半導體芯片鍵合裝備綜述*

□ 鄭嘉瑞 □ 肖君軍 □ 胡 金

1.哈爾濱工業大學(深圳) 電子與信息工程學院 廣東深圳 518055 2.深圳市聯得自動化裝備股份有限公司 廣東深圳 518109

1 半導體生產制造概述

半導體問世至今,半導體產業一直遵循“一代裝備、一代工藝、一代產品”的模式高速發展。半導體晶圓制造、芯片封裝測試裝備一直以來都是半導體產業持續不斷技術升級和突破的先導與核心。晶圓制造、芯片封裝測試技術及其性能水平與相關裝備能力緊密聯系,只有先進的裝備,才能成就先進的晶圓制造和芯片封裝測試。因此,要大力發展半導體產業,生產制造裝備必須先行。

半導體生產制造以晶圓切割為界,分為前道工序和后道工序。前道工序為晶圓制造,后道工序為芯片封裝測試。半導體裝備也相應分為前道工序裝備和后道工序裝備。后道工序工藝主要有晶圓減薄、晶圓切割、芯片鍵合、引線鍵合、塑封、固化、電鍍、切筋成型、測試分選、包裝出貨,后道工序裝備統稱為芯片封裝測試裝備,其中,芯片鍵合裝備是后道工序裝備中最為關鍵的核心裝備之一[1-3]。

2 主要芯片鍵合技術

在先進封裝技術中,有一種芯片鍵合技術稱為倒裝芯片鍵合技術,顧名思義,就是將芯片正面向下與封裝基板直接連接。倒裝芯片鍵合技術于1961年由國際商業機器公司發明,屬于無引線鍵合方式,芯片鍵合工藝完成后,不需要再進行引線鍵合工藝[4]。

在傳統封裝技術中,芯片鍵合技術應用于半導體芯片鍵合裝備。在實際生產車間中,芯片鍵合裝備通常位于晶圓切割之后,引線鍵合之前,質量和效率會直接影響引線鍵合的質量和效率。因此,芯片鍵合是半導體生產制造后道工序中的關鍵工藝[5]。引線鍵合將芯片引腳與封裝基板用半導體金屬引線連接起來,是目前應用廣泛的主流技術之一。引線鍵合與倒裝芯片鍵合比較如圖1所示。

芯片鍵合技術的目的是將已經切割完成的晶圓上的芯片安裝固定在封裝基板上。為了實現芯片鍵合,主要有四種傳統封裝技術,分別為共晶鍵合、黏合劑鍵合、軟焊料鍵合、金屬粒子燒結鍵合。實現良好的芯片鍵合,需要芯片鍵合過程中工藝要素相互配合,包括溫度、時間、壓力等[6-7]。

共晶鍵合一般在芯片底部或者封裝基板上預先敷上共晶鍵合材料。共晶鍵合裝備拾取芯片,通過機器視覺系統引導,精確地將芯片置于封裝基板相應的鍵合位置。在加熱和壓力的共同作用下,在芯片和封裝基板之間形成共晶鍵合界面。共晶鍵合材料一般由兩種材料在一定溫度下混合而成,常用的包括金和錫、金和硅等。共晶鍵合實現的關鍵在于共晶鍵合材料能夠在遠低于兩種材料熔點的溫度下熔化而形成鍵合。共晶鍵合常應用于金屬引線框架、陶瓷基板等封裝。為防止在共晶鍵合過程中氧化,通常采用氮氣等氣體對封裝基板進行保護。相比于黏合劑鍵合,共晶鍵合能夠有效提升芯片與封裝基板的接合強度,并在導熱性和電性能方面占優。半導體分立器件小外形晶體管一般可以采用共晶鍵合。

黏合劑鍵合在放置芯片前在封裝基板上涂一定劑量黏合劑,然后拾取芯片,通過機器視覺系統引導,精確地將芯片置于封裝基板涂有黏合劑的鍵合位置,通過焊頭對芯片施加一定的壓力,在芯片和封裝基板之間形成黏合層,達到安裝固定芯片的目的。常用的黏合劑有環氧樹脂、導電銀漿等。黏合劑鍵合相對簡單,有多種材料可以使用,目前是應用最為廣泛的傳統封裝技術之一。

軟焊料鍵合在放置芯片前在封裝基板的鍵合位置進行點錫和壓錫,同時對封裝基板在軌道中進行分區加熱。軟焊料鍵合的優勢是導熱性好,但是容易氧化,工藝較為復雜,適用于功率器件的封裝,如晶體管的封裝等。

當前第三代功率半導體芯片鍵合最有前途的封裝技術是金屬粒子燒結鍵合,具有優異的導電、導熱、高溫服役特性[8]。采用這一技術,在導電膠中混有用于連接的環氧樹脂類聚合物。

