当下半导体先进制程已逼近物理极限，摩尔定律迭代节奏持续放缓。扇出型晶圆级封装（FOWLP）依托晶圆重构工艺，打破了传统扇入式封装在I/O引脚数量上的固有瓶颈，结合多层再布线（RDL）核心工艺，实现引脚间距微型化、封装厚度轻薄化，有效削减高频信号传输损耗，显著提升芯片整体集成能力。该技术凭借突出性能优势，近些年广泛应用于消费电子、高性能计算等核心领域，已然成为先进封装赛道的主流技术，也是后摩尔时代延续芯片性能升级的核心突破口。但受精密化结构设计与复杂化制造流程影响，FOWLP在长期使用中的可靠性隐患不断加剧，逐渐成为制约技术规模化落地的关键难题。

   在FOWLP 中存在两个重要概念,即扇出型封装和晶圆级封装。如图所示,扇出型封装(Fan-out)是与扇入型封装(Fan-in)对立的概念,传统扇入型封装的I/O 接口均位于晶粒(Die)的下方,I/O 接口的数量受限于芯片尺寸的大小,随着芯片技术的发展,I/O接口的数量已经成为制约芯片性能发展的短板之一,而扇出型封装则可以利用重布线(RDL)技术和模塑化合物提供的额外芯片面积,将I/O 接口分布在晶粒之外,大大增加了芯片I/O 接口数量,从而满足芯片日益增长的吞吐需求。

 Fan-out 封装与Fan-in 封装示意图

1）芯片偏移

   芯片偏移，即晶粒发生位置偏离的缺陷问题，可借助高倍显微设备直观观测。该缺陷成因主要分为两类：一是晶圆重构加工精度偏差，二是各制程工序产生的附加应力。

   造成芯片偏移的核心应力分为两类：其一为流体流动应力，源于环氧塑封料固化成型过程中物料流动产生的阻力；其二为热机械应力，由封装结构热胀冷缩、塑封料固化收缩及晶圆翘曲共同引发。和晶圆翘曲问题相近，芯片偏移会直接干扰 RDL 光刻制程精度，进而造成芯片线路开路失效。

   行业普遍结合仿真建模与试验测试，探究两类应力的作用强度与影响机理。Cheng 等人以环氧塑封料为基础搭建流体模型，证实重构晶圆边缘晶粒偏移问题最突出，边缘区域应力集中是主要诱因。Wu 团队通过仿真对比，指出热机械应力对芯片偏移的主导作用更强。Ouyang 等针对特殊塑封料构建动力学模型，可有效预测封装过程的形变趋势。另有研究表明，临时载体黏附强度不足，是晶圆重构阶段芯片偏移的直接诱因。

   整体来看，相较于晶圆翘曲，芯片偏移的应力诱因更少，失效机理更为明确、清晰。

2）重布线层分层

   重布线层（RDL）常用有机绝缘材料包括聚酰亚胺（PI）、聚苯并恶唑（PBO）、苯并环丁烯（BCB）及酚醛树脂等。其中，PBO 机械强度最高但热膨胀系数偏大；BCB 电学性能优异但机械强度最差；PI 伸长率超 30%、热膨胀系数适中，是目前综合性能最优、应用最广的 RDL 材料。不过 PI 固化温度通常超 300℃，低温改良型也需 200℃以上，对工艺要求较高。Okada 等人通过测试不同材料与铜界面的结合强度，建立了可预测不同温度下分层风险的仿真模型。

   RDL 分层多在温度循环测试后出现：不同材料层反复热胀冷缩，界面疲劳应力累积导致开裂。冲击测试中也会观察到分层，Lau 等研究表明，封装受冲击后约 0.0023 秒、四角位置的最下层 RDL 应力最大，易开裂。

