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圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)是近年来迅速发展的一种先进封装工艺，该技术包含很多特殊的工艺制程，如再布线层（RDL）制作、凸点制备等。晶圆在经历这些工艺过程后内部会积累较大的应力，应力的宏观表现即为晶圆的翘曲变形。较大的晶圆翘曲会严重影响后续工艺的精度及自动化操作，同时带来诸多可靠性问题。目前，随着芯片集成度的不断提高，以及大尺寸晶圆的采用，晶圆翘曲问题也变得越来越严峻，已成为WLCSP发展所面临的主要挑战之一。 本文对WLCSP中的晶圆翘曲及相关可靠性问题进行了深入研究。由于翘曲本质是由各封装材料的物理特性不同所致，因此，研究从材料的物理特性着手，分析各封装材料的热机械特性及对晶圆翘曲的影响，进而结合WLCSP工艺流程中翘曲的演变测试结果，系统分析了翘曲的产生机理，在此基础上提出翘曲的优化方案。具体的研究内容包括以下几方面。 材料方面，对于聚酰亚胺(PI)，分析了其模量与温度、频率的关系，并在频域上利用测得的数据为其建立了Maxwell粘弹性模型。对于电镀铜薄膜，研究了其在温度循环过程中的塑性变形，并建立了随动强化弹塑性模型。在此基础上，进一步研究了PI/铜薄膜叠层结构在温度循环中的热力学特性及对晶圆翘曲的影响。 翘曲产生机理方面，首先建立了晶圆级翘曲原位测试平台，在对WLCSP工艺流程的研究基础上，测试工艺过程中翘曲的实时演变，并结合材料特性对翘曲的产生机理进行了分析。发现翘曲主要由各材料的热膨胀系数不同所导致，PI的固化收缩对翘曲影响较小。RDL中的铜布线在工艺过程中会发生塑性变形，对翘曲-温度曲线及最终的翘曲值均有重要影响。 翘曲优化方面，主要从工艺参数、几何参数、布线方式、新型圆片级封装结构设计四个方面对晶圆翘曲进行优化研究。发现PI固化过程中较小的降温速率可缓解晶圆翘曲。几何参数优化主要通过有限元仿真进行，提出了拟合-外推法来实现整个晶圆的翘曲仿真。布线方式方面，交叉布线可使得晶圆各方向上的翘曲更加均匀，从而减小整体翘曲值。最后，通过在晶圆上设计制作隔离槽结构，使得芯片之间的应力实现去耦合，从而有效减小最终的晶圆翘曲。 翘曲形态方面，主要从理论分析、仿真模拟、实验测试三方面对晶圆减薄过程中的翘曲形态演变进行了系统研究，发现翘曲的多种形态是由于晶圆发生屈曲变形所致，借助于屈曲分析的相关理论，实现了多种翘曲形态的有限元仿真，并进行实验验证。