RDL技术大揭秘：决胜扇出型板级封装的利器

作者：李晓延 2021-11-12

来源：爱集微 #RDL# #亚智科技# #连线#

从晶圆代工厂、封装厂到IC设计公司和系统厂商，都开始将先进封装作为突破摩尔定律的一个方向。先进封装作为晶圆制造的后道工序，在持续压缩芯片体积、提高加工效率、提高设计效率和减少设计成本方面不断发挥重要作用。

相比于传统封装，先进封装具有提升芯片功能密度、缩短互联长度和进行系统重构三大功能。这其中，RDL（Re-distributed layer，重布线层）技术的运用功不可没。也正是这项技术的兴起，使得封装厂得以在扇出型封装技术上与晶圆厂一较高下。

先进封装催生RDL

RDL是将原来设计的芯片线路接点位置(I/O pad)，通过晶圆级金属布线制程和凸块制程改变其接点位置，使芯片能适用于不同的封装形式。

高精密设备制造商Manz亚智科技技术处长李裕正指出，如何将尺寸极小但功能强大的芯片放到印刷电路板上做成一个系统，需要封装技术进一步发展，必然依赖互联技术的微缩化。而RDL可以把不同种类的芯片连接在一起，所以是一个非常重要的互联技术。

RDL的优势主要有三点：首先是芯片设计者可以通过对RDL的设计代替一部分芯片内部线路的设计，从而降低设计成本；其次是采用RDL能够支持更多的引脚数量；第三是采用RDL可以使I/O触点间距更灵活、凸点面积更大，从而使基板与元件之间的应力更小、元件可靠性更高。

扇出型封装的成熟促进了RDL的发展。在扇入型封装中，RDL只能向内走线，当I/O数量达到200左右，层间间距在0.6mm时，往往就力不从心了。但在扇出型封装中，RDL既可以向内走线，也可以向外走线，从而可以实现更多的I/O，以及更薄的封装。

扇出型封装又分为扇出型晶圆级封装（Fan-Out Wafer Level Packaging；FOWLP），以及扇出型面板级封装（Fan-Out Panel Level Packaging；FOPLP）。两者虽工艺路线及应用不同，但皆可让产品达成轻薄外型。

厦门云天半导体科技有限公司董事长于大全表示，FOPLP技术的雏形是埋入基板式的封装，将一些无源器件或功率器件埋入在基板里面进行RDL互连，形成一个小型化的解决方案。随后业内发现相比FOWLP，它的封装尺寸更大，成本更低，很快就成为封装领域的研发热点。

FOWLP擅长于CPU、GPU、FPGA等大型芯片，FOPLP则以APE、PMIC等为主。通过RDL技术将不同的芯片整合在单一封装体中，可以使FOPLP实现更细线宽线距，达到与FOWLP相同的效果。

李裕正表示，RDL工艺制作的线宽符合晶圆和板级封装1～10μm之间的范围。同时，RDL层使用了高分子聚合物(Polymer)为基础的薄膜材料来制作，可以取代硅中介层跟封装载板，不仅省下大量成本，也让芯片的封装厚度明显降低。

以工艺细节的演进来看，RDL的出现也是一个必然现象。深圳中科四合科技有限公司 CTO丁鲲鹏表示：“晶圆上的焊盘大部分是铝焊盘，无论是做晶圆级封装还是板级封装，因为铝金属不易做后续处理，都需要用另外的金属来覆盖铝，RDL就应运而生。”

于大全认为RDL研发占比会在先进封装中进一步提升，“像Wire bonding在传统封装里的应用一样，未来RDL在芯片封装里肯定会得到更多的应用。”

应用爆发带来RDL进一步扩展

伴随着工艺成熟度不断提升，RDL应用空间正在进一步拓展。

首当其冲的就是在异构集成中的应用。这种将不同工艺单独制造的芯片封装在一起的工艺，要通过RDL来进行I/O的变换，最终实现多芯片的堆叠。当接下来几年出现外观、性能、功耗和完整性更高水平的异构集成时，RDL就是不同芯片之间相互通信的最好实现途径。

