半導(dǎo)體 | 后段制程設(shè)備

一、后段制程的工藝流程和主要設(shè)備

后段制程是將在前段制程中制造的LSI從晶圓上切割成芯片，進(jìn)行封裝，通過出貨檢查等流程。與上個流程不同的是，它具有很強的機械性加工的特性，并且每個工藝都使用獨自的設(shè)備。

什么是后段制程?

在前段制程的部分，很多工藝都是使用化學(xué)和物理反應(yīng)，具體過程本身是不可見的，但是后段制程中往往是晶圓減薄、切割成芯片、引線貼合等機械性的加工，其特點是可以通過目視確認(rèn)加工過程的工藝居多。但這些工藝同樣需要高精度的操作。由于以上原因，所以后段制程的制造設(shè)備與前段制程中的制造設(shè)備完全不同。此外各個工藝都有其工作對象(Work)，包括晶圓、芯片(在后段制程中也被稱為“Die”或“Pellet”)、封裝等。所以針對不同的工作對象就會用到一些特殊處理方法和夾具。整體工藝流程和各個工作對象如下圖所示。

后段制程的工藝流程和工作對象

后段制程相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備制造商也與前段制程的不盡相同。當(dāng)然也有兩者都有參與的制造商，但并不常見。由于在前段制程的工藝設(shè)備中用到真空設(shè)備或使用特殊氣體的情況很多，因此也是專門從事該領(lǐng)域的制造商進(jìn)人市場的情況居多。另一方面，一些后段制程的工藝設(shè)備制造商在監(jiān)測設(shè)備和出貨檢查設(shè)備等領(lǐng)域有其通用的一面，但是技術(shù)積累的部分占比會更多一些，所以活躍在市場上的還是更多傳統(tǒng)的專業(yè)制造商。

后段制程的晶圓廠和設(shè)備

雖然在規(guī)模和種類上與前段制程的工藝設(shè)備不同，但也會用到特殊氣體和化學(xué)藥品因此也需要配備相關(guān)設(shè)備。同時對潔凈度也是有要求的，所以也需要無塵室。在清潔度的要求上要比前段制程寬松。

后段制程按照上圖所示的工藝流程進(jìn)行，不同于前段制程的循環(huán)式工藝而屬于流水線型工藝。因此，在后段制程晶圓廠中，制造設(shè)備也是按流程排列的。下圖顯示了一個典型的后段制程晶圓廠的布局示意圖。由于包括晶圓、芯片和封裝等不同工作對象，因此會有特殊情況和不同的夾具出現(xiàn)。這些夾具在每個單獨工藝中會被循環(huán)使用。當(dāng)時晶圓載具并不像前段制程那樣需要在無塵室中循環(huán)。

之前介紹的生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)能不均衡的問題在流水線型的后段制程中并沒有循環(huán)型前段制程中突出。但值得注意的是由于工作對象不盡相同，所以簡單的比較似乎也沒有太大意義。

一般情況下，后段制程晶圓廠和前段制程晶圓廠距離比較遠(yuǎn)，甚至?xí)渴鸬讲煌瑓^(qū)域。以前后段制程是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，但如今自動化已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，也有很多人進(jìn)入這個行業(yè)。即使在日本，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小的時候，在日本本土設(shè)立后段制程晶圓廠很常見，但之后為了降低成本，形成了在其他國家設(shè)立后段制程晶圓廠的局面。美國也是如此。以半導(dǎo)體為例，即使前段制程和后段制程廠址分開，由于晶圓從前段制程晶圓廠到后段制程晶圓廠的運輸成本并沒有那么高，所以運輸成本并不是主要矛盾。

另外，由于后段制程的設(shè)備初期投資和無塵室建設(shè)的投資額比前段制程要小，所以后段制程晶圓廠出現(xiàn)得比前段制程要早。

二、測量電氣特性的探測設(shè)備

前段制程完成后，需要一個工藝來判斷晶圓上形成的每一個芯片作為電子器件是否合格。探測設(shè)備可以做到這一點。

探測設(shè)備的作用

在晶圓上形成大量LSI的前段制程結(jié)束后，終于進(jìn)人后段制程。即使在前段制程中針對各個工藝對顆粒等問題進(jìn)行了實時監(jiān)測，但形成的芯片依舊會有缺陷。將不良品放入后段制程的處理中是沒有意義的，所以需要判斷每個芯片是良品還是不良品。這就是進(jìn)入后段制程之前的審查，稱為KGD(Known Good Die)。進(jìn)行測試的設(shè)備是探測設(shè)備。研發(fā)中使用的設(shè)備有手動的，但半自動和全自動設(shè)備已經(jīng)形成主流。量產(chǎn)的生產(chǎn)線上可以看到成排的全自動化探測設(shè)備。

什么是探測設(shè)備?

