晶圆级封装（Wafer Level Packaging，WLP），是一种先进的半导体封装技术。与传统封装相比，WLP封装不需要先将晶圆切割成单颗芯片再进行封装，而是在晶圆状态下完成封装结构制造，最后进行切割分离。
随着WLP封装结构不断微型化，微凸点、焊球以及重布线层等连接结构尺寸持续缩小，封装可靠性问题逐渐受到关注。因此，需要通过微凸点剪切测试、焊球推力测试、芯片剪切测试等力学可靠性测试方法，对WLP封装内部连接结构强度进行评价。
本文科准测控小编将围绕晶圆级封装WLP结构、WLP工艺流程、晶圆重布线、微凸点形成以及WLP可靠性的推拉力测试机测试方法进行详细介绍。
一、什么是晶圆级封装WLP？
晶圆级封装WLP（Wafer Level Packaging）是指在晶圆制造阶段完成封装相关工艺，再通过晶圆切割形成独立封装芯片的一种封装技术。
WLP封装流程包括：钝化层加工、晶圆重布线（RDL）、凸点形成、表面保护处理，完成后再进行晶圆切割。
WLP封装主要应用于：移动终端芯片、图像传感器、MEMS器件、射频芯片、模拟芯片、高密度电子器件。
WLP封装具有以下特点：
1. 封装尺寸接近芯片尺寸
由于封装结构直接在晶圆阶段形成，最终封装体积较小，适用于对空间要求较高的电子产品。
2. 支持高密度互连
通过晶圆重布线技术，可以重新规划芯片表面焊盘位置，提高I/O连接密度。
3. 缩短信号传输路径
芯片与外部连接距离缩短，有利于改善高速信号传输性能。
二、 WLP晶圆级封装结构组成
典型晶圆级封装WLP结构主要包括以下部分：
1. 芯片基底
硅晶圆作为芯片主体结构，内部包含：晶体管、有源器件、金属互连层。晶圆表面通过半导体制造工艺形成芯片电路。
2. 钝化层（Passivation Layer）
钝化层位于芯片表面，用于保护内部电路结构。
常见材料包括：氮化硅、氧化硅、聚合物材料。
主要作用：防止水汽进入、降低环境影响、保护金属线路区域。
3. 晶圆重布线层（RDL）
晶圆重布线层（Redistribution Layer，RDL）是WLP封装中的关键结构。
由于芯片原始焊盘位置通常无法直接满足外部连接需求，需要通过RDL重新设计金属线路，将焊盘重新分布。
RDL主要作用：调整I/O连接位置、扩展芯片连接区域、实现高密度布线。
RDL制造过程通常包括：光刻→金属沉积→电镀→图形化处理。
常用金属材料包括：铜、铝。
4. 微凸点（Micro Bump）
微凸点用于实现芯片与外部电路之间的电气连接。
常见材料：铜、锡、镍、金。
随着封装尺寸缩小，微凸点尺寸不断降低，其连接强度会直接影响WLP封装可靠性。
在长期工作过程中，微凸点可能受到：温度循环、机械载荷、材料热膨胀差异影响，产生裂纹、脱落等失效。
三、WLP晶圆级封装工艺流程
WLP封装制造流程主要包括以下步骤：
1. 晶圆准备
完成前道晶圆制造后，对晶圆表面进行清洗和处理，为后续封装工艺提供基础。
2. 钝化层形成
在芯片表面形成保护层，并通过开孔工艺暴露连接区域。
该步骤用于保护芯片电路，同时为后续RDL制作提供连接窗口。
3. 晶圆重布线（RDL）
晶圆重布线主要用于重新设计芯片表面的金属连接路径。
主要流程：
（1）涂覆光刻胶
在晶圆表面形成光刻胶层。
（2）曝光显影
形成目标线路图形。
（3）金属电镀
在指定区域形成导电金属层。
（4）去除光刻胶
完成RDL线路结构。
RDL质量会影响：电气连接性能、信号传输稳定性、封装可靠性。
4. 微凸点形成（Bumping）
完成RDL后，需要在指定位置形成凸点结构。
常见方式包括：
铜柱凸点：采用铜柱作为主要导电结构，具有较好的电流承载能力。
焊料凸点：利用锡基焊料实现芯片与外部电路连接。
微凸点形成质量会影响后续封装连接可靠性。
5. 晶圆检测与切割