在半導體生產制造中,芯片鍵合裝備也稱裝片機、上芯機、粘片機、固晶機等。

3 芯片鍵合裝備主要組成機構和工作原理

芯片鍵合裝備的主要組成機構包括晶圓工作臺、芯片鍵合頭、框架傳輸系統、機器視覺系統,以及點膠系統等[9-15]。

3.1 晶圓工作臺

晶圓工作臺是用于承載和驅動晶圓實現直線和旋轉運動的模組,如圖2所示。通過平面X、Y方向和旋轉方向的精確運動調整,使晶圓在機器視覺系統引導下運動到芯片拾取位置,這樣芯片鍵合頭可以拾取晶圓上的每一個芯片。通過平面Z方向運動,使經過切割的晶圓上的芯片間距擴大,便于在頂針頂升和拾取芯片時不影響四周的芯片。頂升動作由頂針機構完成,在拾取芯片時,頂針機構從芯片正下方隔著藍膜或者紫外線照射膜將芯片向上頂起,使芯片底部脫離藍膜或者紫外線照射膜。

▲圖2 晶圓工作臺

根據晶圓尺寸大小,晶圓工作臺尺寸主要有6 in(1 in=25.4 mm)、8 in、12 in。通常晶圓工作臺可以向下兼容一檔尺寸,12 in尺寸晶圓工作臺經由轉換部件可以實現裝載8 in尺寸晶圓,8 in尺寸晶圓工作臺可以向下兼容裝載6 in尺寸晶圓。目前,高端芯片鍵合裝備均以適配12 in尺寸晶圓為主。晶圓工作臺在平面X、Y方向必須同時能滿足微小移動和晶圓大行程要求。

3.2 芯片鍵合頭

芯片鍵合頭是芯片鍵合裝備的關鍵模組,是實現芯片從晶圓上被精準拾取和放置到封裝基板動作的執行機構,并且是實現芯片鍵合的核心。

根據不同的運動方式劃分,芯片鍵合頭主要有擺臂式和直線式兩種,分別如圖3、圖4所示。擺臂式芯片鍵合頭在機器視覺系統的引導下依靠擺臂旋轉90°或180°,將芯片拾取置于封裝基板上,通常需要兩個電機配合實現旋轉和豎直方向的運動。由于擺臂式芯片鍵合頭不能實現平面X、Y方向的運動調整,因此精度受到影響,最高的精度只能達到±15 μm。擺臂式芯片鍵合頭在發光芯片等的封裝領域應用較多。直線式芯片鍵合頭是目前高速高精度芯片鍵合裝備主要采用的芯片鍵合頭,可以在平面三個方向和旋轉方向運動,這些方向的運動能夠相互高速配合,在機器視覺系統的引導下實現芯片的精確取放,最高精度達到亞微米級。采用直線式芯片鍵合頭,還可以對焊頭在豎直方向上的鍵合力進行控制。對于尺寸較大且較薄的芯片,鍵合力一定要進行控制才能夠完成鍵合。為了實現高速高精度的需求,驅動直線式芯片鍵合頭平面三個方向運動的電機也大多采用直線電機。

▲圖3 擺臂式芯片鍵合頭

▲圖4 直線式芯片鍵合頭

3.3 框架傳輸系統

框架傳輸系統用于封裝基板進給、夾持及上下料。框架傳輸系統中的進給和夾持機構也稱為軌道機構,是實現封裝基板在芯片鍵合裝備軌道上精確運動的關鍵機構。對于高精度芯片鍵合裝備而言,軌道需要同時具備在平面X、Y方向自動調整的功能,以實現封裝基板位置的精確調整。對于共晶鍵合而言,軌道還需要具有對封裝基板進行分區分溫加熱的功能。

3.4 機器視覺系統

機器視覺系統是保證芯片鍵合裝備精度的關鍵。機器視覺系統硬件由光源、相機、鏡頭組成,軟件具有圖像采集、圖像處理等功能。晶圓工作臺上的芯片需要依靠機器視覺系統實現引導定位,使芯片鍵合頭可以精確地拾取芯片。機器視覺系統是芯片鍵合裝備的基本組成機構之一,如果沒有機器視覺系統,那么將無法實現晶圓上芯片的精準拾取。軌道上封裝基板的點膠和鍵合位置也需要依靠機器視覺系統實現引導定位,使點膠頭能夠精準地在鍵合位置上點膠,鍵合頭能夠將芯片精準地置于鍵合位置。除了基本視覺引導定位功能,機器視覺系統還具備芯片表面缺陷檢測及芯片鍵合后位置精度檢測功能[16]。