探測設(shè)備由探測器部分、晶圓裝載/卸載部分和傳輸部分組成。探測器部分有應(yīng)付各種設(shè)備的內(nèi)置程序，支持例如內(nèi)存和邏輯器件這樣完全不同對象的探測。此外，它還具有晶圓臺對準(zhǔn)功能(需要配合下面介紹的探針卡終端進(jìn)行對準(zhǔn))、高速高靜音的XY控制和高精度的Z軸控制功能，屬于精密機械。下圖顯示了探測設(shè)備的典型示意圖。另外在量產(chǎn)線中，這些探測設(shè)備由主機集中管理，實現(xiàn)了對各個設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)。探測設(shè)備對半導(dǎo)體市場很敏感，據(jù)說從探測設(shè)備的訂單狀況可以預(yù)測半導(dǎo)體市場的未來。

探測設(shè)備的平面圖概要

什么是探針卡?

Probing是一個來自英文Probe(探測)的詞。探測設(shè)備中使用帶有許多可以帶電的針。這些針形成卡狀，被稱為探針卡。其原理見下圖，探針卡制造商會為每個LSI芯片定制專用的探針卡。LSI芯片有一個稱為焊盤的地方，可以設(shè)置針。不同的LSI，可以設(shè)置針的數(shù)量和位置不同，所以需要專用的探針卡。探針卡的制造商和探測設(shè)備的制造商是不同的。探針卡可分為懸臂式、垂直式和薄膜式。從下圖也可以看出來懸臂式是一種老辦法。簡單地說是利用杠桿原理使其與芯片的焊盤接觸。其他方法因篇幅原因略去，但都是利用各自的特點來使用的。最近的LSI有大量的端口，探針卡上的針數(shù)也相應(yīng)增加。

探針卡的簡易示意圖

三、晶圓減薄的背磨設(shè)備

將芯片進(jìn)行封裝時，前段制程中出來的晶圓厚度太厚了。所以需要從晶圓的背面切開，使其達(dá)到規(guī)定的厚度。背磨設(shè)備就是用來完成這個任務(wù)的。

什么是背磨?

300mm 晶圓厚度為 775um，200mm 晶圓厚度為725m。當(dāng)晶圓在前段制程中由工藝設(shè)備進(jìn)行加工或在設(shè)備與設(shè)備之間傳送時，上述厚度需要滿足晶圓的機械強度和翹曲等形狀規(guī)格。但隨后的后段制程中為了將芯片進(jìn)行封裝，需要使其薄至100~200um。這個削薄的過程就是背磨工藝。

背磨工藝與CMP類似，它們都是使晶圓變薄了幾分之一的操作。如下圖所示，實際操作是將含有金剛石磨粒的扁平砂輪以5000轉(zhuǎn)/min 左右的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對晶圓進(jìn)行減薄處理。此時，為了不損傷LSI，需要在晶圓表面形成保護(hù)膜（保護(hù)膜:PET或聚烯烴用作保護(hù)膠帶的材料。形成方法是在品圓表面使用紫外線固化型膠粘劑，用滾輪等將保護(hù)膠帶均勻貼合。同樣也可以通過照射紫外線等使黏合劑固化并進(jìn)行剝離。），將保護(hù)面進(jìn)行真空處理固定在卡盤臺上。

背磨的實操模式圖

通過以約5000轉(zhuǎn)/min 旋轉(zhuǎn)的金剛石砂輪從晶圓背面經(jīng)過達(dá)到磨削的效果，可以改變磨石的數(shù)量實現(xiàn)精磨。最后因為保留了約1m的損壞層，所以需要將其清除。最近，可以使用干法拋光（不使用化學(xué)品或漿料進(jìn)行拋光，而使用專用磨具。）來代替化學(xué)去除工藝。從設(shè)備上取下晶圓后，取下表面的保護(hù)膜。該保護(hù)膜使用專用設(shè)備進(jìn)行粘貼和去除。但是在將其移除之前，請將用于切割的膠帶粘貼到晶圓的背面。

