微電子封裝業和微電子封裝設備論文

微電子封裝業和微電子封裝設備論文

　　雖然2001年國際微電子產業因遭遇4~5年一次的“硅周期”、網絡泡沫破產、“9.11”事件等的影響，產值出現了災難性的暴跌，比2000年下降31.9%,2002年的增長率也只有1.5%，但預計2003年的增長率將達到15%，將超過1992~2002年的年平均增長率11.32%。如果國際上不出現重大的突發事件,2004年也將會有大于10%的增長率。像微電子產業這種30年保持高速發展，長盛不衰的情況在其他產業中是很少見的。

　　導體行業協會按Moore定律共同制定的“國際半導2半導體技術發展的趨勢仍將遵循莫體技術發展路線"(InternationalTechnologyRoadmapof爾定律而不斷前進Semiconductors)在發展，甚至有時實際進展速度還快于原定的時間表。主要與微電子封裝有關的1999國際半導體技術的發展仍將遵循國際上各國半~2014年15年的1C技術發展路線列。

　　晶體管數)是每2年增加1倍。預計這15年內與微電子封裝業有關的主要發展趨勢是：最大芯片尺寸將增大1倍(從450_2增大到937_2);高性能類電路的芯片上最高I/O端數將從2304個增加到4416個，提高約90%;而高性能類封裝的最大引出端數將從1600個增加到8758個，增加4.47倍;芯片上的壓焊盤節距將縮小到35~40日用品類1C的封裝厚度將從1mm減小到0.5mm,降低50%;高性能類1C的芯片-板級速度將從1200MHz提高到3600MHz,提高2倍;便攜式類器件的電源電壓將從1.5~1.8V降為0.3~0.6V,減小到原來的1/3;高性能類1C的最大功耗將從90W提高到183W,增大1倍;而封裝價格將進一步降低，價格性能類1C產品將從0.90~1.90美分/引線降為0.42~0.88美分/引線，存貯器類1C產品的封裝價將從0.40~1.90美分/線降為0.19~0.39美分/線，即為原來的1/2~1/5。

　　3BGA、CSP、WLP等幾類新穎封裝

　　為了適應半導體器件體積越來越小、封裝密度越來越高、引出端數越來越多、工作頻率越來越高的要求，上世紀90年代出現了BGA、CSP、WLP等幾類新穎封裝，并得到了快速發展。BGA是英文BallGridArray的縮寫，中文稱為“焊球陣列”。這類封裝的基本特征是引出端采用布置在封裝基板底平面上的焊球陣列。根據基板和包封材料不同，可以分為塑料焊球陣列(PBGA)、陶瓷焊球陣列(CBGA)、金屬焊球陣列(MBGA)和載帶焊球陣列(TBGA)等。典型的PBGA結構如圖1所示。BGA封裝的特點是引出端布置在封裝體的下表面上因此可容納較多的引出端數，內引出線短、電性能

　　和熱性能好，芯片腔可較大，可容納較大面積的芯片，非常適合于封MPU及一些ASIC電路。BGA的主流產品是PBGA，PBGA封裝中的多層PCB基板制造、植球、回流等類似于SMT工藝，其余是與QFP等傳統封裝工藝類似。CSP是英文ChipsizePackage的縮寫，我國稱為“芯片尺寸封裝”。CSP的基本特征是封裝在印制板上所占面積比芯片面積不大于1.2~1.5倍。這是一種封裝密度很高的封裝，它們的引出端也只能布置在封裝底面上，可以是4周排列，也可以是面陣列排列(這時也可稱為微焊球陣列，如yBGA,mBGA等)。因為它的封裝底平面比芯片面積大不了多少，因此即使節距很小，總的封裝引出端數也不可能很多，故主要適用于少或中等數量的引出端封裝，少數幾種也可達到400個I/O以上，但這類往往已是WLP封裝了。一般CSP的外形WLP是英文WaferLelelPackaging的縮寫，稱為“圓片級封裝%它實際上是一種在圓片上完成主要封裝工藝的CSP，即它們在封裝密度上(封裝面積/芯片面積)屬于CSP。但主要的封裝工藝不是像傳統封裝工藝那樣:將前道工序加工后的桂圓片先分離成管芯，再逐個管芯地去進行粘片_引線鍵合一塑封等后道封裝加工,而是在前道加工完后的硅圓片上進行再布線-形成焊盤-塑料包封-植焊球_分離成單個1C器件。WLP的主要封裝工藝都是在圓片級而不是管芯完成的，故它的“封裝設備”有許多與前道工序是類同的，只是加工的線寬和間距不同而已，如涂光刻膠、光刻、電子束蒸發或濺射、細線條刻蝕等。而有的設備則與傳統封裝用的設備類似，如切割分離、打印、包裝等。有的設備是它特有的,如圓片電鍍設備等。