3.5 點膠系統

點膠系統應用于除共晶鍵合外的大多數芯片鍵合裝備,功能是在封裝基板上涂覆一定劑量的黏合劑,用于將芯片安裝固定在封裝基板上。點膠系統根據不同的芯片工藝要求分為蘸膠式、噴涂式、畫膠式,其中蘸膠式通常應用于尺寸較小的芯片,如發光芯片等。為了達到高精度要求,點膠系統配備視覺系統,用于點膠前的視覺引導定位。為了實現高速要求,提升效率,一些芯片鍵合裝備還會配備雙點膠系統。

4 芯片鍵合裝備關鍵技術

當前,半導體芯片封裝技術正朝著高性能、高密度、高精度方向發展,芯片鍵合裝備同時在向高速、高精度發展,關鍵技術體現在高速高精度運動控制技術、機器視覺技術、設備工藝技術,以及關鍵零部件技術等方面[17-20]。

4.1 高速高精度運動控制技術

芯片鍵合裝備的核心在于高度、高精度拾取和放置芯片,芯片鍵合頭運動的精度和速度是保證芯片鍵合裝備精度、效率的關鍵。對芯片鍵合裝備進行運動控制,在復雜多軸耦合的條件下,將預定的控制方案、運動軌跡、規劃時序轉變為實際高速復雜機械運動,實現芯片鍵合裝備的精確位置控制、速度控制、加速度控制、時間控制、振動抑制、轉矩或力控制,以及以上控制的綜合控制。芯片鍵合裝備對于動作邏輯和動作時間的要求極高,單個運動的動作時間以毫秒為單位計算。目前速度最快的芯片鍵合裝備可以在90 ms內完成一個芯片的鍵合,精度最高的芯片鍵合裝備可以達到亞微米的精度。芯片鍵合頭的運動控制是芯片鍵合裝備開發的核心技術和難點。

4.2 機器視覺技術

機器視覺系統提供芯片鍵合中的引導定位、檢測等功能,機器視覺系統的精度是芯片鍵合裝備精度的保證,視覺圖像的采集和處理對芯片鍵合裝備的效率有很大影響。

芯片鍵合裝備要實現高速、高精度、高效率、高穩定性,離不開機器視覺系統,對于機器視覺系統而言,需要配置高效穩定的圖像采集、識別、處理軟件。

4.3 設備工藝技術

半導體行業技術壁壘門檻高,進步發展快,一代產品需要一代工藝,一代工藝需要一代裝備。半導體封裝測試裝備與工藝息息相關、緊密聯系。對于芯片鍵合裝備而言,不同的芯片產品封裝,會有不同的芯片鍵合技術,產生相對應的芯片鍵合裝備,工藝技術也不相同。

半導體產業主要的封裝發展趨勢是引腳數越來越多,引腳間距越來越小。半導體產業封裝發展歷程見表1[21-24]。

表1 半導體產業封裝發展歷程

芯片或晶圓的尺寸大小、芯片的厚度、鍵合材料、溫度、壓力、時間都與芯片鍵合裝備的最終性能有關聯,這些關聯因素綜合起來,會影響芯片鍵合裝備工藝的實現,提高工藝難度。

4.4 關鍵零部件技術

半導體產業不僅需要長時間的技術沉淀和經驗積累,而且需要完善的供應鏈體系,這樣才能夠穩步向前發展。例如荷蘭ASML公司研制的半導體高端極紫外光光刻設備,重要零部件數量多達十多萬,這十多萬個重要零部件的供應商來自全球四十多個國家,供應鏈涉及5 000多家制造商[25]。ASML公司專注于自身技術優勢,集成世界范圍內最專業的制造商來研制光刻機,同時依靠強大的研發實力壟斷市場。由此可見,制造出一臺半導體設備,關鍵零部件技術極其重要。

芯片鍵合裝備中,功能模組是關鍵。功能模組由精密設計的零部件及關鍵標準零件組成。目前,高端高速芯片鍵合裝備中的直線電機、高精度光柵尺、運動控制卡等關鍵零部件還需要依賴進口,國產產品尚不能滿足性能要求。

5 芯片鍵合裝備發展現狀

近年來,我國在半導體產業第三次轉移中扮演著越來越重要的角色,我國半導體市場規模已經位居全球第一。我國半導體設備需求量大,但自給率仍較低。根據中國電子專用設備工業協會2019年統計數據,國產半導體設備自給率為14.2%,其中國產集成電路專用設備自給率僅為4.6%。

全球半導體產業高度集中,龍頭企業先發優勢明顯。根據國際半導體產業協會數據測算,2020年晶圓廠設備、封裝測試設備市場規模的占比分別為86%和14%。芯片鍵合裝備屬于后道工序中的核心封裝測試裝備之一,是機械、電氣控制、軟件、算法、光學、材料等多學科交叉的高端半導體裝備,研發難度非常大,國內在這一領域的關鍵技術研究基礎暫時較為薄弱,在國內市場中占有率較高的仍然是進口裝備。