完成封装结构后，需要进行：外观检测、电性能检测、晶圆切割，最终形成独立封装芯片。
四、WLP封装类型有哪些？
根据连接结构不同，WLP主要包括Fan-in WLP和Fan-out WLP两种形式。
1. Fan-in WLP（扇入型晶圆级封装）
Fan-in WLP是传统晶圆级封装形式，也称WLCSP（Wafer Level Chip Scale Package）。
其特点：外部连接区域位于芯片尺寸范围内、封装尺寸接近芯片尺寸、工艺成熟。
Fan-in WLP适用于：小型芯片、低至中等I/O数量器件、传感器、射频芯片。
由于连接区域受到芯片尺寸限制，当I/O数量增加时，Fan-in结构存在一定限制。
2. Fan-out WLP（扇出型晶圆级封装）
Fan-out WLP通过重新构造晶圆，将芯片连接区域扩展到芯片外围。
其制造过程通常包括：芯片切割箭头→芯片重新排列→塑封形成重构晶圆→RDL制作→凸点形成
Fan-out WLP相比Fan-in WLP，可以支持：更多I/O数量、更复杂互连结构、多芯片集成。
五、WLP封装常见可靠性问题
随着WLP封装结构不断微型化，内部连接区域承受的热机械应力增加，可能产生以下失效：
1. 微凸点失效
微凸点长期受到热循环影响，可能出现：疲劳裂纹、界面分离、凸点脱落。
影响因素包括：材料热膨胀系数、凸点尺寸、工艺一致性。
2. RDL失效
重布线层可能出现：金属裂纹、线路断裂、层间分离。
3. 界面分层
不同封装材料之间由于材料性能差异，可能产生：芯片与封装材料分离、RDL与介质层脱离。
4. 焊点连接失效
焊点长期受到温度变化和机械应力作用，可能出现：焊点疲劳、裂纹扩展、连接阻抗变化。
六、WLP晶圆级封装可靠性测试方法
WLP可靠性测试主要用于评价封装结构在机械载荷、热循环以及长期使用条件下的稳定性。
其中，力学可靠性测试主要包括：
1. 微凸点剪切测试
微凸点剪切测试用于评价微凸点与芯片焊盘之间的结合强度。
测试原理：测试过程中，通过剪切刀具水平移动，对微凸点施加剪切力，使其发生破坏。
测试过程中记录：最大剪切力、位移变化、力-位移曲线、测试结果分析
通过测试数据可以评价：微凸点连接强度、焊接工艺稳定性、失效位置。
常见失效模式：凸点内部断裂、凸点与焊盘界面脱离、基材损伤。
2. 焊球推力测试
焊球推力测试主要用于：WLP封装、CSP封装、BGA封装。
测试时，通过推刀对焊球施加水平载荷，使焊球发生剪切破坏。
主要评价：焊球结合强度、焊接质量、封装连接可靠性。
3. 芯片剪切测试
芯片剪切测试用于评价：芯片与基板结合强度、胶层粘接性能、焊接界面质量。
测试过程中，通过剪切刀施加载荷，使芯片与基材发生分离。
4. 金线拉力测试
对于采用引线键合结构的封装，需要进行金线拉力测试。
测试对象包括：金线、铜线、铝线。
通过拉钩施加载荷，检测：最大拉力、断裂位置、键合质量。
七、推拉力测试机在WLP可靠性测试中的应用
WLP封装中的微凸点、焊球以及键合结构尺寸较小，测试过程中需要控制加载位置、加载速度以及测试力值。
推拉力测试机主要用于：微凸点剪切测试、焊球推力测试、芯片剪切测试、金线拉力测试。
测试过程中，通过高精度力传感器采集载荷变化，并结合位移数据生成力-位移曲线。
测试结果可以用于分析：封装连接强度、工艺一致性、失效模式、产品可靠性。
科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机针对半导体封装测试需求，可用于WLP、CSP、BGA等封装结构的微凸点剪切、焊球推力、芯片剪切以及键合线拉力测试，为封装工艺验证和质量分析提供数据支持。
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