　　4我國將成為世界主要封裝基地

　　我國的微電子封裝雖起步很早，但過去經營模式陳舊、技術落后、產量低、發展很慢。近幾年來在發展驅動力、經營主體、經營模式、產品對象等方面已基本完成了適應時代產業發展的轉變。發展驅動力和產品已由主要受軍工和宇航需要的驅動、經費以政府和軍方的資助為主，轉變為主要受商品市場的需求推動和各公司籌資為主。在經營模式上由過去綜合式的、小而全或大而全、從設計圓片加工、封裝測試樣樣俱全的半導體生產企業，轉變為目前多數已分離為設計、圓片制造、封裝測試三業分立，經營主體已由過去單一的國營企業轉變為國營、私營、海外獨資、海內外合資多種形式，而且目前微電子封裝業中海外獨資和合資企業的封裝能力已占全國封裝總量的80%以上。國際上半導體產值排名前20位的半導體企業已有15家在中國投資設立半導體封裝廠，如莫托洛拉、11^1、181/[、^、姻(]、松下、三菱、日立、富士通等,還有許多中國臺資企業。

　　由于中國是世界上消費類、通信類微電子產品的最大消費國之一，中國有很大的微電子產品市場缺口：需求量很大，生產能力或國內供給能力相差很大(數量上的缺口為60%~7〇%),國內政局穩定，實行一系列的優惠外資和微電子產業的政策，有一批優秀的技術人才和勞動力,工資成本相對較低，綜合國力的提髙，經濟建設進一步擴大，人民生活的進一步提高，國內外市場將進一步擴大。這些都是吸引國內外企業在我國ic產業投資的基本因素。以致形成這幾年中國半導體產業在世界上“一枝獨秀”的情景，如2001年全世界的1C產業下降31.9%,中國只是下降3%,低一個數量級，而像江蘇省則是增加了15%。因此，在未來的幾年內，中國半導體封裝業的增長速率一定會超過世界平均增長率(10%~11%)。雖然因基數增大，不會長期保持在年增50%的增長率。但若要在幾年內使中國的半導體產品封裝量達到世界總產量的10%以上，則其年增長率將保持在30%左右。

　　5半導體器的封裝設備

　　中國半導體器件封裝業將以年平均30%左右的增長率發展，這給封裝設備業提供了一個良好的市場前景。半導體封裝成本的分配約為：原材料占35%~40%，設備占2〇%?30%,動力占20%,人工費占15%，銷售等管理占4%。投資新建一個年產幾億塊1C的封裝廠，需要投資5000萬?2億美元，其中約1/2將花在購置設備。因此，半導體封裝業在中國的發展，將為封裝設備產業的發展提供一個廣闊的潛在市場，每年估計在5億元人民幣以上。

　　作為半導體封裝產業支撐的有關設備產業，可分為兩大類:直接用于封裝的設備和簡接用于封裝的設備。前者包括封裝工藝設備、老煉、篩選等產品檢驗考核設備及性能測試設備等。后者包括空調動力設備、去離子水等一般廠房基礎設備及為生產封裝所用各類材料所需的二級設備。