背磨設(shè)備的概要

如下圖所示，它由一個晶圓裝載/卸載部分和一個拋光臺組成。實際設(shè)備是多頭又深又長的設(shè)備。每個頭是一個真空吸盤臺。一旦晶片被夾持住，它就會按順時針方向被送到每個頭進(jìn)行處理。一些設(shè)備還具有定心臺和晶片倒置功能。

背磨設(shè)備的概要

四、切割芯片的切片機

使用切割設(shè)備將芯片(也稱為裸片)從晶圓上切割下來，并對其進(jìn)行封裝。

實際的切片

在背面研磨使晶圓變薄后，將其連接到稱為載帶的膠帶上。這是一種保護(hù)對策，防止切屑在切割后散開。晶圓通過專用框架與膠帶連接，所以工作對象是一個框架。在實際操作中，使用一種稱為刀片(厚度為20至50um)的附有金剛石顆粒的硬質(zhì)材料切割晶圓。該金剛石刀片每秒旋轉(zhuǎn)數(shù)萬轉(zhuǎn)以切割晶圓，所以會產(chǎn)生摩擦熱。因此，在切割過程中始終以高壓噴射純水。這種純水還起到去除切屑的作用。由于存在靜電擊穿（靜電擊穿:由于純水只含有極少量的雜質(zhì)，電阻率值變大。因此，當(dāng)它與品圓表面的絕緣保護(hù)膜接觸時，會產(chǎn)生靜電，從而破壞芯片上的電路。）的問題，因此通常將二氧化碳混合在純水中進(jìn)行使用，見下圖。有切割所有晶圓的全切割和半切割的方法，主流是全切割，它減少了工序數(shù)量，在質(zhì)量控制方面有優(yōu)勢。值得注意的是即使完全切割，載帶也不會分離（不會分離:如果膠帶的剩余量不均勻，則在切割后取出芯片，拉伸膠帶的過程中，芯片會發(fā)生位移。所以切割的過程需要很高的高精度技術(shù)。）

切片的模式圖

切片機的概要

每個框架都配備有搬運品圓的裝載/卸載部分、對準(zhǔn)臺、卡盤臺和連接到主軸的刀片。刀片的深度在Z軸上可以調(diào)整。通過XY平臺和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整對齊。最后，用旋轉(zhuǎn)處理器清洗和干燥，將晶圓返回原始裝載/卸載部分。下圖顯示的是基本形式。雖然由于復(fù)雜而未在圖中顯示，但晶圓框架的移動是由設(shè)備中的搬運機器人執(zhí)行的。

切片設(shè)備的示例

切片是一顆一顆地切出芯片，很難確保生產(chǎn)效率。因此，還有一種稱為雙切的設(shè)備即在兩個軸上都安裝上相同的刀片，可以同時對兩條線進(jìn)行加工。此外，不使用刀片而使用激光進(jìn)行加工的方法也被提出了。

五、貼合芯片的貼片機

貼片設(shè)備是將切出的芯片連接到板上，以便將它們儲存在封裝中的設(shè)備。從本節(jié)開始，我們的工作對象是芯片。

什么是貼片?

從已切割的晶圓中僅選擇無缺陷的芯片，將它們放置在用于封裝的基座(稱為芯片墊)上，然后用黏合劑等固定它們，這稱為芯片貼合。如下圖所示，每個芯片仍然附著在載帶上，因此可以在不散開的情況下運輸。對于良品芯片可用針從下面向上推，使其浮動，然后用真空吸盤捕獲并輸送到引線框架的芯片焊盤上。當(dāng)然，有缺陷的芯片最終會被丟棄。

芯片貼合的流程

貼片的方法

在這里，我們將解釋如何使用黏合劑進(jìn)行貼片。首先，將黏合劑點涂在用于封裝的芯片焊盤上。目前主要有兩種實現(xiàn)方法。一種是共晶合金接合法，另一種是樹脂接合法。在此，使用樹脂接合法。這種方法用于固定到各種類型的封裝主板。整個過程以環(huán)樹脂為基礎(chǔ)的 Ag漿料作為黏合劑，在約 250℃的環(huán)境中加熱的同時，使用真空吸盤吸附，對其進(jìn)行刷洗并加壓實現(xiàn)芯片的貼合。目前，這種方法是后段制程的主流。

