制与可靠性测试

由于晶圆级封装工艺复杂，且应用于对性能和可靠性要求较高的领域，因此需要建立严格的质量控制体系，并进行全面的可靠性测试，以确保封装器件的质量和性能符合要求。

5.1 关键质量控制环节

• 晶圆表面质量控制：在晶圆预处理阶段，通过光学检测设备（如表面缺陷检测系统）对晶圆表面的洁净度、平整度、缺陷（如划痕、杂质、氧化斑）进行检测，确保晶圆表面质量符合后续工艺要求。若发现缺陷，需进行返工处理，避免缺陷影响后续封装工艺。
• RDL 与 UBM 图形精度控制：在 RDL 和 UBM 制作过程中，采用高精度的