高端IC封裝技術(shù)

劉勁松(愛立發(fā)自動設(shè)備(上海)有限公司

摘要：在IC制造技術(shù)中的后道工序的封裝技術(shù)，在2001年后的高端IC制造中，突顯非常重要的地位。從64K DRAM到CPU—奔4芯片的封裝都在其中。本文，結(jié)合筆者在日本大學(xué)、研究所和公司的研究工作經(jīng)歷，對高端IC封裝的最主要幾種類型的設(shè)備作一一闡述。進(jìn)入2002年，隨著液晶顯示器TFT—LCD的流行，液晶Cell的IC Driver芯片貼付機開始暢銷，本文也對這一在中國剛剛開始使用的設(shè)備作一介紹。

關(guān)鍵詞：晶圓；IC封裝；IC制造；標(biāo)識

1 IC制造技術(shù)概述

簡單地說，一支芯片的制造要經(jīng)歷圖紙設(shè)計(Fabless)和實物制造(Foundry & Packaging)兩個過程。實物的制造分為前工程和后工程兩個階段。前工程是指在晶圓(Wafer)上作出設(shè)計要求的邏輯電路芯片的所有過程。后工程是指把帶有邏輯電路的晶圓做成一個個獨立的芯片的所有過程。世界半導(dǎo)體界有這樣的共識：盡管前工程投資巨大，核心技術(shù)集中，但全球不過十幾個大廠，技術(shù)更新緩慢。而后工程，特別是封裝領(lǐng)域，可以說技術(shù)更新快，廠商多，競爭激烈。也正是由于IC封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，才使諸如數(shù)字?jǐn)z像機、數(shù)字照相機、C3手機得以迅猛發(fā)展。

IC封裝工藝是后工程中最具變化和發(fā)展迅速的領(lǐng)域。IC封裝又分為低端IC封裝和高端IC封裝。低端IC封裝在中國已發(fā)展多年，目前中國大陸也是世界低端IC的最大生產(chǎn)基地。但由于附加值太低，沒有多少利潤。作為高端IC的封裝，自2002年在大陸?yīng)氋Y和合資企業(yè)中已開始使用。特別是2002年5月Intel上海公司宣布P4CPU芯片在上海封裝，意味著在中國大陸已有世界上最先進(jìn)的封裝設(shè)備在運轉(zhuǎn)。

本文要介紹目前已在國際上廣泛使用和預(yù)計將要廣泛使用的五大類高端IC封裝設(shè)備。它們分別是：(1)TAB Potting System；(2)BGA,CSP Ball Mounting System；(3)Flip-Chip Bonding System；(4)TAB Marking System；(5)TFT-LCD Cell Bonding System。

下面逐項介紹這些設(shè)備的原理和技術(shù)。

2 TAB Potting System

下圖是這一系統(tǒng)的照片，其中技術(shù)核心是標(biāo)識Main的部分。

這種封裝形式的發(fā)展最早是從BP尋呼機的小尺寸液晶顯示驅(qū)動IC的涂布方式而來，目前廣泛應(yīng)用在手機液晶顯示驅(qū)動IC和PC用液晶顯示驅(qū)動IC的封裝。這種設(shè)備的控制軟件由一個小組完成，筆者參加過其中涂布運動路徑控制軟件模塊的制作。該裝置的Specifications如圖2所示。

3 BGA,CSP Ball Mounting System

這一裝置如圖3所宗，它由三個獨立的工程組成，分別為：印刷工：程、搭載工程、檢查工程。

這種設(shè)備在臺灣稱作植球機，筆者在臺灣TI公司作這一裝置的技術(shù)指導(dǎo)時看到，目前TI公司的DSP芯片幾乎全是使用這種設(shè)備植球。這種設(shè)備可以用在P—BGA、T—BGA及從2001年底開始流行的CSP等封裝形式上。在2002年3月訪問Intel上海時看到，他們從美國公司引進(jìn)這一設(shè)備作為生產(chǎn)CPU—P4的植球機，該裝置的Specifications如圖4所示。

針對日本國內(nèi)G3手機的蓬勃發(fā)展和世界PDA機種的小尺寸高容量化，在這類封裝中又衍生出Micro Ball Mounting System(圖5)。

