iC封装制程简介
半导体的产品很多应用的场合非常广泛图一是常见的几种半导体组件外型半导体组件一般是以接脚形式或外型来划分类别图一中不同类别的英文缩写名称原文为
PDID Plastic Dual Inline Package
SOP Small Outline Package
SOJ Small Outline J-Lead Package
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier
QFP Quad Flat Package
PGA Pin Grid Array
BGA Ball Grid Array
虽然半导体组件的外型种类很多在电路板上常用的组装方式有二种一种是插入电路板的焊孔或脚座如PDIP PGA另一种是贴附在电路板表面的焊垫上如SOP SOJ PLCC QFP BGA
从半导体组件的外观只看到从包覆的胶体或陶瓷中伸出的接脚而半导体组件真正的的核心是包覆在胶体或陶瓷内一片非常小的芯片透过伸出的接脚与外部做信息传输图二是一片EPROM组件从上方的玻璃窗可看到内部的芯片图三是以显微镜将内部的芯片放大可以看到芯片以多条焊线连接四周的接脚这些接脚向外延伸并穿出胶体成为芯片与外界通讯的道路请注意图三中有一条焊线从中断裂那是使用不当引发过电流而烧毁致使芯片失去功能这也是一般芯片遭到损毁而失效的原因之一
图四是常见的LED也就是发光二极管其内部也是一颗芯片图五是以显微镜正视LED的顶端可从透明的胶体中隐约的看到一片方型的芯片及一条金色的焊线若以LED二支接脚的极性来做分别芯片是贴附在负极的脚上经由焊线连接正极的脚当LED通过正向电流时芯片会发光而使LED发亮如图六所示
半导体组件的制作分成两段的制造程序前一段是先制造组件的核心─芯片称为晶圆制造后一段是将晶中片加以封装成最后产品称为IC封装制程又可细分成晶圆切割黏晶焊线封胶印字剪切成型等加工步骤在本章节中将简介这两段的制造程序
须经过下列主要制程才能制造出一片可用的芯片以下
是各制程的介绍
长晶CRYSTAL GROWTH
长晶是从硅沙中(二氧化硅)提炼成单晶硅制造过程是将硅石(Silica)或硅酸盐 (Silicate) 如同冶金一样放入炉中熔解提炼形成冶金级硅冶金级硅中尚含有杂质接下来用分馏及还原的方法将其纯化形成电子级硅虽然电子级硅所含的硅的纯度很高可达99.9999 99999 %但是结晶方式杂乱又称为多晶硅必需重排成单晶结构因此将电子级硅置入坩埚内加温融化先将温度降低至一设定点再以一块单晶硅为晶种置入坩埚内让融化的硅沾附在晶种上再将晶种以边拉边旋转方式抽离坩埚而沾附在晶种上的硅亦随之冷凝形成与晶种相同排列的结晶随着晶种的旋转上升沾附的硅愈多并且被拉引成表面粗糙的圆柱状结晶棒拉引及旋转的速度愈慢则沾附的硅结晶时间愈久结晶棒的直径愈大反之则愈小
右图(摘自中德公司目录)为中德电子材料公司制作的晶棒(长度达一公尺重量超过一百公斤)
切片SLICING
从坩埚中拉出的晶柱表面并不平整经过工业级钻石磨具的加工磨成平滑的圆柱并切除头尾两端锥状段形成标准的圆柱被切除或磨削的部份则回收重新冶炼接着以以高硬度锯片或线锯将圆柱切成片状的晶圆(Wafer) (摘自中德公司目录)
边缘研磨EDGE GRINDING
将片状晶圆的圆周边缘以磨具研磨成光滑的圆弧形如此可(1)防止边缘崩裂(2)防止在后续的制程中产生热应力集中(3)增加未来制程中铺设光阻层或磊晶层的平坦度
研磨LAPPING与蚀刻ETCHING
由于受过机械的切削晶圚表面粗糙凹凸不平及沾附切屑或污渍因此先以化学溶液(HF/HNO3)蚀刻(Etching)去除部份切削痕迹再经去离子纯水冲洗吹干后进行表面研磨拋光使晶圆像镜面样平滑以利后续制程研磨拋光是机械与化学加工同时进行机械加工是将晶圆放置在研磨机内将加工面压贴在研磨垫(Polishing Pad)磨擦并同时滴入具腐蚀性的化学溶剂当研磨液让磨削与腐蚀同时产生研磨后的晶圆需用化学溶剂清除表面残留的金属碎屑或有机杂质再以去离子纯水冲洗吹干准备进入植入电路制程
