論半導(dǎo)體封裝生產(chǎn)設(shè)備可靠性改善

宗斌

(上海新進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司，上海200233)

在摩爾定律指引下全球半導(dǎo)體工業(yè)飛速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)極大依賴于半導(dǎo)體制造設(shè)備的特征，使得設(shè)備成為發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)和技術(shù)的關(guān)鍵。每一代半導(dǎo)體產(chǎn)品不僅有相應(yīng)一代的技術(shù)、工藝來支撐，而且還有相應(yīng)一代的制造設(shè)備來保障。隨著設(shè)備的硅片尺寸大直徑化、設(shè)備的高精度化、自動(dòng)化，設(shè)備價(jià)格日益昂貴化，工藝線的設(shè)備總投資更是成倍的增長(zhǎng)。對(duì)工藝線來說，在設(shè)備投資加大的同時(shí)，設(shè)備折舊的負(fù)擔(dān)也加大，因此為了保證企業(yè)生產(chǎn)具備最良好的技術(shù)裝備，設(shè)備運(yùn)行的可靠性成為人們追求的目標(biāo)。

1 半導(dǎo)體加工概述

半導(dǎo)體生產(chǎn)是知識(shí)密集型、技術(shù)密集型、勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，對(duì)工作環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、操作人員都有很高的要求。半導(dǎo)體的加工過程主要分為四步：圓片的制造和檢測(cè)及芯片的封裝和測(cè)試。其中圓片的制造和檢測(cè)通常被稱為前道工序，主要加工過程包括化學(xué)清洗、平面光刻、離子注入、金屬沉積/氧化、等離子體/化學(xué)刻蝕等，檢測(cè)完的圓片被送到封裝和測(cè)試廠進(jìn)行后道工序的加工，主要加工過程包括貼片、環(huán)氧固化、電性能測(cè)試、激光刻飾、焊球粘結(jié)等。

2 半導(dǎo)體封裝技術(shù)與設(shè)備

近年來，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)推動(dòng)著半導(dǎo)體界超越摩爾定律的變革，在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛的發(fā)展。世界正經(jīng)過昨天的真空電子管時(shí)代，跨越現(xiàn)今的固體電子時(shí)代而進(jìn)入明天的MEMS時(shí)代。半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)突破的另一個(gè)方向則是朝向異種技術(shù)融合發(fā)展，其中MEMS在半導(dǎo)體的融合藍(lán)圖中扮演相當(dāng)重要的技術(shù)。

2.1 低溫晶圓鍵合機(jī)

對(duì)MEMS的最大挑戰(zhàn)之一是要求采用器件規(guī)格的封裝新興器件封裝是高科技的核心，它受到被封裝器件和應(yīng)用的雙重影響。陶瓷是最常用的封裝材料在低溫共燒陶瓷和陶瓷組分優(yōu)化方面所取得的進(jìn)展，已使全密閉陶瓷腔的MEMS封裝費(fèi)用降到50美分以下。低溫晶圓鍵合是微機(jī)電系統(tǒng)/微光機(jī)電系統(tǒng)器件制造和封裝中的一種關(guān)鍵技術(shù)在低溫加工過程中，核心是高科技的粘接技術(shù)，粘合劑晶圓鍵合是采用中間層鍵合的一種鍵合方法，如玻璃，聚合物，抗蝕劑，聚酰亞胺。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：晶圓表面封裝結(jié)構(gòu)的表面平坦化，粒子補(bǔ)償和鍵合后退火溫度的降低。

2.2 芯片倒裝鍵合機(jī)

