劉勁松 郭 儉

(上海理工大學(xué) 上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司)

摘要:

為了應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體芯片高密度、高性能與小體積、小尺寸之間日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，3D 芯片封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從工藝和裝備兩個(gè)角度詮釋了 3D 封裝技術(shù);介紹了國(guó)內(nèi)外 3D 封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì) 3D 高端封裝制造設(shè)備植球機(jī)的需求。介紹了晶圓植球這一 3D 封裝技術(shù)的工藝路線和關(guān)鍵技術(shù)，以及研制的這一裝備的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。以晶圓植球機(jī) X － Y － θ 植球平臺(tái)為例，分析了選型的技術(shù)參數(shù)。封裝技術(shù)的研究和植球機(jī)的研發(fā)，為我國(guó)高端芯片封裝制造業(yè)的同行提供了從技術(shù)理論到實(shí)踐應(yīng)用的參考。

0 引言

3D 芯片封裝技術(shù)在組裝密度、信號(hào)傳輸速度、電性能及可靠性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已成為能最大限度地提高芯片集成度和提高高速單片 IC 性能，制作高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品小型化、多功能化、高可靠性和高性能的最有效途徑。3D 封裝的主要優(yōu)勢(shì)為:具有最小的尺寸和質(zhì)量，將不同種類的技術(shù)集成到單個(gè)封裝中，用短的垂直互連代替長(zhǎng)的 2D互連，降低寄生效應(yīng)和功耗等。

國(guó)際上公認(rèn)最具商業(yè)價(jià)值的芯片就是 BGA/WLP(Ball Grid Array/Wafer Level Package)等 3D 封裝形式的處理器產(chǎn)品，美國(guó) TI 為全球最大生產(chǎn)商。3D 芯片封裝最主要的設(shè)備及工藝就是植球設(shè)備和工藝，目前該項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備均被國(guó)外公司所壟斷，其進(jìn)口設(shè)備售價(jià)昂貴、售后技術(shù)支持效果不佳，嚴(yán)重影響了我國(guó)芯片廠的產(chǎn)品換代升級(jí)進(jìn)程。掌握這項(xiàng)技術(shù)并研發(fā)出晶圓級(jí)植球機(jī)具有重大戰(zhàn)略意義，將推動(dòng)我國(guó)3D 芯片封裝技術(shù)的發(fā)展。這一國(guó)內(nèi)設(shè)備及工藝技術(shù)的誕生將改變國(guó)產(chǎn)芯片廠為外資品牌低端來(lái)料加工的歷史，可以生產(chǎn)中國(guó)自主品牌的芯片。

1 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析

高密度 3D 芯片封裝技術(shù)是國(guó)內(nèi)外近幾年飛速發(fā)展的微電子封裝技術(shù)。疊層型 3D 封裝是應(yīng)用最廣泛的一種，各層互連可以是線焊、倒裝焊、硅通孔或是這三種方式的混合。不管是哪種具體的實(shí)現(xiàn)形式，3D 封裝有幾個(gè)共性的難點(diǎn):凸點(diǎn)制作、通孔制作、芯片減薄和劃片、散熱及電路性能等。目前，3D層疊中的微焊點(diǎn)主要使用超細(xì)間距和高密度凸點(diǎn)陣列實(shí)現(xiàn)。晶圓上形成凸點(diǎn)有三種形式:電鍍方式、印刷錫膏固化方式和植球方式。電鍍方式具有造價(jià)貴、制造周期長(zhǎng)、環(huán)境污染、工藝復(fù)雜和參數(shù)不穩(wěn)定等缺點(diǎn);印刷錫膏方式不容易控制凸點(diǎn)高度，很難制作小于 200 μm 的凸點(diǎn)。植球方式工藝穩(wěn)定。目前，材料廠商可以提供質(zhì)量穩(wěn)定的 60 ～ 250 μm 的錫球用于量產(chǎn)。2002 年從 Intel 公司首倡推廣使用晶圓植球技術(shù)開(kāi)始，正逐漸被大多數(shù)客戶所接受，這種方式的成本也隨焊球和設(shè)備價(jià)格的下降而迅速下降，更具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。層疊后的芯片與 PCB 等載體相連時(shí)，又廣泛運(yùn)用到 BGA 基板植球技術(shù)。

