論半導體封裝生產設備可靠性改善

宗斌

(上海新進半導體制造有限公司，上海200233)

在摩爾定律指引下全球半導體工業飛速發展，半導體工業極大依賴于半導體制造設備的特征，使得設備成為發展半導體工業和技術的關鍵。每一代半導體產品不僅有相應一代的技術、工藝來支撐，而且還有相應一代的制造設備來保障。隨著設備的硅片尺寸大直徑化、設備的高精度化、自動化，設備價格日益昂貴化，工藝線的設備總投資更是成倍的增長。對工藝線來說，在設備投資加大的同時，設備折舊的負擔也加大，因此為了保證企業生產具備最良好的技術裝備，設備運行的可靠性成為人們追求的目標。

1 半導體加工概述

半導體生產是知識密集型、技術密集型、勞動力密集型產業，對工作環境、生產設備、操作人員都有很高的要求。半導體的加工過程主要分為四步：圓片的制造和檢測及芯片的封裝和測試。其中圓片的制造和檢測通常被稱為前道工序，主要加工過程包括化學清洗、平面光刻、離子注入、金屬沉積/氧化、等離子體/化學刻蝕等，檢測完的圓片被送到封裝和測試廠進行后道工序的加工，主要加工過程包括貼片、環氧固化、電性能測試、激光刻飾、焊球粘結等。

2 半導體封裝技術與設備

近年來，微機電系統技術推動著半導體界超越摩爾定律的變革，在國內外得到了迅猛的發展。世界正經過昨天的真空電子管時代，跨越現今的固體電子時代而進入明天的MEMS時代。半導體技術持續突破的另一個方向則是朝向異種技術融合發展，其中MEMS在半導體的融合藍圖中扮演相當重要的技術。

2.1 低溫晶圓鍵合機

對MEMS的最大挑戰之一是要求采用器件規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化方面所取得的進展，已使全密閉陶瓷腔的MEMS封裝費用降到50美分以下。低溫晶圓鍵合是微機電系統/微光機電系統器件制造和封裝中的一種關鍵技術在低溫加工過程中，核心是高科技的粘接技術，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。這種方法的主要優點是：晶圓表面封裝結構的表面平坦化，粒子補償和鍵合后退火溫度的降低。

2.2 芯片倒裝鍵合機

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勢，借鑒集成電路中所用的封裝方法。這其中當然也包括倒裝芯片技術在MEMS中的應用作為封裝使用的凸點，具有同微機械加工的MEMS結構十分相似的特性從倒裝結構的幾何層面上看，倒裝的互連線非常短，有效地降低了寄生效應，適合高靈敏度的信號處理電路與MEMS器件，尤其是微傳感器集成倒裝芯片也可以結合多模塊組件技術，將MEMS器件和信號處理芯片封裝在同一個管殼內，以實現小型化，同時，縮短信號從MEMS器件到驅動器或執行器的距離，減小信號衰減和外界干擾的影響。

倒裝芯片技術對芯片與基板具有很強的適應性，非常適合在器件的熱設計中加以采用此外，倒裝芯片的下填充能夠顯著削弱熱應力，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驗研制的硅熱風速傳感器就是采用銅柱凸點技術將傳感器倒裝在薄層陶瓷基板上，避免傳感器與測量環境的直接接觸，保護了傳感器和處理電路，并利用陶瓷的導熱性能實現傳感器芯片的加熱元件和環境風速的熱交換，同時，降低了整個芯片的功耗。

3 半導體封裝設備的可靠性分析與改善

半導體封裝設備的可靠性水平直接決定著產品的市場定位，是封裝設備企業長期積累的產業化技術的集中體現，也是企業之間難以跨越的差距。可靠性問題是國產封裝設備一直無法規模化配備主流生產線的癥結所在，是制約國內半導體封裝裝備實現產業化的瓶頸。