其次是采用SMT技术的被动元器件，如果要适应系统微缩的趋势，就会将RDL整合到工艺中，形成一个系统电路。

再者，mini LED或Micro LED的封装也适合采用RDL。这些应用多采用类似IC一样的载板进行封装，同样面临材料短缺的困境。当采用板级RDL之后，就可以制作高品质的精细线路，形成一个大面积的面板，从而大幅降低成本。

李裕正特别指出，板级RDL工艺提供具有成本效益及较大面积的制造方式。以同样的方式制造，将RDL工艺适用于micro LED和被动元件制造，相比FOWLP（300mm晶圆，芯片尺寸8mm×8mm）可降低66%的成本。”

从这点也可以看出RDL对FOPLP的重要性。如果充分发挥RDL的特性，FOPLP将具有显著的成本及效能优势。要知道，FOPLP面积使用率>95%，FOWLP面积使用率则<85%。

FOPLP如今面临了极其难得的发展机遇。根据Yole的报告，5G、AI和IoT的发展将推升FOPLP全球产值在2024年达457百万美元，未来5年的年复合成长率高达30%。如果再叠加FOWLP的应用空间，RDL前景将不可限量。

同时，当前主流的RDL线宽仍在5-5μm及以上，当5G需求爬坡以及存储器带宽需求变高时，将推动市场对3-3μm和2-3μm及以下的更小CD（关键尺寸）的RDL需求。Yole报告指出，云基础设施、5G、自动驾驶和人工智能革命将塑造未来十年的封装趋势，密度更高的多层RDL积层结构方法将成为有助于在系统层面满足“超越摩尔”的解决方案之一。

以设备精细化应对RDL未来挑战

扇出型技术主要可以分为三种类型：芯片先装/面朝下（chip-first/face-down）、芯片先装/面朝上（chip-first/face-up）和芯片后装（chip-last，有时候也称为RDL first）。前面两种chip first需要在扇出表面做精细布线，RDL first则需要在晶圆和面板（载具）上线做精细布线，布线能力会更高。封装厂商如果要做出精良的扇出型封装，只能采用RDL first制程。

于大全认为，未来FOPLP若全面走向RDL First，需要的RDL是非常精密的，技术挑战也更高。比如，铜互联要实现微纳或者纳米级别的组织调控，采用自由取向的再布线技术，对RDL的研发也提出了很苛刻的要求。

他进一步指出，从FOPLP所对应的产品类型来看，所需要的RDL还没有FOWLP那么精密，这也跟其当前所用的设备和工艺关联度很大，但要实现高精度的布线，需要材料、设备进一步的升级。

在当前的扇出型封装中，有一个很大的挑战就是如何形成高膜厚均匀性且高分辨率的RDL层，这是对封装厂的考验，更是对设备厂商的考验。

对于此，李裕正认为设备厂商应该从细节处着手，“以Manz亚智科技为例，考虑到基板已经很重，专门开发了无治具的模组，可以让基板直接密合到反应槽上，而不需要另外承载的治具，大幅缩减了系统的重量。”

Manz亚智科技的电镀无治具模组

李裕正表示：“Manz亚智科技还开发了专利技术，可以让垂直电镀在反应完成之后，快速地净空圈子，使电镀均匀性大于90%。此外，在细线路制作上面，也可以提供给客户一些特殊需求的设计制作。”

Manz亚智科技用于RDL的湿法制程设备

李裕正认为板级RDL所面临的其他挑战，如基板增大带来的重量增加，铜导线制程在生产中的问题等，都可以通过精细的设计来解决。比如，Manz亚智科技提供了特殊的设计来处理沉重的基板和材料的翘曲。另外，在容易与基板接触的部分，Manz亚智科技通过特殊的处理，可以在短时间内完成显影、剥膜及蚀刻的部分，使均匀性达到90%以上。