一、晶圆级封装基本工艺概述

晶圆级封装（Wafer Level Packaging，WLP）是一种在晶圆切割成单独芯片之前就进行封装的技术。它主要包括扇入型晶圆级芯片封装（Fan - In WLCSP）和扇出型晶圆级芯片封装（Fan - Out WLCSP），并且其特点是在整个封装过程中晶圆始终保持完整。另外，重新分配层（RDL）封装、倒片（Flip Chip）封装及硅通孔（TSV）封装通常也被归类为晶圆级封装，尽管这些封装方法在晶圆切割前仅完成了部分工序。

二、晶圆级封装的五项基本工艺介绍

（一）光刻（Photolithography）工艺

光刻工艺是晶圆级封装中的关键步骤，其主要目的是在晶圆上绘制电路图案。光刻工艺基于这样一种原理：利用光刻胶（一种光敏聚合物）对光的不同反应特性来实现图案的绘制。

• 涂覆光刻胶：首先要将光刻胶涂覆在晶圆表面。常见的涂覆方法有旋涂（Spin Coating）、薄膜层压（Film Lamination）和喷涂（Spray Coating）。旋涂是将粘性光刻胶涂覆在旋转着的晶圆中心，借助离心力使光刻胶向晶圆边缘扩散，从而形成均匀厚度的光刻胶层。光刻胶的厚度与粘度和转速有关，粘度越高转速越低，光刻胶就越厚。不过，对于晶圆级封装特别是倒片封装，要形成焊接凸点，光刻胶层厚度需达到30μm至100μm，单次旋涂很难达到该厚度，这时可能需要反复旋涂光刻胶并多次进行前烘操作。而薄膜层压方法在初始阶段就能使光刻胶薄膜达到所需厚度，处理过程不会造成晶圆浪费，成本效益更高，特别是在所需光刻胶层较厚的情况更适用。对于表面非常粗糙的晶圆，则可采用喷涂方法来保持光刻胶厚度的均匀性。

• 前烘（Soft Baking）：涂覆光刻胶后，需要进行前烘操作，这是为了去除光刻胶中的溶剂，从而确保粘性光刻胶能保留在晶圆上并且维持其原本的厚度。

• 曝光（Exposure）：前烘完成后，将通过掩模把所需要的图案投射到晶圆表面的光刻胶上。光刻胶分为正性光刻胶（Positive PR）和负性光刻胶（Negative PR），正性光刻胶在曝光后会软化，所以使用正性光刻胶时需在掩模去除区开孔；负性光刻胶在曝光后则会硬化，因此需在掩模的保留区开孔。晶圆级封装通常采用掩模对准曝光机（Mask Aligner）或步进式光刻机（Stepper）作为光刻工艺设备。

• 显影（Development）：曝光后的晶圆表面光刻胶需要进行显影操作，显影是利用显影液来溶解因光刻工艺而软化的光刻胶的工艺。显影方法包括水坑式显影（Puddle Development，将显影液倒入晶圆中心，并进行低速旋转）、浸没式显影（Tank Development，将多个晶圆同时浸入显影液中）和喷淋式显影（Spray Development，将显影液喷洒到晶圆上）。经过这些步骤后，光刻胶就形成了所需的电路图案，光刻图案主要用于在绝缘层上绘制图案，进而创建电镀层，并通过刻蚀扩散层来形成金属线路。

（二）溅射（Sputtering）工艺

溅射工艺属于物理气相沉积（PVD）工艺中的一种，主要用于在晶圆表面形成金属薄膜。

• 溅射的原理在于：在真空环境下产生等离子体，利用离子束去轰击靶材（通常为金属），然后使靶材上的金属颗粒脱落并沉积在晶圆表面，从而形成均匀的金属薄膜。在进行溅射之前，要准备好真空环境并在其中安装好靶材。之后引入溅射气体（如氩气），高压电场作用下，氩气会被转化为等离子体。而薄膜沉积过程中，等离子体中的离子对靶材的轰击导致原子溅射并落在晶圆上进行薄膜沉积，沉积的金属颗粒具有一致的方向性。