目前，MEMS器件封裝的大部分的研究集中在利用成熟加工工藝的優(yōu)勢(shì)，借鑒集成電路中所用的封裝方法。這其中當(dāng)然也包括倒裝芯片技術(shù)在MEMS中的應(yīng)用作為封裝使用的凸點(diǎn)，具有同微機(jī)械加工的MEMS結(jié)構(gòu)十分相似的特性從倒裝結(jié)構(gòu)的幾何層面上看，倒裝的互連線非常短，有效地降低了寄生效應(yīng)，適合高靈敏度的信號(hào)處理電路與MEMS器件，尤其是微傳感器集成倒裝芯片也可以結(jié)合多模塊組件技術(shù)，將MEMS器件和信號(hào)處理芯片封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)，縮短信號(hào)從MEMS器件到驅(qū)動(dòng)器或執(zhí)行器的距離，減小信號(hào)衰減和外界干擾的影響。

倒裝芯片技術(shù)對(duì)芯片與基板具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，非常適合在器件的熱設(shè)計(jì)中加以采用此外，倒裝芯片的下填充能夠顯著削弱熱應(yīng)力，在倒裝芯片表面安裝熱沉也能提高散熱性能，增加器件的可靠性本實(shí)驗(yàn)研制的硅熱風(fēng)速傳感器就是采用銅柱凸點(diǎn)技術(shù)將傳感器倒裝在薄層陶瓷基板上，避免傳感器與測(cè)量環(huán)境的直接接觸，保護(hù)了傳感器和處理電路，并利用陶瓷的導(dǎo)熱性能實(shí)現(xiàn)傳感器芯片的加熱元件和環(huán)境風(fēng)速的熱交換，同時(shí)，降低了整個(gè)芯片的功耗。

3 半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性分析與改善

半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性水平直接決定著產(chǎn)品的市場(chǎng)定位，是封裝設(shè)備企業(yè)長(zhǎng)期積累的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的集中體現(xiàn)，也是企業(yè)之間難以跨越的差距。可靠性問題是國(guó)產(chǎn)封裝設(shè)備一直無法規(guī)模化配備主流生產(chǎn)線的癥結(jié)所在，是制約國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體封裝裝備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

3.1 封裝設(shè)備的架構(gòu)

封裝設(shè)備中存在著大量的多層次架構(gòu)。機(jī)械系統(tǒng)包括從零件到部件再到子系統(tǒng)最后到整機(jī)結(jié)構(gòu)多個(gè)層次；電氣系統(tǒng)由元器件、電路板、功能模塊、子系統(tǒng)逐級(jí)組成；軟件系統(tǒng)包括可編程器件程序、嵌入式模塊程序、主控功能模塊、主控程序等。數(shù)量龐大、層級(jí)復(fù)雜的對(duì)象使針對(duì)單一機(jī)、電或軟件系統(tǒng)采用傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行逐級(jí)建模和分析已經(jīng)十分困難。而封裝設(shè)備整機(jī)中機(jī)、電、軟件系統(tǒng)密切耦合，多種物理量共存的狀態(tài)就更是導(dǎo)致基于單一機(jī)械/電氣物理量的傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法幾乎不可能有效準(zhǔn)確地獲得整機(jī)的可靠性估計(jì)。

3.2 半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性分析

半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性問題更多地集中在設(shè)備的加工對(duì)象和工藝過程上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)意義上的一般設(shè)備失效模式的分析和預(yù)防。也就是說問題的焦點(diǎn)已經(jīng)不是設(shè)備本身的斷裂、碰撞、形變、短路、擊穿、過熱等普通失效(這些問題已經(jīng)在過去無數(shù)次的產(chǎn)品優(yōu)化循環(huán)中得到了充分的解決)，而是設(shè)備加工對(duì)象的完整性及工藝過程的正確和一致性。相應(yīng)地對(duì)設(shè)備可靠性指標(biāo)的關(guān)注也由MTBF(平均故障時(shí)間)向MTBA轉(zhuǎn)移。這一類封裝設(shè)備工藝的可靠性問題可以總結(jié)為一個(gè)極敏感的多參數(shù)過程的參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化的問題，滿足可靠性要求的參數(shù)窗口極其狹窄。這正是半導(dǎo)體封裝設(shè)備可靠性有別于傳統(tǒng)設(shè)備可靠性的最突出特性，也是提高封裝設(shè)備可靠性的挑戰(zhàn)集中所在。