5.1 國外主要芯片鍵合裝備公司

荷蘭ASM國際公司是一家全球領先的半導體后道工序裝備制造商,所生產的多項設備市占率居全球首位。ASM國際公司產品包括激光晶圓切割、光學檢查、芯片分揀、固晶、引線焊接、注塑、去溢料、切筋、成型、測試等,并針對先進封裝、發光芯片封裝等提供專業解決方案,其芯片鍵合設備市場占有率位居全球第一。ASM國際公司研制的AD830系列固晶機是半導體裝備市場中的典范,大多數封裝測試企業的生產車間都有ASM國際公司生產的芯片鍵合裝備。AD830系列固晶機如圖5所示,精度為±38 μm,每小時產能可以達到18 000個單元。

▲圖5 AD830系列固晶機

荷蘭Besi公司的產品線覆蓋芯片鍵合裝備、電鍍裝備等。根據相關行業研究報告,Besi公司研發的芯片鍵合裝備在全球的占比位列第二位。該公司研制的ESEC2008、ESEC2009軟焊料裝片機成為功率器件封測行業設備的標桿,在領域內的市場占有率和認可度極高。近年來,該公司研制的Datacon2200、Datacon8800軟焊料裝片機由于極高的設備靈活性和性能穩定性,同樣在半導體封裝測試市場中受到認可。ESEC2009軟焊料裝片機如圖6所示,精度為±80 μm,每小時產能最高可以達到8 000個單元。

▲圖6 ESEC2009軟焊料裝片機

除上述兩家芯片鍵合裝備公司外,還有一些公司在各自產品領域占有一席之地。美國MRSI系統公司的高精度貼片設備是高速光子器件供應商的首選機型,是高端光器件生產制造設備的行業標桿產品。德國finetech公司生產的超高精度亞微米級芯片鍵合裝備如圖7所示,精度達到0.5 μm。德國ficonTEC公司在激光芯片鍵合、光纖耦合封裝領域知名度較高。日本佳能公司的BESTEM系列固晶機和日本FASFORD公司DB830系列固晶機在雙邊或方形扁平無鉛封裝、方形扁平無引腳封裝、內存芯片等封裝形式領域市場占有率較高。

▲圖7 超高精度亞微米級芯片鍵合裝備

5.2 國內主要芯片鍵合裝備公司

受益于國內半導體封裝測試行業的持續穩健發展,目前已有三家國內封裝測試企業排名位居全球前十,合計占有全球半導體封裝測試市場的20%左右。當前,國產化芯片鍵合裝備替代進口趨勢加快[26-29]。北京中電科電子裝備公司開發了Octopus系列倒裝芯片鍵合機,標志著我國在倒裝芯片鍵合裝備領域取得了重大突破[30]。深圳新益昌公司在發光芯片固晶機領域深耕,不斷突破技術瓶頸,目前已經在發光芯片及微型發光芯片封裝測試領域的固晶裝備中達到較高占比。大連佳峰自動化公司研制的JAF-38系列軟焊料裝片機適用于二極管、三極管的封裝,技術已經較為成熟[31]。深圳聯得裝備公司先后在發光芯片、有機發光芯片驅動芯片封裝測試領域研發覆晶薄膜倒裝芯片鍵合裝備,并針對分立器件的封裝需求研發了LDB800、LSD1200等多款芯片鍵合裝備。蘇州艾科瑞思、深圳普萊信、無錫恩納基、無錫翼龍、嘉興景焱智能等公司在光通信、傳感器封裝測試領域推出了多款芯片鍵合裝備[32-33]。

5.3 典型產品性能

國內外主要芯片鍵合裝備公司部分典型產品的性能見表2。

6 結束語

隨著科技日新月異的發展,新興應用領域不斷出現,全球對半導體芯片的需求量逐年穩步增長,用于半導體生產制造的裝備需求也同步持續增長。目前,對于半導體產業鏈各環節,國產化進程依然需要加速。我國已經成為全球最大的半導體設備市場,自給率則亟待提升。我國半導體裝備企業發展空間很大,在國產化趨勢日益加速的背景下,我國半導體裝備的自給率將不斷提升,這也是半導體裝備廠家發展的重要動力之一。

在芯片鍵合裝備領域,隨著倒裝芯片級封裝、系統級封裝、芯片級封裝、球狀引腳柵格陣列封裝等先進封裝技術的廣泛應用和快速發展,芯片鍵合裝備的速度、精度、穩定性等要求將越來越高。目前,國內主要半導體封裝測試廠商都在積極進行持續擴產,加大設備投入,為芯片鍵合裝備帶來增量需求。我國國產芯片鍵合裝備將迎來歷史發展機遇與挑戰。