• 薄膜的构成与作用： 在晶圆级封装中，溅射形成的金属薄膜常常起着多种作用。在倒片封装中，如果晶圆上形成低于凸点的金属薄膜，被称为凸点下金属层（UBM，Under Bump Metallurgy），它通常由两层或三层金属薄膜组成。以由钛、铜和镍组成的薄膜为例，钛层可增强晶圆粘合性，作为黏附层；铜层可在电镀过程中提供电子，作为载流层；镍层可阻止镀层和金属之间形成化合物并具有焊料润湿性（Wettability），作为扩散阻挡层。在重新分配层（RDL）和晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）等封装工艺中，金属层主要作用是形成金属引线，故通常由可提高粘性的黏附层和载流层构成。

（三）电镀（Electroplating）工艺

电镀工艺是在晶圆级封装里形成金属线路的一个关键环节。

• 电镀步骤：先是将晶圆浸入电镀液中，然后在电流作用下，电镀液中的金属离子在晶圆表面发生还原反应，从而在晶圆表面形成一层金属层。接着，要进行后处理操作，包括光刻胶去胶（PR Striping）和金属刻蚀（Metal Etching）等工序，目的是去除多余的光刻胶和金属层，进而形成所需的金属线路图案。这些图案可充当扇入型WLCSP的引线、重新分配层封装中的焊盘再分布以及倒片封装中的凸点等功能。

（四）光刻胶去胶（PR Stripping）工艺

光刻胶去胶工艺是晶圆级封装流程中用于去掉多余光刻胶的必要步骤，通常在电镀工艺之后进行。

• 去胶主要流程：第一步是选择合适的去胶液，所选择的去胶液要能有效溶解光刻胶，同时不能对晶圆表面的金属层造成损害。然后，应用去胶液到晶圆表面，常见的应用方法包括浸泡、喷淋等方式。最后，需要进行晶圆表面的清洗等操作，以此去除去胶液和已溶解的光刻胶，从而为后续的金属刻蚀工艺做好铺垫，确保该工艺能够顺利进行[]。

（五）金属刻蚀（Metal Etching）工艺

金属刻蚀工艺是晶圆级封装中用以形成金属线路的最后一道工序。

• 工艺原理： 通过化学刻蚀或者等离子体刻蚀等方法，去除晶圆表面多余的金属层，最终形成想要的金属线路图案。该工艺形成的线路图案能够用于扇入型WLCSP的引线、重新分配层封装中的焊盘再分布，和倒片封装中的凸点等功能。此外，研发合适的水基清洗剂并配合适宜的清洗工艺，可以为芯片封装前提供洁净的界面条件，这有助于保证金属刻蚀工艺的效果以及整个封装的质量。

三、晶圆级封装五项基本工艺的详细步骤

（一）光刻工艺详细步骤

1. 光刻胶涂覆准备：根据晶圆表面状态、所需光刻胶厚度等因素选择合适的涂覆方法（旋涂、薄膜层压或喷涂）。若采用旋涂，将光刻胶放置于旋转的晶圆中心，确定合适的转速等参数，如果想通过单次旋涂得到相对厚的光刻胶层，可以降低转速同时选择较高粘度的光刻胶，但要注意到对于某些封装（如倒片封装）需求厚度（30μm - 100μm），单次旋涂很难达到，可能需要多次旋涂。而薄膜层压对于厚光刻胶层能起始就达到厚度要求且不造成晶圆浪费，适宜厚光刻胶需求时。喷涂对粗糙表面的晶圆保持光刻胶厚度均匀有优势。

2. 前烘操作：将涂覆光刻胶后的晶圆放入前烘设备，设定合适温度与时间参数，以将光刻胶内溶剂去除掉，保持光刻胶粘性并维持原本厚度，具体的温度和时间参数需要依据光刻胶类型等因素确定。