3.3 半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)

國(guó)產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)上確實(shí)存在著很大的不足。這部分問題可以通過細(xì)致的設(shè)計(jì)規(guī)范和周密的設(shè)計(jì)流程管理得到迅速顯著的改善。機(jī)械/電氣功能正確性、機(jī)械結(jié)構(gòu)抗振/健壯性等問題需要設(shè)計(jì)仿真工具與實(shí)體樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)緊密結(jié)合來解決并最終在實(shí)體樣機(jī)上得到驗(yàn)證。國(guó)際主流廠商的產(chǎn)品開發(fā)嚴(yán)格按照可行性工程驗(yàn)證設(shè)計(jì)驗(yàn)證試產(chǎn)驗(yàn)證批產(chǎn)驗(yàn)證的流程進(jìn)行。每一階段都建造相當(dāng)數(shù)量的樣機(jī)供充分測(cè)試并根據(jù)測(cè)試結(jié)果和分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，同時(shí)與用戶密切結(jié)合，把設(shè)備上線資格測(cè)試嵌入到完整的產(chǎn)品測(cè)試流程中。在產(chǎn)品開發(fā)各階段建造的樣機(jī)總數(shù)達(dá)到45臺(tái)，幾乎相當(dāng)于國(guó)內(nèi)設(shè)備企業(yè)成熟產(chǎn)品一年的產(chǎn)量。這種驚人的區(qū)別正是造成國(guó)產(chǎn)封裝設(shè)備與國(guó)際主流產(chǎn)品可靠性上巨大差別的根本原因。

對(duì)半導(dǎo)體封裝設(shè)備的可靠性改善設(shè)計(jì)，首先要緊密結(jié)合半導(dǎo)體封裝設(shè)備的特性建立詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范和嚴(yán)密的設(shè)計(jì)管理流程，盡最大可能消除碰撞/干涉等問題，保證尺寸，位置的正確性和結(jié)構(gòu)/布局的合理性。從根本上彌補(bǔ)國(guó)產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)上的不足。其次，建立包括應(yīng)力，應(yīng)變、模態(tài)分析、溫度/傳熱等的仿真分析和優(yōu)化方法。與實(shí)體樣機(jī)充分結(jié)合，修正仿真模型參數(shù)并驗(yàn)證仿真結(jié)果。對(duì)實(shí)體樣機(jī)上的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納以不斷補(bǔ)充完善優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)規(guī)則。最后，構(gòu)建充分、嚴(yán)密和系統(tǒng)的批量實(shí)體樣機(jī)測(cè)試和優(yōu)化體系。大量有序的實(shí)體樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證是克服傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及新興虛擬樣機(jī)技術(shù)局限性的唯一方法，也是彌合國(guó)產(chǎn)封裝設(shè)備與國(guó)際主流設(shè)備之間巨大差距的必經(jīng)途徑。

實(shí)體樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證一直是國(guó)際各主流半導(dǎo)體設(shè)備制造商大量使用的可靠性提升方法，具有無可替代的地位。批量實(shí)體樣機(jī)測(cè)試也是設(shè)備一致性改善的實(shí)用有效方法。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中盡量采用前期積累的穩(wěn)定技術(shù)單元，避免大量引入新方案、新技術(shù)而造成問題激增。其次需要準(zhǔn)確高效的故障捕獲和問題識(shí)別/分析手段，保證迅速正確地發(fā)現(xiàn)樣機(jī)測(cè)試中顯露的問題并找到原因。最后必須建立受控有序的根據(jù)測(cè)試結(jié)果和分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正并不斷循環(huán)的機(jī)制，確保已發(fā)現(xiàn)的問題得到徹底解決的同時(shí)不引入新的問題。

[1]童志義.后摩爾時(shí)代的封裝技術(shù).電子工業(yè)專用設(shè)備[J].2010，(6).

[2]況延香,朱頌春.微電子封裝技術(shù)在對(duì)SMT促進(jìn)中的作用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備2004，(9).