　　下面主要討論直接用于封裝的設備。其中封裝工藝設備包括:圓片減薄機、砂輪或激光劃片機、姑片機、引線鍵合機、傳遞模塑機和模具、切筋打彎機和模具去飛邊機、引線電鍍線、清洗機、打印機、測試分撿機;充氮氣貯藏柜、髙溫烘箱、打包機等。對于金屬和陶瓷封裝則還需要JC能焊機或平行縫焊機或激光焊機，工藝檢驗則還需要檢漏儀。塑封工藝最常用的工藝檢測設備為各類光學顯微鏡、輪廓放大儀、X-光透射儀、超聲掃描顯微鏡等。產品鑒定或工藝認證設備則有各類環境試驗設備：高低溫循環、高/低溫貯存、高溫/高濕/加偏置貯存、高壓蒸煮(PCT)、鹽霧試驗等設備。各類機械試驗類設備有引線鍵合強度、芯片鍵合剪切強度、引線拉力或芯片拉力，沖擊、振動、引線抗彎強度等檢驗設備。目前除了少部分低擋工藝設備和少部分產品鑒定認證設備外，絕大多數上列工藝和工藝檢測設備都依賴進口。

　　下列國際上近幾年內半導體封裝方面的一些基本情況，提供給有關設備研制單位參考：90%~92%以上的封裝是塑料封裝，金屬和陶瓷封裝只占1%左右，主要用于高檔軍品和宇航業。90%以上的封裝是用引線鍵合互連(倒裝焊尚占很小的比例)。其中95%以上使用金絲引線鍵合。90%左右的封裝其外引出線數不會多于1〇〇,約70%的封裝引線數不大于32。80%以上的封裝是S0P(小外形封裝)、QFP(四邊引線扁平封裝)、PLCC(塑料J形引線封裝)、BGA(焊球陣列)、CSP(芯片尺寸封裝)等表面安裝封裝(SMP)。只有不到15%的封裝仍是通孔插裝封裝(THP)，如DIP(雙列直插封裝)、PGA(針柵陣列)等。

　　DIP的產量是在負增長，它已從上世紀90年代初占總產量的50%以上降到目前只占12%左右。其他封裝的產量都在增長，增長最快的是BGA和CSP這兩類封裝，BGA的年平均增長率大于30%,而CSP則大于60%,但由于基數小，他們的總產量仍較少。且這些封裝的技術要求高，專利限制多。

　　由于封裝是一種薄利多產行業，一般封裝每條引線的封裝產值不到1美分，沒有1年封幾億支1C的產量，已很難賺取較多的利潤。因此，封裝設備業的競爭和風險也較大，推動封裝設備速度越來越快，技術越來越先進，價格/性能比越來越小，服務越來越好，生產越來越專業化。如國外某封裝設備廠就專做引線鍵合機，其鍵合速度已達到14線/s，引線節距已降到60fxm。這樣某類設備已形成某種設備市場的瓜分或分工狀態。新的設備制造企業要“擠入”這個市場,必須要有自己的特色才行。

　　封裝工藝設備多數都是光機電相結合的髙度自動化設備，封裝成品率通常已可達99.9%以上。因此，封裝設備可靠性或穩定性將決定這臺設備的命運。任何不穩定或不可靠的設備將制造出大量的不合格品，肯定沒有市場。而軍品或宇航用的陶瓷或金屬封裝器件，由于其產量少，品種多，自動化程度要求低，而要求適用性廣。目前國內在生產的硅圓片是以擬〇〇~柯50_為主。2~3年后，產量將以似00_為主。

　　半導體產業在世界上仍將以平均10%以上的速度發展，中國的微電子產業則將以年均增長率約30%的速率發展，這為國內發展半導體封裝設備產業提供了良好的市場前景。但由于國內封裝設備業相對較為落后，目前只在環境試驗設備、動力設備等方面占有一定比率，要擠入80%是合資和外資獨資企業在封裝業所需要的設備市場，其困難是較大的。但擠入軍品封裝工藝設備、功率分立器件封裝設備及工藝監控、環境及機械試驗設備的可能性是較大的。

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