5退火ANNEALING
将芯片在严格控制的条件下退火以使芯片的阻质稳定
6拋光POLISHING
芯片小心翼翼地拋光使芯片表面光滑与平坦以利将来再加工
7洗净CLEANING
以多步骤的高度无污染洗净程序包含各种高度洁净的清洗液与超音动处理除去芯片表面的所有污染物质使芯片达到可进行芯片加工的状态
8检验INSPECTION
芯片在无尘环境中进行严格的检查包含表面的洁净度平坦度以及各项规格以确保品质符合顾客的要求
9包装PACKING
通过检验的芯片以特殊设计的容器包装使芯片维持无尘及洁净的状态该容器并确保芯片固定于其中以预防搬运过程中发生的振动使芯片受损
经过晶圆制造的步骤后此时晶圆还没任何的功能所以必须经过集成电路制程才可算是一片可用的晶圆
以下是集成电路制程的流程图
磊晶微影氧化扩散蚀刻金属联机
磊晶(Epitoxy)
指基板以外依组件制程需要沉积的薄膜材料其原理可分为
() 液相磊晶(Liquid Phase Epitoxy LPE)
LPE 的晶体成长是在基板上将熔融态的液体材料直接和芯片接触而沉积晶膜特别适用于化合物半导体组件尤其是发光组件
() 气相磊晶(Vapor Phase Epitoxy VPE)
VPE 的原理是让磊晶原材料以气体或电浆粒子的形式传输至芯片表
面这些粒子在失去部份的动能后被芯片表面晶格吸附 (Adsorb)通常芯片会以热的形式提供能量给粒子使其游移至晶格位置而凝结 (Condensation)在此同时粒子和晶格表面原子因吸收热能而脱离芯片表面称之为解离 (Desorb)因此VPE 的程序其实是粒子的吸附和解离两种作用的动态平衡结果如下图所示
VPE 依反应机构可以分成() 化学气相沉积 (Chemical Vapor
Deposition CVD) 和() 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition PVD) 两
种技术
CVD 大致是应用在半导体晶膜和氧化层的成长
PVD 主要适用于金属接点联机的沉积
() 分子束磊晶(Molecular Beam Epitoxy MBE)
MBE 是近年来最热门的磊晶技术无论是 III-V II-VI 族化合物半导体Si 或者 SixGe1-x等材料的薄膜特性为所有磊晶技术中最佳者MBE 的
原理基本上和高温蒸镀法相同操作压力保持在超真空(Ultra High Vacuum UHV) 约 10-10 Toor 以下因此芯片的装载必须经过阀门的控制来维持其真空度
微影(Lithography)
微影 (Lithography) 技术是将光罩 (Mask) 上的主要图案先转移至感光材料上利用光线透过光罩照射在感光材料上再以溶剂浸泡将感光材料受光照射到的部份加以溶解或保留如此所形成的光阻图案会和光罩完全相同或呈互补由于微影制程的环境是采用黄光照明而非一般摄影暗房的红光所以这一部份的制程常被简称为黄光
为了加强光阻覆盖的特性使得图转移有更好的精确度与可靠度整个微影制程包含了以下七个细部动作
() 表面清洗由于芯片表面通常都含有氧化物杂质油脂和水分子因此
在进行光阻覆盖之前必须将它先利用化学溶剂(甲醇或丙酮) 去除杂质和油脂再以氢氟酸蚀刻芯片表面的氧化物经过去离子纯水冲洗后置于加温的环境下数分钟以便将这些水分子从芯片表面蒸发而此步骤则称为去水烘烤(Dehydration Bake)一般去水烘烤的温度是设定在 100~200 oC 之间进行
()涂底 (Priming)用来增加光阻与芯片表面的附着力它是在经表面清洗后的芯片表面上涂上一层化合物英文全名为Hexamethyldisilizane”(HMDS)
HMDS 涂布的方式主要有两种一是以旋转涂盖 (Spin Coating)一是以气相涂盖 (Vapor Coating)前者是将 HMDS 以液态的型式滴洒在高速旋转的芯片表面利用旋转时的离心力促使 HMDS 均匀涂满整个芯片表面至于后者则是将 HMDS 以气态的型式输入放有芯片的容器中然后喷洒在芯片表面完成HMDS 的涂布