晶圓級(jí)微球植球機(jī)及周邊的微芯片檢測(cè)提取設(shè)備和 BGA 基板植球機(jī)設(shè)備的技術(shù)和專利近乎全部掌握在國(guó)外廠商手中，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)外公司制定;國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)工作面臨國(guó)外廠商的技術(shù)封鎖。針對(duì)該類設(shè)備的相關(guān)專利保護(hù)，具體進(jìn)行了深入的研究工作，研發(fā)了新的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)新型的結(jié)構(gòu)，申請(qǐng)專利保護(hù)我們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且已經(jīng)有幾款發(fā)明專利獲得受理和授權(quán)。

2 我國(guó)市場(chǎng)需求分析

早在 20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)和日本就開(kāi)始研究BGA 植球技術(shù)，并在 20 世紀(jì) 90 年代末開(kāi)始出現(xiàn)BGA 封裝規(guī)模化生產(chǎn)。晶圓級(jí)微球植球機(jī)的技術(shù)源自基板植球機(jī)。我國(guó)內(nèi)資企業(yè)在 2008 年左右引入首套 BGA 基板植球機(jī)，2010 年就開(kāi)始了晶圓植球機(jī)的采購(gòu)。

晶圓級(jí)微球植球機(jī)和 BGA 基板植球機(jī)是高端IC 封裝設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備之一，可以和前后設(shè)備組成完整的 3D 芯片封裝生產(chǎn)線。隨著網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字電視、信息家電和 3G/4G 手機(jī)等產(chǎn)品大量需要高端 IC 電路產(chǎn)品，進(jìn)而對(duì)高引腳數(shù)的 MCM、BGA、CSP、SiP、PiP、PoP 等 3D 芯片封裝中高端產(chǎn)品的需求十分旺盛。

保守估計(jì)，2013 年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)較 2012年將萎縮 6% 左右;然而我國(guó)半導(dǎo)體專用設(shè)備市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)達(dá)到 40 億美元規(guī)模。封裝測(cè)試設(shè)備占國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體專用設(shè)備市場(chǎng)在 40%以上，超過(guò) 16億美元。其中約 10%為 3D 芯片封裝植球設(shè)備這樣的高密度高端 IC 封裝設(shè)備，而且逐年迅猛增長(zhǎng)。晶圓植球機(jī)全球 2013 年銷售預(yù)期將達(dá)到 20 條線并將保持年均 25% 以上的增長(zhǎng)。中國(guó)大陸封裝廠剛開(kāi)始采用此類技術(shù)，設(shè)備需求持續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)中國(guó)大陸市場(chǎng)將保持 30%以上的年均增長(zhǎng)，具有良好的市場(chǎng)前景。

3 裝備設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)工藝路線

裝備設(shè)計(jì)目標(biāo)是研究晶圓植球技術(shù)及設(shè)備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，具體研制用于 3D 芯片封裝的晶圓級(jí)微球植球設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)潔而可靠的能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、高良率植球的機(jī)構(gòu)，完成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和多項(xiàng)專利技術(shù)的晶圓級(jí)微球植球機(jī)和并產(chǎn)業(yè)化，打破國(guó)外技術(shù)封鎖。設(shè)備技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界同期水平，并提供給國(guó)內(nèi)大型封測(cè)骨干企業(yè)進(jìn)行驗(yàn)證生產(chǎn)。

晶圓級(jí)微球植球機(jī)主要產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如下。硅片尺寸:6/8/12 inch;最小端子間距:200 μm;錫球直徑:Ф100 μm ～ Ф500 μm;UPH:20;印刷和植球?qū)ξ痪? ±30 μm;植球成功率:99． 995%。

以上主要技術(shù)性能指標(biāo)為國(guó)際同期水平，上海微松公司針對(duì)該類設(shè)備的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)獲得多項(xiàng)授權(quán)專利，擁有發(fā)明專利的晶圓級(jí)微球植球用彈性體壓入裝置、微球自動(dòng)收集及供球循環(huán)設(shè)備、BGA 基板植球用焊球定位自動(dòng)供給機(jī)構(gòu)等技術(shù)，克服了一些國(guó)外設(shè)備具有的缺點(diǎn)和不足，具有更高的性價(jià)比。