3. 曝光实施：使用掩模对准曝光机或步进式光刻机对晶圆进行曝光操作。如果是正性光刻胶，将掩模需要去除区开启让光照射；若为负性光刻胶，则掩模保留区开启接受光照。在曝光设备中设置精确的参数，确保掩模上的图案精准地转移到晶圆光刻胶表面。

4. 显影处理：根据光刻胶类型选取合适的显影方法（水坑式显影、浸没式显影或喷淋式显影）。对于水坑式显影，要控制好显影液用量以及晶圆低速旋转的速度；浸没式显影要关注显影液浓度以及浸泡晶圆的时间等；喷淋式显影则要调整好显影液喷洒的压力和流量等参数，从而确保将光刻工艺软化后的光刻胶溶解到正确的程度，进而形成最终的电路图案『』。

（二）溅射工艺详细步骤

1. 真空环境与靶材准备：将溅射设备内部抽真空，营造真空环境，然后将金属靶材（根据要形成的金属薄膜性质选择，比如形成UBM可能选择钛、铜、镍等金属的靶材）安装到设备特定位置，保证靶材安装稳固，连接良好。

2. 溅射气体引入与等离子体产生：将高纯氩气（依据溅射工艺需求气体可能为氩气或者其它合适气体）等溅射气体引入到溅射设备反应腔室内。在设备的高压电场部分施加足够高的电压，使氩气电离转化为等离子体，要精确设定电场强度、气体流量等参数以保证等离子体的形成质量。

3. 薄膜沉积：在等离子体稳定形成后，离子开始轰击靶材。调整离子能量与轰击时间以及晶圆相对于靶材的位置等参数，使从靶材溅射出来的金属原子均匀沉积到晶圆表面形成金属薄膜。薄膜的厚度、均匀性等特性通过这些参数的精确调控得以满足不同封装工艺要求。

（三）电镀工艺详细步骤

1. 电镀前准备：将制作有光刻图案且涂有光刻胶的晶圆浸入特定的电镀液（根据最终要形成的金属层如铜层、金层等来选择合适的电镀液）中，并且合理连接好电镀设备的电极，保证晶圆浸入电镀液中的深度合适而且在电镀过程中有均匀的电流分布，可能需要借助专门的夹具等装置来固定晶圆位置。

2. 电镀操作：开启电镀电源，设置合适的电流参数、电镀时间等以控制电镀沉积过程。如形成厚的金属线路时需要较大电流且较长时间，此时要密切注意由于电镀过程中可能出现的发热、电流分布不均等问题，通过设备的冷却装置或者优化电极分布等来确保电镀质量。

3. 后处理操作：电镀完成后，取出晶圆并先进行光刻胶去胶处理，选择合适的去胶液和对应的工艺（浸泡、喷淋去胶液等方式）去除光刻胶，再进行金属刻蚀操作，采用化学刻蚀或等离子体刻蚀等方法按照预先设计的线路图案去除多余的金属层，最终得到符合要求的金属线路。

（四）光刻胶去胶工艺详细步骤

1. 去胶液选取：对晶圆表面已完成电镀的情况进行评估。如果是形成铜线路基础上的光刻胶去胶，就需要选择对铜层无腐蚀作用，同时能够高效溶解光刻胶的去胶液；若是金或者其它金属线路则要根据金属性质进行去胶液挑选，要依据产品手册以及以往实验结果甚至进行小批量测试来确定最合适的去胶液。

2. 去胶液应用：如果采用浸泡方式，要根据晶圆尺寸选择合适大小的容器盛装去胶液并将晶圆完全浸泡，确定浸泡的时间，通常依据不同型号光刻胶和去胶液的溶解标准时间范围，浸泡过程中可适当搅拌溶液确保溶解均匀。对于喷淋方式，则要设计好喷淋设备的喷头布局，使去胶液均匀喷洒到晶圆各个部分，注意控制好喷淋的压力和流量。