()光阻覆盖光阻涂布也是以旋转涂盖或气相涂盖两种的方式来进行亦即将光阻滴洒在高速旋转的芯片表面利用旋转时的离心力作用促使光阻往芯片外围移动最后形成一层厚度均匀的光阻层或者是以气相的型式均匀地喷洒在芯片的表面
()软烤 (Soft Bake)软烤也称为曝光前预烤 (Pre-Exposure Bake) 在曝光之前芯片上的光阻必须先经过烘烤以便将光阻层中的溶剂去除使光阻由原先的液态转变成固态的薄膜并使光阻层对芯片表面的附着力增强
()曝光利用光源透过光罩图案照射在光阻上以执行图案的转移
()显影将曝光后的光阻层以显影剂将光阻层所转移的图案显示出来
()硬烤将显影制程后光阻内所残余的溶剂加热蒸发而减到最低其目的也是为了加强光阻的附着力以便利后续的制程
氧化Oxidation
氧化(Oxidation)是半导体电路制作上的基本热制程氧化制程的目的是在芯片表面形成一层氧化层以保护芯片免于受到化学作用和做为介电层(绝缘材料)
扩散Diffusion
扩散(Diffusion)是半导体电路制作上的基本热制程其目的是藉由外来的杂质使原本单纯的半导体材料的键结型态和能隙产生变化进而改变它的导电性
蚀刻Etching
泛指将材料使用化学或物理方法移除的意思以化学方法进行者称之为湿式蚀刻(Wet Etching)是将芯片浸没于化学溶液中因为化学溶液与芯片表面产生氧化还原作用而造成表面原子被逐层移除以物理方法进行蚀刻程序称之为干式蚀刻 (Dry Etching)主要是利用电浆离子来轰击芯片表面原子或是电浆离子与表面原子产生化合反应来达到移除薄膜的目的
金属联机
金属联机制程是藉由在硅晶块 (Die) 上形成薄金属膜图案而组成半导体组件间的电性的连接以欧姆式接触 (Ohmic Contact) 而言金属直接和硅表面接触且在硅表面形成一金属 / 硅的接口当金属沉积覆盖整个晶圆表面时藉由蚀刻去掉不需存留的金属形成组件间彼此的连接对于晶块与外部电路的连接硅表面金属端会制作一极大面积的焊垫 (Bonding Pad)以作为线焊(Wire Bond) 的端点
Die Saw
芯片切割之目的乃是要将前制程加工完成的晶圆上一颗颗之晶粒
Die切割分离首先要在晶圆背面贴上胶带blue tape并置于钢
制之框架上此一动作叫晶圆黏片wafer mount如图一而后再
送至芯片切割机上进行切割切割完后一颗颗之晶粒井然有序的排
列在胶带上如图二三同时由于框架之支撑可避免胶带皱折而使
晶粒互相碰撞而框架撑住胶带以便于搬运
图一
图二
图三
Die Bond
黏晶的目的乃是将一颗颗分离的晶粒放置在导线架lead frame
上并用银胶 epoxy 黏着固定导线架是提供晶粒一个黏着的位置
晶粒座die pad并预设有可延伸晶粒电路的延伸脚分为内
引脚及外引脚inner lead/outer lead一个导线架上依不同的设计可以有数个晶粒座这数个晶粒座通常排成一列亦有成矩阵式的多列排法导线架经传输至定位后首先要在晶粒座预定黏着晶粒的位置上点上银胶此一动作称为点胶然后移至下一位置将晶粒置放其上
而经过切割之晶圆上之晶粒则由取放臂一颗一颗地置放在已点胶之晶粒座上黏晶完后之导线架则经由传输设备送至弹匣magazine内黏晶后之成品如图所示
导线架成品
Wire Bond
焊线的目的是将晶粒上的接点以极细的金线18~50um连接到导线架上之内引脚藉而将晶粒之电路讯号传输到外界当
导线架从弹匣内传送至定位后应用电子影像处理技术来确定晶粒
上各个接点以及每一接点所相对应之内引脚上之接点的位置然后
做焊线之动作焊线时以晶粒上之接点为第一焊点内接脚上之
接点为第二焊点首先将金线之端点烧结成小球而后将小球压焊
在第一焊点上此称为第一焊first bond接着依设计好之路径
拉金线最后将金线压焊在第二焊点上此称为第二焊second
bond同时并拉断第二焊点与钢嘴间之金线而完成一条金线之
焊线动作见图一接着便又结成小球开始下一条金线之焊线动
作焊线完成后之晶粒与导线架则如图所示图二为30μ?之金线与头发的比较请点选图片可看得更仔细喔..........