晶圓級(jí)微球植球機(jī)工藝和技術(shù)路線如下。

(1)將晶圓盒放置到上料位后，機(jī)械手自動(dòng)抓取晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)后放置到工作臺(tái)上;

(2)助焊劑和焊球的上料;

(3)圖像處理系統(tǒng)對(duì)晶圓和網(wǎng)板進(jìn)行認(rèn)識(shí)和處理，計(jì)算晶圓與印刷網(wǎng)板/植球網(wǎng)板的對(duì)位信息;

(4)根據(jù)視覺(jué)認(rèn)識(shí)的處理結(jié)果把晶圓和印刷網(wǎng)板對(duì)位，執(zhí)行助焊劑印刷;

(5)自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)對(duì)印刷網(wǎng)板進(jìn)行清洗;

(6)根據(jù)視覺(jué)認(rèn)識(shí)的處理結(jié)果把晶圓和植球網(wǎng)板對(duì)位，執(zhí)行植球;

(7)自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)對(duì)植球網(wǎng)板進(jìn)行清洗;

(8)機(jī)械手自動(dòng)將晶圓從工作臺(tái)上抓取，放回晶圓盒中。具體流程如圖 2 所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

3D 芯片封裝植球裝備技術(shù)的研發(fā)解決了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)急需的關(guān)鍵技術(shù)，形成了如下創(chuàng)新點(diǎn)。

4． 1 超精密絲網(wǎng)印刷技術(shù)

晶圓級(jí)植球工藝中，絲網(wǎng)印刷用網(wǎng)板是微米級(jí)的薄板，晶圓和刮刀與網(wǎng)板的接觸都會(huì)造成印刷網(wǎng)板的彈性變形。需要對(duì)這種變形加以控制、尋找合適的工藝參數(shù)并最終實(shí)現(xiàn)精確的助焊劑印刷量控制并實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的印刷精度，如圖 3 所示。

4． 2 自動(dòng)網(wǎng)板清潔技術(shù)

需要設(shè)計(jì)全自動(dòng)的清潔紙傳送和清潔液供給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)印刷網(wǎng)板和植球網(wǎng)板的自動(dòng)清洗，以保證最終的植球質(zhì)量，如圖 4 所示。

4． 3 晶圓級(jí)微球搭載技術(shù)

通過(guò)研究球徑、晶圓尺寸和壓力的關(guān)系曲線，研究測(cè)量反饋系統(tǒng)的誤差校正算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) Z 軸壓力的精確控制以實(shí)現(xiàn)良好的植球效果。研究焊球流量與植球效果的匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)焊球的自動(dòng)供球、回收和循環(huán)系統(tǒng)。原理示意圖，如圖 5 所示。

4． 4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件

一個(gè)大系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，需要為操作人員提供各種數(shù)據(jù)和參數(shù)，也需要為生產(chǎn)中的各項(xiàng)指標(biāo)提供可追溯和分析數(shù)據(jù)庫(kù);因此生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件也是核心技術(shù)。

4． 5 精密定位系統(tǒng)與算法

0． 1 μm 的分辨率，1 μm 的絕對(duì)定位精度，2 m的有效行程，定位技術(shù)的成熟與否決定了系統(tǒng)的可靠性。本裝備的 X － Y － θ 植球平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，下面將用一個(gè)章節(jié)分析其特點(diǎn)與選型。最多 50 軸(電機(jī))同時(shí)控制，在控制各種電機(jī)(直線，伺服，步進(jìn))的同時(shí)，采集傳感器過(guò)來(lái)的 I/O 信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制算法也是系統(tǒng)研發(fā)的核心技術(shù)。

5 X － Y － θ 植球平臺(tái)的選型

X － Y － θ 三自由度植球平臺(tái)是晶圓級(jí)微球植球機(jī)核心工作單元，主要由直線電機(jī)、DD(直接驅(qū)動(dòng))電機(jī)、內(nèi)外圈同步帶起升機(jī)構(gòu)、網(wǎng)板支撐平臺(tái)和精密支撐治具組成，可分別對(duì) 6 英寸、8 英寸和 12 英寸晶圓進(jìn)行高精度定位，完成印刷和植球動(dòng)作，結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。其對(duì)應(yīng)的搭載建模技術(shù)是晶圓植球機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。下面詳細(xì)分析 X － Y － θ 植球平臺(tái)搭載建模過(guò)程以及重復(fù)定位與絕對(duì)定位誤差計(jì)算。