3. 清洁处理：去胶液浸泡或者喷淋完成后，使用高纯度的清洗液（如去离子水或者专门的芯片清洗液）对晶圆进行清洗操作，要多次冲洗直至将晶圆表面的去胶液和溶解的光刻胶彻底清除干净，同时可以结合超声波清洗等手段提高清洗效果，清洗后通过干燥装置（如氮气吹干或者真空干燥等方式）对晶圆进行干燥处理，防止残留的水渍等对后续工序的影响。

（五）金属刻蚀工艺详细步骤

1. 刻蚀准备：根据要刻蚀的金属层（如铝层、铜层等）选择适当的刻蚀方法（化学刻蚀或等离子体刻蚀）。若是化学刻蚀，要准备好对应的刻蚀液（如刻蚀铝的特定混合溶液）；若是采用等离子体刻蚀则要选择合适的反应气体（如对于某些金属刻蚀可采用三氯化硼和氯气的混合气体等），并调整好刻蚀设备（如反应腔室的压力、气体流量等参数）。

2. 刻蚀实施：如果是化学刻蚀，将晶圆放入刻蚀液中一段时间，在这段时间内，刻蚀液与金属层发生化学反应将多余的金属逐步去除，需要注意时间和温度的控制，因为不同的金属刻蚀速度对时间和温度有特定要求。对于等离子体刻蚀而言，开启刻蚀设备后，反应气体在电场作用下形成等离子体，等离子体中的活性离子与金属表面发生反应实现刻蚀，过程中要精确调控电场强度、功率、气体流量以及刻蚀时间等参数来保证刻蚀的精度以及图形转移的准确性。

3. 后处理检查：刻蚀完成后取出晶圆，再次用清洗液进行清洗以去除刻蚀过程中产生的残留物，然后利用光学显微镜、电子显微镜等设备对晶圆表面刻蚀形成的金属线路进行检查，查看线路的完整性、精度、金属层厚度是否达到预期要求，如果发现缺陷要及时追溯工艺过程进行调整改进。

四、晶圆级封装基本工艺的原理和特点

（一）光刻工艺原理和特点

• 原理：光刻是一种基于光化学反应的图形转移技术。光刻胶对特定波长的光具有灵敏性，当暴露在光照下，光刻胶内部分子结构会依据其是正性还是负性光刻胶发生不同的反应（如正性光刻胶曝光区域高分子链断开变得可溶，负性光刻胶曝光区域则发生聚合变得不溶）。通过掩模限制光线的传播路径从而使晶圆表面光刻胶上呈现出掩模上特定的图案，经过显影就实现了电路图案从掩模到晶圆光刻胶层的转移。

• 特点：光刻工艺具有很高的精度，可以制作出非常精细的图形。能够在小面积的芯片上形成高度复杂的电路图案，这也是现代集成电路能够不断提高集成度的基础。然而，光刻工艺设备昂贵，制造过程对于环境要求高（例如对于温度、尘埃颗粒数等都有严格限制），而且光刻胶本身也是一种精细化学品，成本也较高，工艺步骤相对较多且复杂，轻微的参数控制不当就可能导致产品的失败。

（二）溅射工艺原理和特点

• 原理：溅射属于物理气相沉积，主要原理是在高真空环境下，通过将氩气等惰性气体电离形成等离子体，等离子体中的高能离子在电场加速下撞击靶材。靶材原子在离子的撞击下获得足够能量后脱离靶材表面并飞向晶圆，在晶圆表面沉积形成薄膜。这个过程中入射离子的能量、撞击角度等都会影响溅射原子的能量和运动方向，进而影响薄膜的质量和性能。

• 特点：溅射工艺可以在不同的材料表面形成均匀的薄膜，包括一些比较难熔的金属。由于是物理过程，相对于化学沉积而言不容易引入杂质。能精确控制薄膜的厚度、层结构（如多层金属薄膜组成凸点下金属层时）和成分，适用于各种金属薄膜在晶圆表面的沉积需求。不过，溅射设备比较昂贵，工艺运行成本较高（如氩气的消耗等）且溅射速率相对某些化学气相沉积方式较慢，大规模生产时可能会限制产能。