图一成品
第一焊点图二第二焊点
Mold
封胶之目的有以下数点
防止湿气等由外部侵入
以机械方式支持导线
有效地将内部产生之热排出于外部
提供能够手持之形体
封胶之过程比较单纯首先将焊线完成之导线架置放于
框架上并先行预热再将框架置于压模机mold press上的
封装模上此时预热好的树脂亦准备好投入封装模上之树脂
进料口激活机器后压模机压下封闭上下模再将半溶化
后之树脂挤入模中待树脂充填硬化后开模取出成品封
胶完成后的成品可以看到在每一条导线架上之每一颗晶粒
包覆着坚固之外壳并伸出外引脚互相串联在一起如图所
示
成品
Mark
印字的目的在注明商品之规格及制造者良好的印字令人有高尚产品之感觉因此在封装过程中亦是相当重要的往往会有因为印字不清晰或字迹断裂而遭致退货重新印字的情形
印字的方式有下列几种
印式直接像印章一样印字在胶体上
转印式pad print使用转印头从字模上沾印再印字在胶体上
雷射刻印方式laser mark使用雷射直接在胶体上刻印
为了要使印字清晰且不易脱落胶体的清洁印料的选
用及印字的方式就相当的重要而在印字的过程中自动化的
印字机有一定的程序来完成每项工作以确保印字的牢靠印字后
之成品如图所示
成品
Trim/Form
封胶完后之导线架需先将导线架上多余之残胶去除deflash并且经过电镀plating以增加外引脚之导电性
及抗氧化性而后再进行剪切成型剪切之目的乃是要将
整条导线架上已封装好之晶粒每个独立分开同时亦要
把不需要的连接用材料及部份凸出之树脂切除dejunk
剪切完成时之每个独立封胶晶粒之模样是一块坚固的树脂
硬壳并由侧面伸出许多支外引脚而成型的目的则是将这
些外引脚压成各种预先设计好之形状以便于尔后装置在电
路板上使用由于定位及动作的连器续性剪切及成型通常
在一部机器上或分成两部机trim / dejunk , form / singular
上连续完成成型后的每一颗便送入塑料管tube或承
载盘tray以方便输送照片所示乃剪切成型后之成品
成品
IC封装制程
半導體的產品很多，應用的場合非常廣泛，圖一是常見的幾種半導體元件外型。半導體元件一般是以接腳形式或外型來劃分類別，圖一中不同類別的英文縮寫名稱原文為 PDID：Plastic Dual Inline Package SOP：Small Outline Package SOJ：Small Outline J-Lead Package PLCC：Plastic Leaded Chip Carrier QFP：Quad Flat Package PGA：Pin Grid Array BGA：Ball Grid Array 雖然半導體元件的外型種類很多，在電路板上常用的組裝方式有二種，一種是插入電路板的銲孔或腳座，如PDIP、PGA，另一種是貼附在電路板表面的銲墊上，如SOP、SOJ、PLCC、QFP、BGA。 從半導體元件的外觀，只看到從包覆的膠體或陶瓷中伸出的接腳，而半導體元件真正的的核心，是包覆在膠體或陶瓷內一片非常小的晶片，透過伸出的接腳與外部做資訊傳輸。圖二是一片EPROM元件，從上方的玻璃窗可看到內部的晶片，圖三是以顯微鏡將內部的晶片放大，可以看到晶片以多條銲線連接四周的接腳，這些接腳向外延伸並穿出膠體，成為晶片與外界通訊的道路。請注意圖三中有一條銲線從中斷裂，那是使用不當引發過電流而燒毀，致使晶片失去功能，這也是一般晶片遭到損毀而失效的原因之一。 圖四是常見的LED，也就是發光二極體，其內部也是一顆晶片，圖五是以顯微鏡正視LED的頂端，可從透明的膠體中隱約的看到一片方型的晶片及一條金色的銲線，若以LED二支接腳的極性來做分別，晶片是貼附在負極的腳上，經由銲線連接正極的腳。當LED通過正向電流時，晶片會發光而使LED發亮，如圖六所示。 半導體元件的製作分成兩段的製造程序，前一段是先製造元件的核心─晶片，稱為晶圓製造；後一段是將晶中片加以封裝成最後產品，稱為IC封裝製程，又可細分成晶圓切割、黏晶、銲線、封膠、印字、剪切成型等加工步驟，在本章節中將簡介這兩段的製造程序。