精密支撐治具上等徑陣列出若干小孔，真空吸住晶圓，由θ 向 DD 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其技術(shù)參數(shù)如下。

負(fù)載和 θ 向 DD 電機(jī)由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作模式如圖 7 所示;誤差分析示意圖如圖 8 所示。

根據(jù)設(shè)定的工作模式計(jì)算出有效行程 L s1 和 L s2與峰值載荷 F b1 和 F b2 ，分別選用合適的 Y 向和 X 向直線電機(jī)。

X － Y － θ 植球平臺(tái)聯(lián)動(dòng)時(shí)，每一向都存在著重復(fù)定位誤差和絕對(duì)定位誤差，重復(fù)定位誤差可以由程序原點(diǎn)復(fù)歸解決，而絕對(duì)定位誤差很難消除，X向、Y 向和 θ 向絕對(duì)定位誤差的累積將導(dǎo)致植球機(jī)植球失敗。理論上 X 向進(jìn)給 x 0 mm，Y 向進(jìn)給 y 0 mm，θ 向旋轉(zhuǎn) θ 0 °，距離晶圓中心 Q'點(diǎn)的 r 0 處某一植球點(diǎn)坐標(biāo)為 P(x 0 ，y 0 ，z 0 )。而實(shí)際上，X 向和 Y 向進(jìn)給動(dòng)作完成后，晶圓中心 Q'點(diǎn)可能是 C'點(diǎn)，這是由于X 向和 Y 向絕對(duì)定位誤差的累積造成的。其實(shí)，晶圓中心是 C'點(diǎn)只是其中一種可能，X 向和 Y 向聯(lián)動(dòng)的絕對(duì)定位誤差是整個(gè)矩形 ABCD，那么晶圓中心可能是其對(duì)應(yīng)的矩形 A'B'C'D'內(nèi)任意一點(diǎn)(包括邊界)，圖中未作出。θ向旋轉(zhuǎn)動(dòng)作后，理想狀態(tài)下，植球點(diǎn) P 只偏移到了 P 1 點(diǎn)，事實(shí)上，由于θ 向也存在著絕對(duì)定位誤差，這將導(dǎo)致 P 1 點(diǎn)偏移到圓弧P 2 P)3 上任意一點(diǎn)。以極限位置 P 2 ，討論X － Y － θ 植球平臺(tái)聯(lián)動(dòng)累積絕對(duì)定位誤差δ。設(shè)P 2 (x 2 ，y 2 ，z 2 )，旋轉(zhuǎn)矩陣為 Ｒ，平移矩陣為 T，植球允許誤差[ ] δ ，錫球直徑 d，則

6 結(jié)論與展望

通過(guò)詳細(xì)闡述 3D 芯片封裝植球裝備技術(shù)的總體工藝流程和技術(shù)要求，特別是對(duì)晶圓植球機(jī)和BGA 基板植球機(jī)的原理和技術(shù)規(guī)格的重點(diǎn)介紹，希望對(duì)我國(guó)自主發(fā)展高端芯片封裝業(yè)具有指導(dǎo)意義。從工藝和裝備角度為國(guó)內(nèi)同行貢獻(xiàn)了詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶I(yè)知識(shí)。

(1)3D 芯片植球是高端 WLP/BGA 封裝必備的裝備，此項(xiàng)技術(shù)是解決我國(guó)高端芯片不能自給局面的必要手段。

(2)上海微松公司聯(lián)合上海理工大學(xué)已經(jīng)掌握了該項(xiàng)技術(shù)，培養(yǎng)了一批開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人才，隨著 8/12英寸晶圓級(jí)及 BGA 基板級(jí)的商品機(jī)的持續(xù)開(kāi)發(fā)，我國(guó)在此領(lǐng)域的自主創(chuàng)新將進(jìn)入深水區(qū)。

(3)我國(guó)封裝設(shè)備市場(chǎng)巨大，關(guān)鍵技術(shù)卻控制在外國(guó)企業(yè)的手中，突破封鎖，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)是我們的重任。

審核編輯：湯梓紅