半导体 | 后段制程设备

一、后段制程的工艺流程和主要设备

后段制程是将在前段制程中制造的LSI从晶圆上切割成芯片，进行封装，通过出货检查等流程。与上个流程不同的是，它具有很强的机械性加工的特性，并且每个工艺都使用独自的设备。

什么是后段制程?

在前段制程的部分，很多工艺都是使用化学和物理反应，具体过程本身是不可见的，但是后段制程中往往是晶圆减薄、切割成芯片、引线贴合等机械性的加工，其特点是可以通过目视确认加工过程的工艺居多。但这些工艺同样需要高精度的操作。由于以上原因，所以后段制程的制造设备与前段制程中的制造设备完全不同。此外各个工艺都有其工作对象(Work)，包括晶圆、芯片(在后段制程中也被称为“Die”或“Pellet”)、封装等。所以针对不同的工作对象就会用到一些特殊处理方法和夹具。整体工艺流程和各个工作对象如下图所示。

后段制程的工艺流程和工作对象

后段制程相关的半导体设备制造商也与前段制程的不尽相同。当然也有两者都有参与的制造商，但并不常见。由于在前段制程的工艺设备中用到真空设备或使用特殊气体的情况很多，因此也是专门从事该领域的制造商进人市场的情况居多。另一方面，一些后段制程的工艺设备制造商在监测设备和出货检查设备等领域有其通用的一面，但是技术积累的部分占比会更多一些，所以活跃在市场上的还是更多传统的专业制造商。

后段制程的晶圆厂和设备

虽然在规模和种类上与前段制程的工艺设备不同，但也会用到特殊气体和化学药品因此也需要配备相关设备。同时对洁净度也是有要求的，所以也需要无尘室。在清洁度的要求上要比前段制程宽松。

后段制程按照上图所示的工艺流程进行，不同于前段制程的循环式工艺而属于流水线型工艺。因此，在后段制程晶圆厂中，制造设备也是按流程排列的。下图显示了一个典型的后段制程晶圆厂的布局示意图。由于包括晶圆、芯片和封装等不同工作对象，因此会有特殊情况和不同的夹具出现。这些夹具在每个单独工艺中会被循环使用。当时晶圆载具并不像前段制程那样需要在无尘室中循环。

之前介绍的生产设备的产能不均衡的问题在流水线型的后段制程中并没有循环型前段制程中突出。但值得注意的是由于工作对象不尽相同，所以简单的比较似乎也没有太大意义。

一般情况下，后段制程晶圆厂和前段制程晶圆厂距离比较远，甚至会部署到不同区域。以前后段制程是劳动密集型产业，但如今自动化已经取得了长足的进步，也有很多人进入这个行业。即使在日本，半导体产业规模较小的时候，在日本本土设立后段制程晶圆厂很常见，但之后为了降低成本，形成了在其他国家设立后段制程晶圆厂的局面。美国也是如此。以半导体为例，即使前段制程和后段制程厂址分开，由于晶圆从前段制程晶圆厂到后段制程晶圆厂的运输成本并没有那么高，所以运输成本并不是主要矛盾。

另外，由于后段制程的设备初期投资和无尘室建设的投资额比前段制程要小，所以后段制程晶圆厂出现得比前段制程要早。

二、测量电气特性的探测设备

前段制程完成后，需要一个工艺来判断晶圆上形成的每一个芯片作为电子器件是否合格。探测设备可以做到这一点。

探测设备的作用

在晶圆上形成大量LSI的前段制程结束后，终于进人后段制程。即使在前段制程中针对各个工艺对颗粒等问题进行了实时监测，但形成的芯片依旧会有缺陷。将不良品放入后段制程的处理中是没有意义的，所以需要判断每个芯片是良品还是不良品。这就是进入后段制程之前的审查，称为KGD(Known Good Die)。进行测试的设备是探测设备。研发中使用的设备有手动的，但半自动和全自动设备已经形成主流。量产的生产线上可以看到成排的全自动化探测设备。

什么是探测设备?

探测设备由探测器部分、晶圆装载/卸载部分和传输部分组成。探测器部分有应付各种设备的内置程序，支持例如内存和逻辑器件这样完全不同对象的探测。此外，它还具有晶圆台对准功能(需要配合下面介绍的探针卡终端进行对准)、高速高静音的XY控制和高精度的Z轴控制功能，属于精密机械。下图显示了探测设备的典型示意图。另外在量产线中，这些探测设备由主机集中管理，实现了对各个设备状态监控的系统。探测设备对半导体市场很敏感，据说从探测设备的订单状况可以预测半导体市场的未来。

探测设备的平面图概要

什么是探针卡?