貼片機的概要

下圖顯示了芯片貼合設(shè)備的概況。這是一個平面示例，其中晶圓框架從圖的底部進(jìn)入對齊后，芯片被拾取并使用夾頭進(jìn)行芯片貼合。引線框在圖中從左到右運輸，在貼合前需要點膠。

芯片貼合設(shè)備

當(dāng)然，每個平臺都可以在XY和θ方向移動，以貼合所需的芯片。

六、用于引線框接合的打線設(shè)備

使用金線將端口與芯片上ISI的焊盤進(jìn)行電連接的過程需要打線設(shè)備打線的原理打線中使用的線是金(Au)，因為它穩(wěn)定可靠。芯片上的端口稱為鍵合焊盤，簡稱焊盤。在LSI的制造工藝中涉及焊盤的形成。另一方面，引線框架的芯片側(cè)稱為內(nèi)引線。下圖顯示了打線的原理。從稱為毛細(xì)管部分的尖端拉出金(Au)線，用發(fā)電筒靠近它產(chǎn)生火花，以使尖端的 Au呈球形(圖a)。球形部分被壓在焊盤(AI)上通過熱壓黏合(圖b)。此時，使用溫度為200℃~250℃的超聲波能量的UNTC 法是主流。然后將毛細(xì)管移動并拉伸金(Au)線(圖c)。

打線的流程

之后，將毛細(xì)管移動到LSI的內(nèi)部引線部分并進(jìn)行貼合。在引線部分鍍上了Ag等金屬。之后，毛細(xì)管也移動到另一個焊盤位置，將金線拉到毛細(xì)管的尖端，將發(fā)電筒靠近它產(chǎn)生火花，使尖端的金呈球形。以每秒幾行的速度重復(fù)執(zhí)行此操作。這是半導(dǎo)體晶圓廠的宣傳片中經(jīng)常出現(xiàn)的場景。

打線設(shè)備的概要

以上過程需要用到專用的打線設(shè)備。LSI產(chǎn)量越多的晶圓廠打線設(shè)備也越多，實際的打線設(shè)備與貼片設(shè)備的配置基本相似，如下圖所示(平面圖)。芯片從圖的底部供給，在送料處，焊炬電極和夾具一起送到貼合頭的地方。芯片被拾取并進(jìn)行打線操作。

打線設(shè)備的構(gòu)成示例

七、封裝芯片的塑封設(shè)備

LSI芯片的貼片和打線結(jié)束后，下面就是為了封裝需要進(jìn)行的塑封處理。實現(xiàn)這種處理的是塑封設(shè)備。

塑封工藝的流程

該工藝類似于用模具上下夾住芯片對其成形。本節(jié)介紹引線框型的塑封。首先，塑封工藝流程如下圖所示。打線結(jié)束后，需要將芯片和框架搬運并將它們放在封裝的模具上。如果用模具的上部覆蓋它，芯片將被放置在上下模具的空間(形腔)中。這里的情況是，對上下模具施加壓力，使其緊密接觸。將環(huán)氧樹脂等倒入其中，實現(xiàn)芯片的完全封閉。

塑封工藝的流程

圖中為了方便說明，只對一個芯片進(jìn)行塑封，但這樣效率低下，所以實際情況是如后面所示的批量處理。

將模具加熱到 160℃~180℃，將熱固性環(huán)氧樹脂放入模具內(nèi)。用柱塞將熔化的環(huán)氧樹脂從襯墊推人空腔。這種方法稱為傳遞模法。

當(dāng)溫度下降時，環(huán)氧樹脂會固化。因此，通過取出模具、消耗一定時間并使其固化來完成成形。

塑封設(shè)備的概要

這個傳遞塑封設(shè)備由一個裝載部分、一個壓制部分和一個卸載部分組成。上料工段負(fù)責(zé)儲存裝有引線框的料倉，并將其送到壓制工段，壓制工段負(fù)責(zé)加熱模具，用柱塞將熔化的環(huán)氧樹脂送人空腔，并填入樹脂進(jìn)行密封，如上圖所示。下料工段負(fù)責(zé)將樹脂密封的引線框從模具中取出并轉(zhuǎn)移到儲存料倉。各個部件按流動順序排列，下圖是一個布局平面圖。

塑封設(shè)備的布局示意圖

八、毛刺清除和包裝設(shè)備

LSI芯片成形后，我們將為出貨做準(zhǔn)備。在這里，將涉及印字設(shè)備和包裝設(shè)備。

什么是印字設(shè)備?