RDL 分层是扇出型封装的常见失效形式。但因 RDL 结构与工艺复杂、材料组合定制化强，仿真建模难度高，通常需针对不同封装结构单独分析。

重布线工艺流程图

3）焊点开裂

   FOWLP 朝着多 I/O、小型化、高密度焊点方向发展，焊点尺寸不断缩小，单点承载应力显著增大，焊点开裂等可靠性问题愈发严峻。

  有限元仿真是评估焊点可靠性、优化封装设计的重要手段。Lau 等人建立温变相关的三维非线性模型，借助加速因子换算，实现工况下焊点寿命预测。Wang 基于能量平衡原理分析焊球形貌，结合 Coffin‑Manson 模型评估焊点疲劳寿命。Lee 通过非线性仿真，探究热循环与制程耦合影响，分析锡银焊料的塑性、蠕变特性，并对结构尺寸、底部填充材料开展参数化研究。

   不同环境载荷下，焊点失效形式存在差异。跌落测试多出现焊球界面断裂、PCB 焊盘损伤；温度循环工况则以焊球界面开裂、重布线层裂纹为主。

在批量检测领域，有研究结合扫描声学显微镜与 FCM 聚类算法，构建智能识别模型，可实现高密度焊点的快速缺陷筛查与可靠性检测。

4）晶圆翘曲

  晶圆翘曲是重构晶圆在加工过程中，因热机械应力累积而产生的宏观形变。该现象会降低后续掩膜光刻精度，限制重布线层密度提升，还易导致中介层分层、焊球开裂脱落；晶圆尺寸越大，应力越集中，翘曲越明显，已成为制约 FOWLP 发展的关键问题。

  晶圆翘曲测量多采用无接触光学手段，主要分为两类：一是光学干涉测量（如影子云纹法、泰曼 - 格林干涉法等），通过光栅干涉图像表征晶圆曲率；二是激光扫描测量，经激光扫描定位后，通过计算机拟合得出翘曲情况。

   准确测量重构晶圆材料特性，是分析翘曲应力的前提。Cheng 等人采用差示扫描量热法、动态力学分析、热机械分析仪等手段，表征环氧塑封料的固化状态、杨氏模量及热膨胀系数，为应力分析和翘曲成因研究提供支撑。

环氧塑封料固化收缩、不同材料热膨胀系数不匹配，是晶圆翘曲的主要诱因。此外，硅的各向异性、塑封料粘弹性松弛、后续高温制程（如再布线、植球）也会影响翘曲；研究表明，塑封料化学收缩、重力对翘曲的影响较小。

   重构晶圆在制程中，翘曲曲率、形态与方向会发生剧烈变化，最大翘曲往往出现在去载流子工序，而非制程末端。因此，想要保障良率，需对全流程翘曲状态实时监测管控，不能只做最终检测。Wu 等人依托温控实验装置模拟制程温变，优化干涉检测设备，完成晶圆全局热变形分析，为工艺参数优化提供依据。研究表明，晶圆厚度与翘曲并非线性相关：厚度小于 0.6 mm 时，厚度增加会加剧材料热失配引发的翘曲；厚度超过 0.6 mm 后，晶圆抗弯刚度大幅提升，可有效抑制形变。此外，增大晶粒间距与尺寸，也能够改善晶圆翘曲问题。

   流体流动作用与热机械应力是造成芯片偏移的两大核心因素。调整塑封速率、固化温度、晶粒尺寸及塑封料厚度，可削弱流体阻力带来的偏移；选用低膨胀系数临时载体、优化晶粒与塑封料结构，能够缓解热机械应力引发的缺陷。但两类优化方案存在参数冲突，需结合封装结构，通过仿真建模与试验权衡参数，以此控制芯片偏移。

   植球工艺参数直接影响焊点可靠性。焊接温度过低、时间过短，界面冶金反应不充分，焊点力学强度较差；适度提升温区与时长，可强化界面结合性能；但若温度过高、保温时间过长，会加剧焊料氧化、产生孔洞，增厚脆性金属间化合物，反而降低焊点强度。综合试验验证，260 ℃、保温 10 s 为最优焊接工艺参数。

   重布线层分层，常由生产环境杂质污染、制程残留物清理不到位引发。生产中需严格管控环境洁净度，结合检测技术溯源污染物；同时优选热膨胀匹配、界面粘结性优异的绝缘材料，从材料端降低分层风险。传统减材制备工艺存在局限，新型增材打印工艺在改善 RDL 分层缺陷方面具备发展潜力，目前仍存在诸多工艺难题亟待突破。