先進(jìn)封裝關(guān)鍵工藝設(shè)備面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

王志越，易 輝，高尚通

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

集成電路先進(jìn)封裝主要指以BGA、CSP和WLP為代表的面陣列封裝、以及MCM、3D封裝和SiP。先進(jìn)封裝源自常規(guī)封裝，先進(jìn)封裝是常規(guī)封裝發(fā)展的必然。常規(guī)封裝主要是用引線框架承載芯片的封裝形式，而先進(jìn)封裝引腳以面陣列引出，承載芯片大都采用高性能多層基板。常規(guī)封裝有四大功能，即芯片機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)、接通電源、引出信號線和接地線、以及芯片熱通路。先進(jìn)封裝在這四大功能的基礎(chǔ)上，更肩負(fù)了提高芯片規(guī)模、擴(kuò)展芯片功能和提高可靠性的作用，做硅集成電路完全做不到的各種電路集成?？梢哉f，先進(jìn)封裝和組裝的作用正在向系統(tǒng)集成方向迅速發(fā)展與擴(kuò)張，在傳統(tǒng)的摩爾定律實(shí)施越來越困難時，封裝與組裝的創(chuàng)新可以緩解和解決這個難題，先進(jìn)封裝可以解決超越摩爾的問題。

國際上，在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初集成電路封裝測試領(lǐng)域已經(jīng)完成常規(guī)封裝向先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變，我國封裝測試行業(yè)最近4年才開始向先進(jìn)封裝發(fā)展，如 WLP/CSP、FC、BGA、aQFN、MCM 和3D封裝/SiP等?！笆晃濉眹抑卮罂萍鸡?xiàng)推動我國先進(jìn)封裝迅速發(fā)展。這一轉(zhuǎn)變激發(fā)了我國計(jì)算機(jī)、無線通訊、互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)為代表的消費(fèi)類產(chǎn)品的爆炸性增長，從而帶動了集成電路的一路上揚(yáng)。這給集成電路封裝乃至封裝設(shè)備帶來極好的市場機(jī)遇，同時封裝設(shè)備也遇到了前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

先進(jìn)封裝是前道芯片工藝不斷發(fā)展和擴(kuò)展的產(chǎn)物。先進(jìn)封裝把芯片物化成可以使用的集成電路，而封裝設(shè)備是實(shí)現(xiàn)各種封裝的必不可少的手段。先進(jìn)封裝的發(fā)展對封裝工藝設(shè)備不斷提出越來越高的要求。有的先進(jìn)封裝工藝需要全新的封裝設(shè)備，必須盡快研發(fā)；有的先進(jìn)封裝工藝需要在原有的設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，增加新的功能；有的先進(jìn)封裝工藝需要幾種原有的設(shè)備功能集成為一個整體設(shè)備?？梢哉f，先進(jìn)封裝工藝設(shè)備面臨的機(jī)遇是空前的，挑戰(zhàn)也是空前的。

1 先進(jìn)封裝工藝設(shè)備

因?yàn)橄冗M(jìn)封裝的種類繁多，每種先進(jìn)封裝的工藝流程都不盡相同，所采用的設(shè)備也各種各樣。我們不妨把各種先進(jìn)封裝工藝分成三段：第一段：晶圓級工藝；第二段：芯片級封裝工藝；第三段：塑料封裝工藝及以后。然后，把每一段分解出主要的共性工藝技術(shù)，再理出每種共性技術(shù)所需要的設(shè)備。最后，我們對最關(guān)鍵的幾種設(shè)備進(jìn)行分析，來論述先進(jìn)封裝設(shè)備的挑戰(zhàn)問題。

