扇出型晶圆级封装有哪些机械结构？FOWLP可靠性的推拉力测试解析

随着芯片I/O数量增加以及封装尺寸不断缩小，传统晶圆级封装在互连密度和布线空间方面面临更高要求。扇出型晶圆级封装（Fan-Out Wafer Level Packaging，FOWLP）通过芯片重构和RDL再布线，将I/O区域扩展至芯片外围，可以在较小封装尺寸下提供更多互连位置，目前已应用于多种高密度半导体封装场景。

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那么，扇出型晶圆级封装是什么？FOWLP中有哪些关键机械结构？不同连接位置的机械性能应该怎么测试？推拉力测试机又可以用于哪些测试项目？本文科准测控小编将从FOWLP封装结构出发，重点介绍其机械连接结构、机械性能测试方法以及Alpha-W260自动推拉力测试机的应用。

一、什么是扇出型晶圆级封装？

扇出型晶圆级封装，英文简称FOWLP（Fan-Out Wafer Level Packaging），是一种通过芯片重构、塑封以及RDL再布线实现I/O向芯片外围扩展的晶圆级封装技术。

传统Fan-In WLP的I/O主要位于芯片投影面积以内，当芯片尺寸较小、I/O数量不断增加时，可用于布置焊盘和互连的位置会受到限制。FOWLP则将切割后的Die按照一定间距重新排列，并通过塑封材料形成重构结构，再在芯片及周围区域制作RDL。

由于RDL可以从芯片原有Pad向外围区域延伸，因此外部I/O不再局限于Die本身的面积，这也是“Fan-Out扇出”的主要特点。对于多芯片Fan-Out结构，还可以将多个Die集成在同一个重构封装中，再通过高密度RDL实现芯片之间的互连。

二、FOWLP有哪些关键机械结构？

从机械可靠性的角度来看，FOWLP是由Die、塑封材料、RDL、介电层、焊盘及焊球等多个部分共同组成。不同位置的材料、连接方式和受力状态不同，因此需要关注的机械可靠性问题也不同。

1. Die与塑封结构

在FOWLP中，Die被嵌入Mold塑封材料形成重构结构。

芯片材料与塑封材料在热膨胀特性、弹性模量等方面存在差异，在塑封固化、后续制程以及温度变化过程中可能产生热机械应力。

因此需要关注Die位置偏移、Die周围界面分层、局部裂纹以及封装翘曲等问题。

特别是重构结构产生明显翘曲后，还可能进一步影响后续RDL制作、植球及组装。

2. RDL再布线结构

RDL（Redistribution Layer）是FOWLP实现I/O扇出的关键结构。

它将芯片原有Pad重新引出，并通过芯片外围区域扩大互连范围。

RDL通常与介电层、Via等共同构成多层互连结构。在温度变化或外部机械载荷作用下，需要关注RDL金属线路裂纹、Via附近失效、介电层开裂以及金属/介电层界面分层等问题。

需要注意的是，RDL并不是简单进行一次推力测试就能够完成可靠性评价的结构，通常需要结合温度循环、电性能、截面分析等方法进行验证。

3. 焊球及焊盘结构

焊球是FOWLP与PCB或其他基板建立外部连接的重要结构，同时承担电气互连和一定的机械载荷。

焊球区域可能出现焊料内部断裂、焊球/焊盘界面失效、焊盘剥离以及周围介质层损伤等。

相比RDL等内部结构，焊球具有明确的机械加载位置，因此也是FOWLP比较典型的机械强度测试对象。

4. 其他局部微连接结构

随着Fan-Out封装向多芯片和高密度集成发展，不同封装架构中还可能存在其他局部微连接或固定结构。如果这些结构具备明确的机械加载位置，可以根据其尺寸、材料、连接方向及周围空间设计对应的推力、剪切或拉力测试。

三、FOWLP机械性能怎么测试？

不同结构对应的失效机制不同，因此FOWLP机械性能测试需要根据实际测试对象分别进行。

1. Ball Shear焊球剪切测试

对于FOWLP外部焊球，可以进行Ball Shear测试。

测试时，将封装样品固定在测试平台上，通过显微视觉系统确定目标焊球位置。

剪切工具移动至焊球侧面，并根据焊球尺寸和实际结构设置合适的剪切高度，随后沿接近平行于封装表面的方向进行加载。

测试过程中记录力—位移曲线及最大剪切力。

完成测试后，还需要观察具体失效位置，例如焊料内部断裂；焊球与焊盘界面脱离；焊盘剥离；周围基材损伤。

因此，评价焊球机械可靠性不能只比较最大剪切力，还需要结合失效模式进行分析。

2. 局部微连接推力/剪切测试

如果Fan-Out封装中存在其他可以直接加载的微连接结构，可根据实际尺寸选择对应的微型推刀。

测试基本过程为：样品固定 → 显微定位 → 选择测试工具 → 设置加载位置及高度 → 进行推力/剪切测试 → 记录力值 → 观察失效位置。

对于微小结构，推刀高度和加载方向尤其重要。如果工具位置不合适，可能直接作用于基板或其他结构，影响测试结果。

3. 可靠性试验前后机械强度对比

FOWLP还可以结合温度循环、高温存储等可靠性试验，对老化前后的可机械加载互连结构进行强度测试。

例如在相同测试条件下，对比焊球剪切力及失效模式变化，可以辅助分析环境应力对连接结构机械性能的影响。

但机械强度测试只是FOWLP可靠性评价的一部分，不能代替完整的环境、电气及结构可靠性测试。

四、推拉力测试机在FOWLP中的应用

FOWLP中的焊球及部分微连接具有尺寸小、Pitch较密、测试点数量多等特点。因此进行机械强度测试时，不仅需要准确测量力值，还需要准确控制测试位置、剪切高度和运动方向。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据FOWLP实际封装结构配置相应力值模块、微型剪切工具及测试工装，并通过显微视觉系统对目标连接位置进行定位。

针对不同FOWLP样品，可用于Ball Shear焊球剪切测试；局部微连接推力/剪切测试；不同位置焊球强度一致性测试；可靠性试验前后机械强度对比。

对于规则排列的焊球阵列，还可进行多测试点定位，将不同测试位置与对应力值数据进行记录，便于比较封装中心、边缘以及不同区域焊球的机械连接状态。

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