3.1 封裝設備的架構

封裝設備中存在著大量的多層次架構。機械系統包括從零件到部件再到子系統最后到整機結構多個層次；電氣系統由元器件、電路板、功能模塊、子系統逐級組成；軟件系統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。數量龐大、層級復雜的對象使針對單一機、電或軟件系統采用傳統可靠性設計方法進行逐級建模和分析已經十分困難。而封裝設備整機中機、電、軟件系統密切耦合，多種物理量共存的狀態就更是導致基于單一機械/電氣物理量的傳統可靠性設計方法幾乎不可能有效準確地獲得整機的可靠性估計。

3.2 半導體封裝設備的可靠性分析

半導體封裝設備的可靠性問題更多地集中在設備的加工對象和工藝過程上，遠遠超越了傳統意義上的一般設備失效模式的分析和預防。也就是說問題的焦點已經不是設備本身的斷裂、碰撞、形變、短路、擊穿、過熱等普通失效(這些問題已經在過去無數次的產品優化循環中得到了充分的解決)，而是設備加工對象的完整性及工藝過程的正確和一致性。相應地對設備可靠性指標的關注也由MTBF(平均故障時間)向MTBA轉移。這一類封裝設備工藝的可靠性問題可以總結為一個極敏感的多參數過程的參數識別和優化的問題，滿足可靠性要求的參數窗口極其狹窄。這正是半導體封裝設備可靠性有別于傳統設備可靠性的最突出特性，也是提高封裝設備可靠性的挑戰集中所在。

3.3 半導體封裝設備的可靠性設計

國產設備在設計上確實存在著很大的不足。這部分問題可以通過細致的設計規范和周密的設計流程管理得到迅速顯著的改善。機械/電氣功能正確性、機械結構抗振/健壯性等問題需要設計仿真工具與實體樣機實際運行的數據緊密結合來解決并最終在實體樣機上得到驗證。國際主流廠商的產品開發嚴格按照可行性工程驗證設計驗證試產驗證批產驗證的流程進行。每一階段都建造相當數量的樣機供充分測試并根據測試結果和分析對設計進行修正，同時與用戶密切結合，把設備上線資格測試嵌入到完整的產品測試流程中。在產品開發各階段建造的樣機總數達到45臺，幾乎相當于國內設備企業成熟產品一年的產量。這種驚人的區別正是造成國產封裝設備與國際主流產品可靠性上巨大差別的根本原因。

對半導體封裝設備的可靠性改善設計，首先要緊密結合半導體封裝設備的特性建立詳細的設計規范和嚴密的設計管理流程，盡最大可能消除碰撞/干涉等問題，保證尺寸，位置的正確性和結構/布局的合理性。從根本上彌補國產設備在設計上的不足。其次，建立包括應力，應變、模態分析、溫度/傳熱等的仿真分析和優化方法。與實體樣機充分結合，修正仿真模型參數并驗證仿真結果。對實體樣機上的測試結果進行總結歸納以不斷補充完善優化方法和設計規則。最后，構建充分、嚴密和系統的批量實體樣機測試和優化體系。大量有序的實體樣機測試驗證是克服傳統可靠性設計及新興虛擬樣機技術局限性的唯一方法，也是彌合國產封裝設備與國際主流設備之間巨大差距的必經途徑。

實體樣機測試驗證一直是國際各主流半導體設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。批量實體樣機測試也是設備一致性改善的實用有效方法。在新產品設計中盡量采用前期積累的穩定技術單元，避免大量引入新方案、新技術而造成問題激增。其次需要準確高效的故障捕獲和問題識別/分析手段，保證迅速正確地發現樣機測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測試結果和分析對設計進行修正并不斷循環的機制，確保已發現的問題得到徹底解決的同時不引入新的問題。

[1]童志義.后摩爾時代的封裝技術.電子工業專用設備[J].2010，(6).

[2]況延香,朱頌春.微電子封裝技術在對SMT促進中的作用[J].電子工業專用設備2004，(9).