1.1 晶圓級工藝及其封裝設(shè)備

第一段：晶圓級工藝。在這一工藝段，所有的工藝加工都是在晶圓上進(jìn)行的，無論是150 mm、200 mm還是300 mm的晶圓。目前發(fā)展最為迅速的是WLP。WLP的關(guān)鍵技術(shù)包括：重新布線技術(shù)、凸點(diǎn)制造技術(shù)、硅通孔互連技術(shù)、扇出技術(shù)、以及晶圓減薄技術(shù)和晶圓劃片技術(shù)。其它先進(jìn)封裝形式如BGA、CSP、3D封裝和SiP所涉及的晶圓工藝主要是晶圓減薄技術(shù)和晶圓劃片技術(shù)。這段工藝所需要的設(shè)備如表1所述。

表1 先進(jìn)封裝晶圓級工藝所需設(shè)備

1.2 芯片級封裝工藝及其封裝設(shè)備

第二段：芯片級封裝工藝。在這一工藝段，主要在芯片級進(jìn)行加工。首先，把芯片從晶圓上取下，安裝到引線框架、多層基板或載體上，這是裝片工藝，使用裝片機(jī)（DB）。然后用引線鍵合或倒裝芯片方法完成芯片上焊盤和引線框架、多層基板或載體上引腳的連接。這是鍵合工藝，使用引線鍵合機(jī)或倒裝芯片鍵合機(jī)。第二段工藝所需的主要設(shè)備如表2。

1.3 塑封工藝及其封裝設(shè)備

第三段：塑封工藝技術(shù)（含塑封及后序工藝）。這段工藝主要把安裝好和鍵合好的芯片用塑封料進(jìn)行包封，然后再固化、打印、切割、測試、編帶包裝等工藝過程。這段工藝的設(shè)備示于表3。

2 關(guān)鍵封裝工藝設(shè)備的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

通過表1可見，對于WLP/CSP的封裝設(shè)備，除了倒裝芯片鍵合機(jī)、回流焊爐、印刷機(jī)、電鍍線、植球機(jī)以及晶圓減薄機(jī)、晶圓劃片機(jī)以外，其余的設(shè)備基本上都是半導(dǎo)體薄膜工藝設(shè)備，在本文中不作敘述。在表1至表3中，我們選擇通用性好、技術(shù)性強(qiáng)、用途廣和權(quán)重高的封裝設(shè)備作為我們的重點(diǎn)分析對象。這些封裝設(shè)備包括：晶圓減薄機(jī)、晶圓劃片機(jī)、倒裝芯片鍵合機(jī)、引線鍵合機(jī)、裝片機(jī)、切割機(jī)和aQFN（先進(jìn)QFN或多圈QFN）塑封設(shè)備等。

表2 先進(jìn)封裝芯片級封裝工藝所需要的主要設(shè)備

表3 塑封工藝及后序所需要的主要設(shè)備

2.1 晶圓減薄機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

其實(shí)，晶圓減薄工藝一直存在，只不過隨著先進(jìn)封裝尤其3D封裝的要求越來越苛刻，所以才變得越來越重要。國際上，把芯片和晶圓的厚度分為3個等級：常規(guī)的厚芯片和晶圓：300～1000 μm；薄芯片和晶圓：100～300 μm；超薄芯片和晶圓：50～100 μm及以下。超薄芯片和晶圓又分為三級，即 50～100 μm；10～50 μm 和小于 10 μm。晶圓減薄目前應(yīng)用需減薄到大約50 μm，而在將來需減薄到約25 μm以下。

為什么需要薄芯片和晶圓，主要目的在于減小形狀因子、提高封裝密度、減小熱阻、提高柔性和可靠性，以及提高成品率。然而，厚度越小，對晶圓減薄機(jī)提出的要求越高。如薄晶圓的傳輸、對準(zhǔn)、夾持問題、晶圓的內(nèi)應(yīng)力問題、晶圓的粗糙度問題，以及晶圓的測試問題。薄晶圓的傳輸、對準(zhǔn)、夾持問題涉及設(shè)備的機(jī)械手，晶圓的內(nèi)應(yīng)力問題涉及去除應(yīng)力加工，晶圓的粗糙度問題涉及到晶圓的精拋精磨等等。晶圓減薄機(jī)的挑戰(zhàn)示于表4。國際國內(nèi)晶圓減薄機(jī)的生產(chǎn)水平已達(dá)到300 mm晶圓，厚度 50 μm。