4 Flip-Chip Bonding System

Flip-Chip封裝是一門古老的封裝技術(shù)，誕生在1960年IBM公司，國內(nèi)稱作倒裝焊技術(shù)。進(jìn)入2000年后，由于專用系統(tǒng)集成芯片的高速發(fā)展，這種帶有研究性質(zhì)的封裝形式得以興起和推廣。這類裝置分為Manual—手動機和Auto—自動機。Manual機是專門為研究機構(gòu)和大學(xué)設(shè)計的實驗研究用機型。圖6所示的Manual機CB—501，由于價格低，專業(yè)功能強，在日本著名半導(dǎo)體大公司的研究所幾乎都有配備。圖7是它的Specifications。該裝置的軟件是筆者制作的。

顯然Auto機是針對工廠批量生產(chǎn)而設(shè)計的，該裝置正處于開發(fā)完善階段。我參加了其中技術(shù)要素的開發(fā)——定位精度0．1μm的直線電機控制技術(shù)。已在2003年中推向日美市場，其關(guān)鍵技術(shù)在于Bonding頭的平坦度控制技術(shù)和直線電機的重復(fù)定位穩(wěn)定性。

5 TAB Marking System

從字面翻譯，這種設(shè)備叫做TAB芯片打碼機。按照使用材料不同，分為ink打碼機和激光打碼機。這種設(shè)備的核心技術(shù)是打印頭，日本廠商的ink和Laser打印頭是業(yè)界公認(rèn)品質(zhì)上流的。該設(shè)備在原理上沒有新的地方，買來標(biāo)識系統(tǒng)后，在機構(gòu)上為其配套，但其傳送機構(gòu)的穩(wěn)定性要求很高。由于涉及不到任何專利權(quán)限，我國臺灣和韓國的幾家企業(yè)都有生產(chǎn)。2000年IC制造業(yè)最繁榮時，臺灣的幾乎所有芯片封裝廠都引進(jìn)數(shù)套該設(shè)備。

6 TFT-LCD Cell Bonding System

在PC領(lǐng)域，由液晶顯示器取代CRT是趨勢。從2001年后期開始的TFT-LCD制造高潮延續(xù)至今。特別是臺灣企業(yè)潮水般在祖國大陸的投資建廠，使這一領(lǐng)域設(shè)備市場持續(xù)增長。在TFT-LCD的實裝線上，主要被日立和松下等大公司所壟斷。筆者在我國臺灣省參觀其液晶大廠時看到，像日立等大公司制造的價值2億日元的實裝線確實有know-how。為了提高TFT-LCD制造成品率和降低制造成本，實裝后的Repair設(shè)備倍受歡迎。在Repair機臺中大致分為三類：ACF貼付機、OLB貼付機、PWB貼付機。由這三種機器可以完成一片液晶Cell的驅(qū)動IC的全部貼付工序。圖8、9、10為這三類裝置的照片。筆者于2002年6月結(jié)束的在我國江蘇省某臺資公司完成的技術(shù)指導(dǎo)培訓(xùn)就是針對上述三類裝置。其中PWB貼付機的控制軟件也是筆者完成的。

總結(jié)

隨著IC制造業(yè)的不斷發(fā)展，特別是多品種、少批量的IC需求越來越多，新開發(fā)的IC封裝形式還會不斷出現(xiàn)。因此，針對新的封裝形式而出現(xiàn)的封裝設(shè)備也會不斷涌現(xiàn)。上述的五類設(shè)備并不是高端IC封裝技術(shù)的全部，但確是主要的部分。隨著市場對IC的更高需求，還會出現(xiàn)更新的封裝設(shè)備，但新的封裝形式和設(shè)備不是憑空而來的，是在前一代封裝形式的基礎(chǔ)上而被發(fā)明出來的。

因此，針對中國市場開發(fā)需要的高端IC封裝技術(shù)和設(shè)備是擺在中國機電一體化學(xué)科學(xué)者們面前的緊迫課題?！鞍雽?dǎo)體技術(shù)是工業(yè)的糧食”是世界產(chǎn)業(yè)界共識，中國工業(yè)不能沒有半導(dǎo)體技術(shù)就象中國不能缺吃少糧一樣。而且，我們要自己種糧吃，我們要研制出更多的國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備以替代進(jìn)口產(chǎn)品。