（三）电镀工艺原理和特点

• 原理：电镀是一种电解过程，依据电化学原理。晶圆作为阴极浸入到含有欲镀金属离子的电镀液中，另外选取合适的金属或者石墨等作为阳极。当接通电源后，阳极发生氧化反应溶解出金属离子补充到电镀液中，同时电镀液中的金属离子在阴极（晶圆表面）得到电子被还原成金属原子并沉积在晶圆表面。随着电镀时间的增长和电流大小的控制，晶圆表面的金属层逐渐加厚形成所需的金属线路。

• 特点：电镀工艺可以在晶圆表面形成较厚的金属层，这是如制作凸点等一些需要一定厚度金属结构的必要工艺。能够比较灵活地控制金属层的厚度，并且根据不同线路需求可在不同区域分别镀不同金属。但是该工艺相对复杂，电镀液需要定期分析和调整其成分，以确保电镀质量；后处理（如去胶和刻蚀）要求较高并且电镀过程中可能因金属离子分布不均匀等出现质量问题（如厚度不一致、表面粗糙度问题等）。

（四）光刻胶去胶工艺原理和特点

• 原理：光刻胶去胶是一种溶解过程。整个工艺基于选择合适的化学溶剂（去胶液），去胶液中的化学成分能够与光刻胶分子相互作用，从而使光刻胶分子分解或者溶解在去胶液中。对于不同类型光刻胶（正性、负性以及不同成分、服役状态下的光刻胶），需要选择适配的去胶液。而且一些去胶工艺会采用辅助手段，如加热、超声波振荡等，以提高去胶效率。

• 特点：光刻胶去胶工艺是后续工艺的前置保障工序，去胶效果很大程度影响后续金属刻蚀等工序的质量。工艺看似简单，但去胶液的选择有时候需要反复调试，确保能高效去除光刻胶同时保护晶圆表面其他结构。而且清洗过程同样重要，残留去胶液可能导致多种问题如影响金属与晶圆的附着力、电路短路等。操作过程中也要避免因去胶液使用不当（如浸泡时间过长、冲洗过度等）对晶圆或者已有金属结构造成损害。

（五）金属刻蚀工艺原理和特点

• 原理：金属刻蚀工艺有化学刻蚀和等离子体刻蚀等多种方式。化学刻蚀主要包括湿化学刻蚀，是利用化学溶液与金属发生化学反应将不需要的金属部分溶解去除。例如，某些酸对铝金属的刻蚀。等离子体刻蚀则是在真空腔室内，通过反应气体电离形成等离子体，等离子体中的活性粒子与金属原子发生反应使之变成挥发性的化合物而被去除。

• 特点：该工艺是形成最终精确金属线路的关键一步。可以精准地按照预先设定的图案在晶圆上进行加工，去除多余的金属部分。化学刻蚀通常具有较好的选择性，但各向异性较差，可能在刻蚀过程中引起横向钻蚀等问题。等离子体刻蚀各向异性好，能够实现高精度图案转移，但设备复杂而且工艺控制难度较大，需要严格控制相关的气体组成、流量、功率等多种参数才能保证刻蚀的质量和稳定性。

五、晶圆级封装五项基本工艺的应用案例

（一）光刻工艺应用案例

在高端集成电路芯片的制造与封装中，光刻工艺不可或缺。如在CPU、GPU芯片的制造，光刻被用来创建微米甚至纳米级别的电路图案。例如目前先进的7nm、5nm芯片技术的实现，光刻工艺技术在高分辨率掩模制作、极紫外光刻（EUV）等技术进展下突破了传统光刻极限，在极其微小的芯片面积内绘制出数十亿甚至上百亿个晶体管的连接线路图案。另外，在图像传感器芯片（如CMOS传感器）的制造过程中，光刻技术用于形成像素阵列、信号处理电路等各种精细的电路和光学结构，包括微透镜、彩色滤光片等相关结构的精准定位和制作也是基于光刻工艺的高准确性来实现的。