表4 晶圓減薄機(jī)的指標(biāo)與挑戰(zhàn)

2.2 晶圓劃片機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

晶圓劃片機(jī)的目的是基本無損地把整個晶圓劃切成單個的集成電路芯片，然后才能進(jìn)行裝片和引線鍵合等工藝。由于劃片的對象是成本昂貴的晶圓，設(shè)備必須具有高精度和高可靠性。晶圓劃片機(jī)的挑戰(zhàn)主要有以下幾方面：

（1）晶圓直徑已經(jīng)從150 mm、200 mm增加到300 mm，而集成度越來越高，芯片尺寸越來越小，切割道寬度也不斷縮小，從 75 μm、65 μm、50 μm到目前的30 μm。這已經(jīng)到了機(jī)械式砂輪劃片的極限領(lǐng)域。

（2）先進(jìn)3D疊層封裝要求晶圓及芯片的厚度越來越薄，甚至到了50 μm以下。超薄晶圓對機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力都非常敏感，要求劃片過程應(yīng)力殘留越小越好。

（3）低K介質(zhì)層、銅互聯(lián)材料的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)容易碎裂，金屬材料對金剛石砂輪刃具具有極強(qiáng)的黏粘性，必須尋找新的劃切方法。

（4）化合物半導(dǎo)體材料(GaAs、InP)和第三代半導(dǎo)體材料（SiC、GaN和金剛石)的應(yīng)用越來越廣泛，這些高硬度材料的劃切無論是對設(shè)備還是刃具都提出了新的要求。

盡管基本的機(jī)械劃片方式至今并沒有發(fā)生根本性的變化，但是，以上這些挑戰(zhàn)不得不讓設(shè)備廠家探索新的劃切方法。瑞士Synova公司研制了微水柱導(dǎo)引激光劃片設(shè)備，微水導(dǎo)激光劃片工藝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。另外純粹的激光劃切技術(shù)也已有應(yīng)用。

先進(jìn)封裝給晶圓劃片機(jī)帶來的挑戰(zhàn)性技術(shù)指標(biāo)示于表5。

表5 晶圓劃片機(jī)的指標(biāo)與挑戰(zhàn)

2.3 倒裝芯片鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

倒裝芯片鍵合工藝旨在完成封裝內(nèi)部芯片與基板之間的面陣列凸點(diǎn)互連，是先進(jìn)封裝工藝的核心組成部分。與傳統(tǒng)的引線鍵合相比，倒裝芯片鍵合形成的電氣連接路徑更短、橫截面積更大，因而電阻和電感更小并且導(dǎo)熱性更好，同時倒裝芯片面陣列凸點(diǎn)能夠提供更多的輸入輸出管腳。這些特性使倒裝芯片尤其適合具有高頻輸入輸出信號和大管腳數(shù)的高功率集成電路封裝。倒裝芯片是芯片上所有焊盤同時完成互連的并行工藝，相對于逐一形成焊盤鍵合的引線鍵合，效率更高，且形狀因子更小。高密度倒裝芯片鍵合機(jī)已經(jīng)成為CPU等高端多管腳封裝工藝的核心設(shè)備。正因?yàn)檫@些高的性能和優(yōu)勢，使倒裝芯片鍵合機(jī)得到不可替代的越來越廣泛的應(yīng)用，從晶圓級封裝（WLP扇出技術(shù)、再造晶圓、C2W和W2W等）、芯片級封裝 (FCIP:FCBGA、C2C等)到MCM、3D和SiP（FCOB）都有它的重要位置和作用。過去，主要是成本的原因，限制了FC的發(fā)展。最近幾年，當(dāng)FCOB不斷增長數(shù)量之時，F(xiàn)CIP也迅速的膨脹。FCIP主要用于消費(fèi)類產(chǎn)品、通信裝備（基站和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和無線通信如手機(jī)。FC在兩個領(lǐng)域膨脹，一個驅(qū)動來自微處理器、ASIC和高端DSP的高性能需要，另一個驅(qū)動來自形狀因子。目前，已經(jīng)形成倒裝芯片鍵合機(jī)應(yīng)用的興旺時期。現(xiàn)在，國際上封裝產(chǎn)業(yè)界，倒裝芯片鍵合機(jī)的應(yīng)用水平為300 mm晶圓，倒裝節(jié)距150 μm，倒裝凸點(diǎn)數(shù)25 000（芯片尺寸20 mm×20 mm，有25 000只凸點(diǎn)，使用FCBGA封裝）。