Probing是一个来自英文Probe(探测)的词。探测设备中使用带有许多可以带电的针。这些针形成卡状，被称为探针卡。其原理见下图，探针卡制造商会为每个LSI芯片定制专用的探针卡。LSI芯片有一个称为焊盘的地方，可以设置针。不同的LSI，可以设置针的数量和位置不同，所以需要专用的探针卡。探针卡的制造商和探测设备的制造商是不同的。探针卡可分为悬臂式、垂直式和薄膜式。从下图也可以看出来悬臂式是一种老办法。简单地说是利用杠杆原理使其与芯片的焊盘接触。其他方法因篇幅原因略去，但都是利用各自的特点来使用的。最近的LSI有大量的端口，探针卡上的针数也相应增加。

探针卡的简易示意图

三、晶圆减薄的背磨设备

将芯片进行封装时，前段制程中出来的晶圆厚度太厚了。所以需要从晶圆的背面切开，使其达到规定的厚度。背磨设备就是用来完成这个任务的。

什么是背磨?

300mm 晶圆厚度为 775um，200mm 晶圆厚度为725m。当晶圆在前段制程中由工艺设备进行加工或在设备与设备之间传送时，上述厚度需要满足晶圆的机械强度和翘曲等形状规格。但随后的后段制程中为了将芯片进行封装，需要使其薄至100~200um。这个削薄的过程就是背磨工艺。

背磨工艺与CMP类似，它们都是使晶圆变薄了几分之一的操作。如下图所示，实际操作是将含有金刚石磨粒的扁平砂轮以5000转/min 左右的转速旋转，对晶圆进行减薄处理。此时，为了不损伤LSI，需要在晶圆表面形成保护膜（保护膜:PET或聚烯烃用作保护胶带的材料。形成方法是在品圆表面使用紫外线固化型胶粘剂，用滚轮等将保护胶带均匀贴合。同样也可以通过照射紫外线等使黏合剂固化并进行剥离。），将保护面进行真空处理固定在卡盘台上。

背磨的实操模式图

通过以约5000转/min 旋转的金刚石砂轮从晶圆背面经过达到磨削的效果，可以改变磨石的数量实现精磨。最后因为保留了约1m的损坏层，所以需要将其清除。最近，可以使用干法抛光（不使用化学品或浆料进行抛光，而使用专用磨具。）来代替化学去除工艺。从设备上取下晶圆后，取下表面的保护膜。该保护膜使用专用设备进行粘贴和去除。但是在将其移除之前，请将用于切割的胶带粘贴到晶圆的背面。

背磨设备的概要

如下图所示，它由一个晶圆装载/卸载部分和一个抛光台组成。实际设备是多头又深又长的设备。每个头是一个真空吸盘台。一旦晶片被夹持住，它就会按顺时针方向被送到每个头进行处理。一些设备还具有定心台和晶片倒置功能。

背磨设备的概要

四、切割芯片的切片机

使用切割设备将芯片(也称为裸片)从晶圆上切割下来，并对其进行封装。

实际的切片

在背面研磨使晶圆变薄后，将其连接到称为载带的胶带上。这是一种保护对策，防止切屑在切割后散开。晶圆通过专用框架与胶带连接，所以工作对象是一个框架。在实际操作中，使用一种称为刀片(厚度为20至50um)的附有金刚石颗粒的硬质材料切割晶圆。该金刚石刀片每秒旋转数万转以切割晶圆，所以会产生摩擦热。因此，在切割过程中始终以高压喷射纯水。这种纯水还起到去除切屑的作用。由于存在静电击穿（静电击穿:由于纯水只含有极少量的杂质，电阻率值变大。因此，当它与品圆表面的绝缘保护膜接触时，会产生静电，从而破坏芯片上的电路。）的问题，因此通常将二氧化碳混合在纯水中进行使用，见下图。有切割所有晶圆的全切割和半切割的方法，主流是全切割，它减少了工序数量，在质量控制方面有优势。值得注意的是即使完全切割，载带也不会分离（不会分离:如果胶带的剩余量不均匀，则在切割后取出芯片，拉伸胶带的过程中，芯片会发生位移。所以切割的过程需要很高的高精度技术。）

