面向28nm ELK晶圆的WLCSP封装激光开槽质量与可靠性研究

2017 — Investigation of Production Quality and Reliability Risk of ELK Wafer WLCSP Package

Research and Development, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd., Hsinchu Science Park, Hsinchu, Taiwan, R.O.C.

摘要

本文系统研究了28nm工艺ELK（极端低k）介质晶圆在WLCSP封装中激光开槽（Laser Grooving）工艺对芯片边缘硅裂纹缺陷的影响。采用4×4mm²测试载体，设计4种不同激光功率、速度和频率的DOE split，通过三点弯曲测试和2米高度单卷跌落测试评估硅强度与抗裂纹能力。结果表明，低激光功率和低单位长度能量密度的split可获得更高的芯片强度和更好的抗硅裂纹性能。此外，卷带（TnR）料袋设计公差对跌落测试结果有显著影响——推荐芯片-料袋公差≤0.25mm以降低运输和SMT贴装过程中的硅裂纹风险。

关键词：WLCSP; laser grooving; silicon crack; ELK; package reliability

一、研究背景

WLCSP以其超薄外形、极低封装成本和优良电性能，已被广泛用于8英寸铝制程IC制造技术下的蓝牙、WiFi、GPS和电源管理IC（PMIC）产品，典型芯片尺寸小于3×3mm²。然而，随着可穿戴和便携式电子产品向更高性能发展，业界开始采用更先进的IC制造工艺——即包含ELK（Extreme Low-k）层间介电材料的工艺——和更大芯片尺寸以满足应用需求。这给WLCSP封装质量和可靠性带来了新的挑战：更复杂的组装工艺（如激光开槽）以及大芯片尺寸带来的更高封装应力。

ELK材料的多孔结构使其机械强度较低。文献中报道的一个典型WLCSP缺陷模式是在激光开槽碎屑区发现微小的芯片边缘硅裂纹（图2）。通过红外显微镜检查确认，裂纹起始于体硅区域，裂纹面平行于芯片表面，沿平行于芯片表面的方向向内传播至电路区域，呈现独特的涟漪状扩展图案（图3）。这一缺陷位置使激光开槽成为最可疑的致因因素。

图1. WLCSP封装结构示意图

图2. 典型WLCSP缺陷——激光开槽碎屑区内芯片边缘的微小硅裂纹

图3. 红外显微镜下典型WLCSP硅裂纹缺陷——裂纹从体硅起始，向内传播，呈现涟漪状图案

激光开槽已在ELK晶圆的封装工艺中被广泛采用，用于防止机械刀片切割在IC划片道区域引起的IMD层剥离。但已有研究表明[1-3]，激光切割相比刀片切割会显著降低芯片的硅强度，主要原因是激光热量在芯片边缘造成硅损伤。由于WLCSP在运输和贴装过程中基本不对芯片提供保护，这引发了一个严重问题：激光开槽后的WLCSP芯片能否承受卷带包装运输和模块SMT贴装过程中的物理冲击？

已有文献[4-5]报道了在芯片边缘和表面添加模塑料等改善WLCSP硅裂纹的方法，但这些方法增加了封装成本和工艺复杂度。因此，本文聚焦于激光开槽对ELK晶圆WLCSP封装强度的直接影响，以及运输/贴装过程中潜在的硅裂纹缺陷风险。

二、实验设计

A. 测试载体与实验split

测试载体采用28nm制造工艺，芯片尺寸4×4mm²，包含五层后段铜互连金属层，使用ELK IMD材料。WLCSP封装按照标准生产流程制造，仅在激光开槽步骤设置变量以评估其影响。

设计了4种不同的激光开槽配方split，涵盖不同的功率（P1/P2/P3三路径）、频率和进给速度组合：

表1. 激光开槽配方DOE splits