倒裝芯片鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)主要有如下幾個方面：

(1)多自由度精密對準(zhǔn)技術(shù)。位置精度±10 μm，旋轉(zhuǎn)精度±0.5，具備自動完成芯片與基板調(diào)平的能力。

(2)倒裝芯片—基板凸點(diǎn)對準(zhǔn)技術(shù)。放大倍率2倍到10倍，分辨率小于3 μm。

(3)芯片缺陷識別視覺算法。能夠快速（識別時間＜10 ms）、準(zhǔn)確地識別芯片的崩邊、裂紋、橋連、墨點(diǎn)等缺陷。

(4)鍵合頭加熱技術(shù)。室溫到350℃快速加熱，加熱面積0.25 mm×0.25 mm～25.4 mm×25.4 mm，溫度均勻性±2℃。

(5)精密助焊劑涂敷技術(shù)。助焊劑厚度誤差±3 μm，助焊劑涂敷準(zhǔn)確率98%，助焊劑涂敷速度每芯片100 ms。

高密度倒裝芯片鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)示于表6。

表6 高密度倒裝芯片鍵合機(jī)的指標(biāo)與挑戰(zhàn)

2.4 裝片機(jī)(Die Bonder)面臨的挑戰(zhàn)

裝片機(jī)(Die Bonder)是集成電路(IC)、功率IC、晶體管等產(chǎn)品的后道封裝設(shè)備，用于將芯片從晶圓藍(lán)膜上取出連接到框架(LEADFRAM)或基板上。裝片機(jī)主流機(jī)器都采用全自動上下料，將自動識別、自動點(diǎn)膠、工作平臺自動到位、自動裝載芯片集成在一起，形成高度自動化設(shè)備。

裝片機(jī)涉及到精密機(jī)械、自動控制、精密光學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、氣動技術(shù)、系統(tǒng)工程學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)從上料、點(diǎn)膠、裝片到下料的全自動化，便可以保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。而自動化、智能化、系統(tǒng)化、光機(jī)電氣等多學(xué)科技術(shù)集成是裝片機(jī)的主要特點(diǎn)及發(fā)展趨勢。裝片機(jī)主要面臨的挑戰(zhàn)有以下幾個方面：

(1)框架的自動上、下料與精密進(jìn)給和定位、基板厚度檢測功能及基板次品檢測功能。

(2)高速運(yùn)動下多模式涂膠過程中點(diǎn)膠量的精確定量控制，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠量一致性達(dá)到99%以上。

(3)間歇式高速運(yùn)動下大尺寸晶圓盤的可靠夾持以及微進(jìn)給伺服運(yùn)動控制；高加速運(yùn)動下大慣量承載平臺的精密定位。

(4)抑制高速運(yùn)動下貼裝頭的振動保持平穩(wěn)，以及高速運(yùn)動過程中芯片和引線框架之間X-Y-Z-θ四個姿態(tài)的高精度對準(zhǔn)。