切片的模式图

切片机的概要

每个框架都配备有搬运品圆的装载/卸载部分、对准台、卡盘台和连接到主轴的刀片。刀片的深度在Z轴上可以调整。通过XY平台和旋转角度进行调整对齐。最后，用旋转处理器清洗和干燥，将晶圆返回原始装载/卸载部分。下图显示的是基本形式。虽然由于复杂而未在图中显示，但晶圆框架的移动是由设备中的搬运机器人执行的。

切片设备的示例

切片是一颗一颗地切出芯片，很难确保生产效率。因此，还有一种称为双切的设备即在两个轴上都安装上相同的刀片，可以同时对两条线进行加工。此外，不使用刀片而使用激光进行加工的方法也被提出了。

五、贴合芯片的贴片机

贴片设备是将切出的芯片连接到板上，以便将它们储存在封装中的设备。从本节开始，我们的工作对象是芯片。

什么是贴片?

从已切割的晶圆中仅选择无缺陷的芯片，将它们放置在用于封装的基座(称为芯片垫)上，然后用黏合剂等固定它们，这称为芯片贴合。如下图所示，每个芯片仍然附着在载带上，因此可以在不散开的情况下运输。对于良品芯片可用针从下面向上推，使其浮动，然后用真空吸盘捕获并输送到引线框架的芯片焊盘上。当然，有缺陷的芯片最终会被丢弃。

芯片贴合的流程

贴片的方法

在这里，我们将解释如何使用黏合剂进行贴片。首先，将黏合剂点涂在用于封装的芯片焊盘上。目前主要有两种实现方法。一种是共晶合金接合法，另一种是树脂接合法。在此，使用树脂接合法。这种方法用于固定到各种类型的封装主板。整个过程以环树脂为基础的 Ag浆料作为黏合剂，在约 250℃的环境中加热的同时，使用真空吸盘吸附，对其进行刷洗并加压实现芯片的贴合。目前，这种方法是后段制程的主流。

贴片机的概要

下图显示了芯片贴合设备的概况。这是一个平面示例，其中晶圆框架从图的底部进入对齐后，芯片被拾取并使用夹头进行芯片贴合。引线框在图中从左到右运输，在贴合前需要点胶。

芯片贴合设备

当然，每个平台都可以在XY和θ方向移动，以贴合所需的芯片。

六、用于引线框接合的打线设备

使用金线将端口与芯片上ISI的焊盘进行电连接的过程需要打线设备打线的原理打线中使用的线是金(Au)，因为它稳定可靠。芯片上的端口称为键合焊盘，简称焊盘。在LSI的制造工艺中涉及焊盘的形成。另一方面，引线框架的芯片侧称为内引线。下图显示了打线的原理。从称为毛细管部分的尖端拉出金(Au)线，用发电筒靠近它产生火花，以使尖端的 Au呈球形(图a)。球形部分被压在焊盘(AI)上通过热压黏合(图b)。此时，使用温度为200℃~250℃的超声波能量的UNTC 法是主流。然后将毛细管移动并拉伸金(Au)线(图c)。

打线的流程

之后，将毛细管移动到LSI的内部引线部分并进行贴合。在引线部分镀上了Ag等金属。之后，毛细管也移动到另一个焊盘位置，将金线拉到毛细管的尖端，将发电筒靠近它产生火花，使尖端的金呈球形。以每秒几行的速度重复执行此操作。这是半导体晶圆厂的宣传片中经常出现的场景。

打线设备的概要

以上过程需要用到专用的打线设备。LSI产量越多的晶圆厂打线设备也越多，实际的打线设备与贴片设备的配置基本相似，如下图所示(平面图)。芯片从图的底部供给，在送料处，焊炬电极和夹具一起送到贴合头的地方。芯片被拾取并进行打线操作。

打线设备的构成示例

七、封装芯片的塑封设备

LSI芯片的贴片和打线结束后，下面就是为了封装需要进行的塑封处理。实现这种处理的是塑封设备。

塑封工艺的流程

该工艺类似于用模具上下夹住芯片对其成形。本节介绍引线框型的塑封。首先，塑封工艺流程如下图所示。打线结束后，需要将芯片和框架搬运并将它们放在封装的模具上。如果用模具的上部覆盖它，芯片将被放置在上下模具的空间(形腔)中。这里的情况是，对上下模具施加压力，使其紧密接触。将环氧树脂等倒入其中，实现芯片的完全封闭。