IC 封装制程简介-1
半导体的产品很多，应用的场合非常广泛，图一是常见的几种半导体组件外型。半导体组件一般是以接脚形式或外型来划分类别，图一中不同类别的英文缩写名称原文为 PDID：Plastic Dual Inline Package SOP：Small Outline Package SOJ：Small Outline J-Lead Package PLCC：Plastic Leaded Chip Carrier QFP：Quad Flat Package PGA：Pin Grid Array BGA：Ball Grid Array 虽然半导体组件的外型种类很多，在电路板上常用的组装方式有二种，一种是插入电路板的焊孔或脚座，如PDIP、PGA，另一种是贴附在电路板表面的焊垫上，如SOP、SOJ、PLCC、QFP、BGA。 从半导体组件的外观，只看到从包覆的胶体或陶瓷中伸出的接脚，而半导体组件真正的的核心，是包覆在胶体或陶瓷内一片非常小的芯片，透过伸出的接脚与外部做信息传输。图二是一片EPROM组件，从上方的玻璃窗可看到内部的芯片，图三是以显微镜将内部的芯片放大，可以看到芯片以多条焊线连接四周的接脚，这些接脚向外延伸并穿出胶体，成为芯片与外界通讯的道路。请注意图三中有一条焊线从中断裂，那是使用不当引发过电流而烧毁，致使芯片失去功能，这也是一般芯片遭到损毁而失效的原因之一。 图四是常见的LED，也就是发光二极管，其内部也是一颗芯片，图五是以显微镜正视LED的顶端，可从透明的胶体中隐约的看到一片方型的芯片及一条金色的焊线，若以LED二支接脚的极性来做分别，芯片是贴附在负极的脚上，经由焊线连接正极的脚。当LED通过正向电流时，芯片会发光而使LED发亮，如图六所示。 半导体组件的制作分成两段的制造程序，前一段是先制造组件的核心─芯片，称为晶圆制造；后一段是将晶中片加以封装成最后产品，称为IC封装制程，又可细分成晶圆切割、黏晶、焊线、封胶、印字、剪切成型等加工步骤，在本章节中将简介这两段的制造程序。
IC封装制程简介
半导体的产品很多应用的场合非常广泛图一是常见的几种半导体组件外型半导体组件一般是以接脚形式或外型来划分类别图一中不同类别的英文缩写名称原文为 PDID Plastic Dual Inline Package SOP Small Outline Package SOJ Small Outline J-Lead Package PLCC Plastic Leaded Chip Carrier QFP Quad Flat Package PGA Pin Grid Array BGA Ball Grid Array 虽然半导体组件的外型种类很多在电路板上常用的组装方式有二种一种是插入电路板的焊孔或脚座如PDIP PGA另一种是贴附在电路板表面的焊垫上如SOP SOJ PLCC QFP BGA 从半导体组件的外观只看到从包覆的胶体或陶瓷中伸出的接脚而半导体组件真正的的核心是包覆在胶体或陶瓷内一片非常小的芯片透过伸出的接脚与外部做信息传输图二是一片EPROM组件从上方的玻璃窗可看到内部的芯片图三是以显微镜将内部的芯片放大可以看到芯片以多条焊线连接四周的接脚这些接脚向外延伸并穿出胶体成为芯片与外界通讯的道路请注意图三中有一条焊线从中断裂那是使用不当引发过电流而烧毁致使芯片失去功能这也是一般芯片遭到损毁而失效的原因之一 图四是常见的LED也就是发光二极管其内部也是一颗芯片图五是以显微镜正视LED的顶端可从透明的胶体中隐约的看到一片方型的芯片及一条金色的焊线若以LED二支接脚的极性来做分别芯片是贴附在负极的脚上经由焊线连接正极的脚当LED通过正向电流时芯片会发光而使LED发亮如图六所示 半导体组件的制作分成两段的制造程序前一段是先制造组件的核心─芯片称为晶圆制造后一段是将晶中片加以封装成最后产品称为IC封装制程又可细分成晶圆切割黏晶焊线封胶印字剪切成型等加工步骤在本章节中将简介这两段的制造程序