隨著芯片I/O數量增加以及封裝尺寸不斷縮小，傳統晶圓級封裝在互連密度和布線空間方面面臨更高要求。扇出型晶圓級封裝（Fan-Out Wafer Level Packaging，FOWLP）通過芯片重構和RDL再布線，將I/O區域擴展至芯片外圍，可以在較小封裝尺寸下提供更多互連位置，目前已應用于多種高密度半導體封裝場景。

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那么，扇出型晶圓級封裝是什么？FOWLP中有哪些關鍵機械結構？不同連接位置的機械性能應該怎么測試？推拉力測試機又可以用于哪些測試項目？本文科準測控小編將從FOWLP封裝結構出發，重點介紹其機械連接結構、機械性能測試方法以及Alpha-W260自動推拉力測試機的應用。

一、什么是扇出型晶圓級封裝？

扇出型晶圓級封裝，英文簡稱FOWLP（Fan-Out Wafer Level Packaging），是一種通過芯片重構、塑封以及RDL再布線實現I/O向芯片外圍擴展的晶圓級封裝技術。

傳統Fan-In WLP的I/O主要位于芯片投影面積以內，當芯片尺寸較小、I/O數量不斷增加時，可用于布置焊盤和互連的位置會受到限制。FOWLP則將切割后的Die按照一定間距重新排列，并通過塑封材料形成重構結構，再在芯片及周圍區域制作RDL。

由于RDL可以從芯片原有Pad向外圍區域延伸，因此外部I/O不再局限于Die本身的面積，這也是“Fan-Out扇出"的主要特點。對于多芯片Fan-Out結構，還可以將多個Die集成在同一個重構封裝中，再通過高密度RDL實現芯片之間的互連。

二、FOWLP有哪些關鍵機械結構？

從機械可靠性的角度來看，FOWLP是由Die、塑封材料、RDL、介電層、焊盤及焊球等多個部分共同組成。不同位置的材料、連接方式和受力狀態不同，因此需要關注的機械可靠性問題也不同。

1. Die與塑封結構

在FOWLP中，Die被嵌入Mold塑封材料形成重構結構。

芯片材料與塑封材料在熱膨脹特性、彈性模量等方面存在差異，在塑封固化、后續制程以及溫度變化過程中可能產生熱機械應力。

因此需要關注Die位置偏移、Die周圍界面分層、局部裂紋以及封裝翹曲等問題。

特別是重構結構產生明顯翹曲后，還可能進一步影響后續RDL制作、植球及組裝。

2. RDL再布線結構

RDL（Redistribution Layer）是FOWLP實現I/O扇出的關鍵結構。

它將芯片原有Pad重新引出，并通過芯片外圍區域擴大互連范圍。

RDL通常與介電層、Via等共同構成多層互連結構。在溫度變化或外部機械載荷作用下，需要關注RDL金屬線路裂紋、Via附近失效、介電層開裂以及金屬/介電層界面分層等問題。

需要注意的是，RDL并不是簡單進行一次推力測試就能夠完成可靠性評價的結構，通常需要結合溫度循環、電性能、截面分析等方法進行驗證。

3. 焊球及焊盤結構

焊球是FOWLP與PCB或其他基板建立外部連接的重要結構，同時承擔電氣互連和一定的機械載荷。

焊球區域可能出現焊料內部斷裂、焊球/焊盤界面失效、焊盤剝離以及周圍介質層損傷等。

相比RDL等內部結構，焊球具有明確的機械加載位置，因此也是FOWLP比較典型的機械強度測試對象。

4. 其他局部微連接結構

隨著Fan-Out封裝向多芯片和高密度集成發展，不同封裝架構中還可能存在其他局部微連接或固定結構。如果這些結構具備明確的機械加載位置，可以根據其尺寸、材料、連接方向及周圍空間設計對應的推力、剪切或拉力測試。

三、FOWLP機械性能怎么測試？

不同結構對應的失效機制不同，因此FOWLP機械性能測試需要根據實際測試對象分別進行。

1. Ball Shear焊球剪切測試

對于FOWLP外部焊球，可以進行Ball Shear測試。

測試時，將封裝樣品固定在測試平臺上，通過顯微視覺系統確定目標焊球位置。

剪切工具移動至焊球側面，并根據焊球尺寸和實際結構設置合適的剪切高度，隨后沿接近平行于封裝表面的方向進行加載。

測試過程中記錄力—位移曲線及最大剪切力。

完成測試后，還需要觀察具體失效位置，例如焊料內部斷裂；焊球與焊盤界面脫離；焊盤剝離；周圍基材損傷。

因此，評價焊球機械可靠性不能只比較最大剪切力，還需要結合失效模式進行分析。

2. 局部微連接推力/剪切測試

如果Fan-Out封裝中存在其他可以直接加載的微連接結構，可根據實際尺寸選擇對應的微型推刀。

測試基本過程為：樣品固定 → 顯微定位 → 選擇測試工具 → 設置加載位置及高度 → 進行推力/剪切測試 → 記錄力值 → 觀察失效位置。

對于微小結構，推刀高度和加載方向尤其重要。如果工具位置不合適，可能直接作用于基板或其他結構，影響測試結果。

3. 可靠性試驗前后機械強度對比

FOWLP還可以結合溫度循環、高溫存儲等可靠性試驗，對老化前后的可機械加載互連結構進行強度測試。

例如在相同測試條件下，對比焊球剪切力及失效模式變化，可以輔助分析環境應力對連接結構機械性能的影響。

但機械強度測試只是FOWLP可靠性評價的一部分，不能代替完整的環境、電氣及結構可靠性測試。

四、推拉力測試機在FOWLP中的應用

FOWLP中的焊球及部分微連接具有尺寸小、Pitch較密、測試點數量多等特點。因此進行機械強度測試時，不僅需要準確測量力值，還需要準確控制測試位置、剪切高度和運動方向。

科準測控Alpha-W260自動推拉力測試機可根據FOWLP實際封裝結構配置相應力值模塊、微型剪切工具及測試工裝，并通過顯微視覺系統對目標連接位置進行定位。

針對不同FOWLP樣品，可用于Ball Shear焊球剪切測試；局部微連接推力/剪切測試；不同位置焊球強度一致性測試；可靠性試驗前后機械強度對比。

對于規則排列的焊球陣列，還可進行多測試點定位，將不同測試位置與對應力值數據進行記錄，便于比較封裝中心、邊緣以及不同區域焊球的機械連接狀態。

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