塑封工艺的流程

图中为了方便说明，只对一个芯片进行塑封，但这样效率低下，所以实际情况是如后面所示的批量处理。

将模具加热到 160℃~180℃，将热固性环氧树脂放入模具内。用柱塞将熔化的环氧树脂从衬垫推人空腔。这种方法称为传递模法。

当温度下降时，环氧树脂会固化。因此，通过取出模具、消耗一定时间并使其固化来完成成形。

塑封设备的概要

这个传递塑封设备由一个装载部分、一个压制部分和一个卸载部分组成。上料工段负责储存装有引线框的料仓，并将其送到压制工段，压制工段负责加热模具，用柱塞将熔化的环氧树脂送人空腔，并填入树脂进行密封，如上图所示。下料工段负责将树脂密封的引线框从模具中取出并转移到储存料仓。各个部件按流动顺序排列，下图是一个布局平面图。

塑封设备的布局示意图

八、毛刺清除和包装设备

LSI芯片成形后，我们将为出货做准备。在这里，将涉及印字设备和包装设备。

什么是印字设备?

印字设备用于印刷标识。标识是指印在半导体设备上的公司名称、产品名称或批次名称等信息。这将帮助企业更有效地管理产品，甚至帮助查询不良产品。

印字方式有油墨印刷法和激光印刷法两种。前者因为在黑色包装上用白色墨水标明所以容易看，但也有容易产生污渍、漏字等缺点。后者的缺点是比墨水方式更难看清，但由于封装树脂部分被激光熔化进行打印，因此难以擦除。目前激光方式已成为主流。印字设备的激光器主要是LD 激发的 YAG 激光器。下图显示了一个印字设备的示例，通过激光扫描以点成字。

印字设备的示例

包装设备

封装外的引线框部分称为外框，此部分的过程称为引线成形(LeadFrame)。具体而言，是指将引线端口的前端与引线框分离，将引线端口弯曲成与封装的种类对应的形状实际在框架状态下运输的LSI(见下图)是从引线框架上冲压出来的，采用坝条切割工艺、修整工艺使其与框架分离，引线端口弯曲制成印制电路板，按照引线成形工序的顺序连续加工，成形为可插入的形状，流程如下图所示。分别使用坝条切割设备、修边设备和引线成形设备，它们都是机械加工设备。

包装(引线成形)的流程

九、最终监测设备和老化设备

本节将介绍最终产品形成所需的老化设备。尽管该设备本身不是监测设备，但它对于早期发现ISI中的初始缺陷很重要，

后段制程的最终监测工程

最终监测首先是要测量封装的半导体器件的外观和尺寸，然后测量器件的电气特性以确保合格，每一步都有专门设备。电气特性的测量是由监测设备完成的。

什么是老化?

不仅限于半导体器件，在商品上市之前，必须避免初始缺陷，为此需要一个老化设备。尤其是半导体器件用于电子设备、信息设备、家用电器等消费产品、工业设备等各种市场，所以必须保证长期可靠性。可靠性工程使用浴盆曲线(老化曲线)。因其外形酷似浴盆(Bathtub)而得名，如下图所示。初期故障会随着时间的推移而减少。

浴盆曲线

之后的故障率几乎是恒定的，所谓的使用寿命也在这个范围内。随后因为使用时间长器件都有损耗，所以故障率自然就会增加。在老化测试中需要解决的是初期故障的问题。如果产品投放市场后出现大量初始缺陷，就会失去客户的信任，失去作为半导体制造商的地位。因此，老化测试设备是一种初期监测初始缺陷的方法。这样做是为了使LSI芯片在高温和高电压下运行，以便尽早监测初始的缺陷。

什么是老化设备?

图下图显示了老化设备中的恒温槽，该设备温度可控。如图所示，许多封装器件安装在老化电路板的插座上并对其进行加载测试。当然，老化设备内部的温度环境是可变的。从这里也可以连接到电气特性的探测设备并对其进行负载测量。当然，不同设备有其相对应的测试程序。

老化设备的恒温槽的示例

参考文献：

爱蛙科技(客服电话4001021226)

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