（二）溅射工艺应用案例

在扇出型晶圆级芯片封装（Fan - Out WLCSP）中，溅射工艺被广泛用于形成凸点下金属层（UBM）。UBM旨在为后续制作的焊点或者金属凸点提供良好的连接基础，涉及到多层金属薄膜的溅射沉积，例如钛/铜/镍三层结构，其中钛作为黏附层增强与晶圆表面硅或者钝化层的结合力，铜作为载流层为电镀过程供应电子以便形成厚的凸点金属层，镍作为扩散阻挡层，阻止焊点材料与下层金属之间发生扩散和反应，从而提高焊点的可靠性和长期稳定性。此外，在LED芯片封装中，溅射工艺可用于在芯片电极上层沉积金属反射层（如铝层），提高出光效率。

（三）电镀工艺应用案例

电镀工艺在内存芯片（如DDR4、DDR5等）的封装过程中发挥关键作用。内存芯片的数据引脚（金手指）常常需要通过电镀工艺形成一层厚厚的金层，以确保良好的电学连接性能、耐腐蚀性和插拔耐久性。在逻辑芯片的扇入型晶圆级芯片封装（Fan - In WLCSP）里，电镀工艺用来构建从芯片内部电路连接到外围焊点的精密引线。另外，在功率半导体芯片（如IGBT）的封装环节，电镀工艺可用于在芯片引脚或者散热电极部分进行厚铜层的电镀，增强电流承载能力和散热能力。

（四）光刻胶去胶工艺应用案例

在多层金属布线结构的芯片封装时，每一层金属布线完成电镀之后都要进行光刻胶去胶工艺以便进行下一层的加工。比如在先进的3D - NAND闪存芯片制造以及之后的封装过程中，由于具备多层存储单元结构，每一层光刻、电镀之后的光刻胶去胶操作就极为重要。这关系到上层加工时下层图案的完整性、金属层之间的绝缘性以及芯片整体的电气性能。如果光刻胶去除不完全，残留的光刻胶在后续高温工艺下碳化等可能会破坏已有的金属线路或者产生短路等问题。

（五）金属刻蚀工艺应用案例

在射频（RF）芯片的封装中，金属刻蚀工艺用于形成特定频率下的电感和电容的高精度金属图案。例如，将大面积的金属层刻蚀成复杂的螺旋形状来作为电感元件，或者刻蚀出梳状结构形成平行板电容等结构，通过精确的金属刻蚀工艺能够精准控制元件的参数（如电感值、电容值）。在系统级芯片（SoC）封装中，从芯片内部不同功能模块到外部管脚的线路布局是极为复杂的，金属刻蚀工艺负责把大面积金属层按照设计要求刻蚀成各种精细的线路和图案，满足功能模块之间的低延迟、高带宽通信需求等。

晶圆级封装清洗剂W3300介绍:

晶圆级封装清洗剂W3300是一款适用电子组装、元器件、半导体器件焊后清洗的水基清洗剂。该产品能够有效去除半导体元器件、电路板组装件等助焊剂、锡膏焊后残留物。W3300适用于超声波清洗工艺，配合去离子水漂洗，能达到非常好的清洗效果。W3300具有良好的兼容性，可以兼容用于电子装配、晶圆凸点和先进封装制造过程和清洗过程中的材料兼容。

晶圆级封装清洗剂W3300的产品特点：

1、处理铝、银等特别是敏感材料时确保了极佳的材料兼容性。

2、能够有效清除元器件底部细小间隙中的残留物，清洗后焊点保持光亮。

3、清洗速度快，效率高。

4、本产品与水相溶性好，易被水漂洗干净。

5、配方中不含卤素成分且低挥发、低气味。

6、不含氟氯化碳和有害空气污染物。

晶圆级封装清洗剂W3300的适用工艺：

晶圆级封装清洗剂W3300主要用于超声波清洗工艺。

晶圆级封装清洗剂W3300产品应用：

W3300半水基清洗剂主要用来去除电路板组装件、陶瓷电容器元器件等器件上的助焊剂和锡膏焊后残留物。