2016 — UFI (UBM-Free Integration) Fan-In WLCSP Technology Enables Large Die Fine Pitch Packages
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd., Hsinchu, Taiwan, R.O.C.
摘要
本文提出了一种低成本、高可靠性的UFI（UBM-Free Integration，无UBM集成）扇入型WLCSP技术，成功实现了大尺寸芯片（>100mm²）、细焊球间距（350μm）和高I/O数（>800）的晶圆级芯片级封装。针对传统WLCSP在大尺寸（>5×5mm²）和细间距（<350μm）应用中面临的两大核心挑战——焊料开裂和高芯片翘曲，UFI WLCSP引入了一种应力缓解结构，通过控制最大应变位置和优化材料特性，有效降低了芯片翘曲以及Si芯片与PCB之间的热机械应力。实验结果表明：UFI WLCSP的板级热循环首失效寿命较传统WLCSP提升1.4倍，Weibull特征寿命（t63）提升2.3倍。此外，该技术还支持多RDL重布线、内置RDL电感器（Q值比片上电感高49%）以及侧壁保护结构。
关键词：WLCSP; CSP; UFI; UBM-free; fan-in
一、研究背景
晶圆级芯片级封装（WLCSP）以其最小外形尺寸、最低制造成本和晶圆级测试能力[1]，已成为移动和消费电子市场中最具竞争力的封装形式之一。WLCSP的核心优势在于：集成电路在晶圆级别整体封装，随后切割生成单个封装体——工艺集成度高、材料利用率高。
随着应用场景的不断扩展（从GPS/蓝牙等低I/O小型芯片，向基带、SoC等大尺寸高I/O芯片延伸），传统WLCSP在向大芯片尺寸和高I/O数扩展时面临两个根本性限制[2]：
限制一：UBM/焊料界面IMC脆性失效。在传统WLCSP中，UBM（Under-Bump Metallurgy，凸块下金属层）作为芯片Al/Cu焊盘与焊球之间的界面层存在。在热循环加载下，UBM与焊料之间不断生长和变厚的金属间化合物（IMC）成为最薄弱的断裂起始点——裂纹沿IMC/焊料界面形成并扩展[3-6]。当芯片尺寸增大时，离中性点距离（DNP）较远的封装边角处焊球承受的剪切应变急剧增加，IMC裂纹扩展加速，最终导致焊点开路失效。
限制二：芯片翘曲失控。大尺寸芯片配合塑封材料（Molding Compound）的CTE失配导致封装整体翘曲量增大，不利于后续SMT贴装和板级可靠性。
文献中对上述问题的研究已相当深入，但尚未有一个方案能同时在结构简化、成本降低和可靠性提升三个维度上取得突破。本文提出的UFI WLCSP正是针对这一空白：有意识地去除了UBM结构，并以高分子复合材料保护层（PL）取而代之，从根本上改变了焊点受力的力学路径。
二、UFI WLCSP技术结构与工艺
结构对比
图1. (a) 传统WLCSP结构——需经过Polymer-1开口、Polymer-2开口、UBM形成三道关键工艺；(b) UFI WLCSP结构——焊球直接安装于Cu RDL之上，PL层包覆固定，结构层次大幅简化
在传统WLCSP中，封装堆叠结构从芯片表面向外依次为：钝化层开口→Polymer-1（第一聚合物介质层）开口→Polymer-2（第二聚合物介质层，掩模定义开口）→UBM（溅射+电镀）→焊球。这是一个5层堆叠结构，每一步光刻和沉积都增加了成本和缺陷率。
而在UFI WLCSP中，堆叠简化为：钝化层开口→Polymer-1开口→Cu RDL→焊球→PL保护层。焊球直接安装于Cu RDL焊盘之上，RDL将电信号从芯片周边I/O重新布线至所需的焊球阵列，随后PL层沉积于焊球周围以提供机械固定和应力缓冲。
核心优势
| 对比维度 | 传统WLCSP | UFI WLCSP |
|---|---|---|
| 工艺步骤 | 5层堆叠（含UBM+Polymer-2） | 3层堆叠（无UBM和Polymer-2） |
| 封装厚度 | 基准 | 减少约30% |
| 制造成本 | 基准 | 更低（更少工艺步骤） |
| 失效界面 | Cu/焊料IMC（脆弱） | PL/焊料界面（更强韧） |
三、应力缓解结构设计与有限元分析
3D非线性蠕变全有限元模型
焊点疲劳寿命预测的理论基础是焊料的蠕变行为——在热循环中，焊料因反复的蠕变变形累积而导致低周疲劳开裂。本研究采用ANSYS构建了UFI WLCSP-PCB组装体的3D非线性蠕变全有限元模型。
模型的关键技术细节：