(5)高速運(yùn)動（≥13K UPH）工況下的精密定位，對視覺定位系統(tǒng)硬件和光路系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。同時，高速運(yùn)動產(chǎn)生的振動帶來的圖像模糊以及復(fù)雜工況下圖像信息缺失亦對圖像高速圖像處理提出了挑戰(zhàn)。裝片機(jī)的技術(shù)參數(shù)與挑戰(zhàn)見表7。

表7 裝片機(jī)的指標(biāo)與挑戰(zhàn)

2.5 引線鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

引線鍵合機(jī)是連接半導(dǎo)體芯片與外部器件的一道工藝，在超聲波和熱壓的同時作用下完成該過程?，F(xiàn)在銅線鍵合的應(yīng)用也越來越廣泛。目前盡管也有一些其他的連接方法，如倒裝芯片鍵合技術(shù)（FC）和載帶自動焊技術(shù)(TAB)等，引線鍵合由于適應(yīng)性強(qiáng)，成本低和可靠性高仍然是現(xiàn)在最流行的封裝方法，占整個封裝形式的70%左右，在先進(jìn)封裝中仍有廣泛的應(yīng)用。而全自動引線鍵合機(jī)在整個后道封裝工藝中，所占的設(shè)備數(shù)量比例，以及投資比例基本上都是最高的。

引線鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)一些關(guān)鍵單元和技術(shù)市場上買不到，必須自行開發(fā)和生產(chǎn)，包括直線電機(jī)、音圈電機(jī)和螺旋管，高精密、高加速xy平臺，高精密、高加速鍵合頭，工作夾持臺，高精度、高抗振圖像識別系統(tǒng)，控制器，斷線檢測系統(tǒng)，實(shí)時運(yùn)動控制，鍵合力控制和系統(tǒng)軟件等。

(2)三維空間中的復(fù)雜高速運(yùn)動是設(shè)備的基本特征。xy方向，15 ms內(nèi)完成2.54 mm點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動并且趨穩(wěn)至±1.5 μm范圍內(nèi)，跟隨誤差±5 μm以內(nèi)；z方向，7 ms內(nèi)完成8 mm點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動，過調(diào)小于3 μm，運(yùn)動結(jié)束時跟隨誤差小于8 μm，運(yùn)動結(jié)束之后4 ms內(nèi)趨穩(wěn)至±2 μm范圍內(nèi)，等等。技術(shù)參數(shù)具有很大的挑戰(zhàn)性。

(3)高效精密機(jī)器視覺系統(tǒng)參數(shù)十分嚴(yán)格，模板匹配時間小于18 ms；位置精度小于1/20像素；旋轉(zhuǎn)精度小于2，等。準(zhǔn)確高效的機(jī)器視覺定位和對準(zhǔn)是設(shè)備的基礎(chǔ)和精度效率的重要保證。

(4)在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全部合格的前提下，必須實(shí)現(xiàn)低成本，才能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化的使用要求。

(5)既要滿足各種規(guī)格金線的要求，還要滿足各種規(guī)格銅線的要求，以求進(jìn)一步降低封裝的成本。

引線鍵合機(jī)面臨的挑戰(zhàn)示于表8。

2.6 QFN和aQFN切割機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

QFN（無引腳方形扁平封裝）是一種體積小、性能高和低成本的小型封裝。aQFN與傳統(tǒng)QFN的不同處在于過去QFN的排數(shù)約1～2排，腳數(shù)在100支以下，而aQFN是在3排以上，腳數(shù)可以增加到100～400支腳。此外，aQFN的封裝面積較小、厚度也較薄，同時可以配合客戶設(shè)計(jì)，隨意布置引腳；aQFN電和熱性能很好，成本也較低，是一種高密度、高性能和低成本的先進(jìn)封裝，可以取代低端的BGA如FBGA等。目前消費(fèi)類和通訊類是主要采用aQFN的領(lǐng)域，在通訊方面，基頻、電源管理IC、RF、無線網(wǎng)絡(luò)、WiFi和開關(guān)控制芯片等都有客戶采用多排QFN；至于消費(fèi)性領(lǐng)域的數(shù)字電視芯片、譯碼器、DVD控制芯片、數(shù)據(jù)儲存控制芯片、STB譯碼器、數(shù)字相機(jī)控制IC等皆有產(chǎn)品采用多排QFN。最近幾年，aQFN的市場需求迅速增長。這個市場的發(fā)展促進(jìn)了QFN切割機(jī)和非對稱塑封自動壓機(jī)（見下第2.7小節(jié)）的需求增長。