印字設(shè)備用于印刷標(biāo)識。標(biāo)識是指印在半導(dǎo)體設(shè)備上的公司名稱、產(chǎn)品名稱或批次名稱等信息。這將幫助企業(yè)更有效地管理產(chǎn)品，甚至幫助查詢不良產(chǎn)品。

印字方式有油墨印刷法和激光印刷法兩種。前者因為在黑色包裝上用白色墨水標(biāo)明所以容易看，但也有容易產(chǎn)生污漬、漏字等缺點。后者的缺點是比墨水方式更難看清，但由于封裝樹脂部分被激光熔化進(jìn)行打印，因此難以擦除。目前激光方式已成為主流。印字設(shè)備的激光器主要是LD 激發(fā)的 YAG 激光器。下圖顯示了一個印字設(shè)備的示例，通過激光掃描以點成字。

印字設(shè)備的示例

包裝設(shè)備

封裝外的引線框部分稱為外框，此部分的過程稱為引線成形(LeadFrame)。具體而言，是指將引線端口的前端與引線框分離，將引線端口彎曲成與封裝的種類對應(yīng)的形狀實際在框架狀態(tài)下運輸?shù)腖SI(見下圖)是從引線框架上沖壓出來的，采用壩條切割工藝、修整工藝使其與框架分離，引線端口彎曲制成印制電路板，按照引線成形工序的順序連續(xù)加工，成形為可插入的形狀，流程如下圖所示。分別使用壩條切割設(shè)備、修邊設(shè)備和引線成形設(shè)備，它們都是機械加工設(shè)備。

包裝(引線成形)的流程

九、最終監(jiān)測設(shè)備和老化設(shè)備

本節(jié)將介紹最終產(chǎn)品形成所需的老化設(shè)備。盡管該設(shè)備本身不是監(jiān)測設(shè)備，但它對于早期發(fā)現(xiàn)ISI中的初始缺陷很重要，

后段制程的最終監(jiān)測工程

最終監(jiān)測首先是要測量封裝的半導(dǎo)體器件的外觀和尺寸，然后測量器件的電氣特性以確保合格，每一步都有專門設(shè)備。電氣特性的測量是由監(jiān)測設(shè)備完成的。

什么是老化?

不僅限于半導(dǎo)體器件，在商品上市之前，必須避免初始缺陷，為此需要一個老化設(shè)備。尤其是半導(dǎo)體器件用于電子設(shè)備、信息設(shè)備、家用電器等消費產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備等各種市場，所以必須保證長期可靠性。可靠性工程使用浴盆曲線(老化曲線)。因其外形酷似浴盆(Bathtub)而得名，如下圖所示。初期故障會隨著時間的推移而減少。

浴盆曲線

之后的故障率幾乎是恒定的，所謂的使用壽命也在這個范圍內(nèi)。隨后因為使用時間長器件都有損耗，所以故障率自然就會增加。在老化測試中需要解決的是初期故障的問題。如果產(chǎn)品投放市場后出現(xiàn)大量初始缺陷，就會失去客戶的信任，失去作為半導(dǎo)體制造商的地位。因此，老化測試設(shè)備是一種初期監(jiān)測初始缺陷的方法。這樣做是為了使LSI芯片在高溫和高電壓下運行，以便盡早監(jiān)測初始的缺陷。

什么是老化設(shè)備?

圖下圖顯示了老化設(shè)備中的恒溫槽，該設(shè)備溫度可控。如圖所示，許多封裝器件安裝在老化電路板的插座上并對其進(jìn)行加載測試。當(dāng)然，老化設(shè)備內(nèi)部的溫度環(huán)境是可變的。從這里也可以連接到電氣特性的探測設(shè)備并對其進(jìn)行負(fù)載測量。當(dāng)然，不同設(shè)備有其相對應(yīng)的測試程序。

老化設(shè)備的恒溫槽的示例

參考文獻(xiàn)：

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