表8 引線鍵合機(jī)的指標(biāo)與挑戰(zhàn)

QFN和aQFN切割機(jī)主要用于把封裝好的多列QFN和aQFN分成合格的成品，是QFN類產(chǎn)品的專用設(shè)備，也可用于多層印制板等材料的切割。

QFN和aQFN切割機(jī)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾方面。

(1)自動傳輸定位技術(shù)，其定位精度、傳輸速度和可靠性直接影響到切割效率和質(zhì)量。

(2)自動識別對準(zhǔn)技術(shù)，由于QFN和aQFN的特殊性，設(shè)備需要在XY方向的切割道上和角度上頻繁調(diào)整，對識別和對準(zhǔn)精度要求很高。

(3)切割材料不是單一材料，而是塑封料和黏粘的銅材料，而且切割整體翹曲的程度也有區(qū)別，也給切割帶來一定的難度。

QFN切割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和挑戰(zhàn)示于表9。

2.7 aQFN非對稱塑封全自動壓機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

上一節(jié)提到，QFN和aQFN的市場迅速增長，促進(jìn)了非對稱全自動壓機(jī)的迅速發(fā)展。這種壓機(jī)是專門用于QFN和aQFN的塑料封裝的。與常規(guī)封裝不同的是，一方面引線框架不是位于塑封料的中間，而是位于塑封料的底部，即所謂的非對稱；另一方面塑封料型腔底部不是模具，而是高溫膜和引線框架貼合在一起組成。因此，這種設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)是顯而易見的。

表9 QFN和aQFN切割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和挑戰(zhàn)

(1)在高溫膜和引線框架之間，很容易出溢料而變成廢品，大大影響成品率，提高成本。

(2)塑封完成后，需要撕去高溫膜，然后電鍍，但由于引線框架上存有殘膠，去殘膠是件很麻煩的工作，搞不好影響電鍍質(zhì)量。盡管采用鍍鈀框架后得到緩和，但仍存在殘膠問題。

(3)由于是非對稱式塑封，因此塑封后很容易翹曲，這給后序工藝帶來困難。

(4)這類設(shè)備至今還壟斷在外國公司手中，如果我國希望開發(fā)自己的設(shè)備，應(yīng)該早作準(zhǔn)備，下力氣盡快解決，因?yàn)槭袌鍪亲兓摹?/p>

aQFN非對稱塑封全自動壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)和挑戰(zhàn)示于表10和表11。

表10 、aQFN非對稱塑封全自動壓機(jī)的塑封產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)和挑戰(zhàn)

表11 、aQFN非對稱塑封全自動壓機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和挑戰(zhàn)

3 小 結(jié)

綜上所述，先進(jìn)封裝所使用的工藝設(shè)備具有一定的共性特點(diǎn)：即集光、機(jī)、電、軟件為一體的高精度、高速度、自動化程度高的精密設(shè)備，同時也在向模塊化、智能化、一體化發(fā)展。目前，正是發(fā)展先進(jìn)封裝關(guān)鍵工藝設(shè)備的大好時機(jī)，設(shè)備企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化力度，以適應(yīng)先進(jìn)封裝新的市場要求，迎接我國封裝測試產(chǎn)業(yè)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

[1]高尚通.先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展與機(jī)遇[J].中國集成電路，2006(10)：47-52.