半导体芯片键合装备综述*

□ 郑嘉瑞 □ 肖君军 □ 胡 金

1.哈尔滨工业大学(深圳) 电子与信息工程学院 广东深圳 518055 2.深圳市联得自动化装备股份有限公司 广东深圳 518109

1 半导体生产制造概述

半导体问世至今,半导体产业一直遵循“一代装备、一代工艺、一代产品”的模式高速发展。半导体晶圆制造、芯片封装测试装备一直以来都是半导体产业持续不断技术升级和突破的先导与核心。晶圆制造、芯片封装测试技术及其性能水平与相关装备能力紧密联系,只有先进的装备,才能成就先进的晶圆制造和芯片封装测试。因此,要大力发展半导体产业,生产制造装备必须先行。

半导体生产制造以晶圆切割为界,分为前道工序和后道工序。前道工序为晶圆制造,后道工序为芯片封装测试。半导体装备也相应分为前道工序装备和后道工序装备。后道工序工艺主要有晶圆减薄、晶圆切割、芯片键合、引线键合、塑封、固化、电镀、切筋成型、测试分选、包装出货,后道工序装备统称为芯片封装测试装备,其中,芯片键合装备是后道工序装备中最为关键的核心装备之一[1-3]。

2 主要芯片键合技术

在先进封装技术中,有一种芯片键合技术称为倒装芯片键合技术,顾名思义,就是将芯片正面向下与封装基板直接连接。倒装芯片键合技术于1961年由国际商业机器公司发明,属于无引线键合方式,芯片键合工艺完成后,不需要再进行引线键合工艺[4]。

在传统封装技术中,芯片键合技术应用于半导体芯片键合装备。在实际生产车间中,芯片键合装备通常位于晶圆切割之后,引线键合之前,质量和效率会直接影响引线键合的质量和效率。因此,芯片键合是半导体生产制造后道工序中的关键工艺[5]。引线键合将芯片引脚与封装基板用半导体金属引线连接起来,是目前应用广泛的主流技术之一。引线键合与倒装芯片键合比较如图1所示。

芯片键合技术的目的是将已经切割完成的晶圆上的芯片安装固定在封装基板上。为了实现芯片键合,主要有四种传统封装技术,分别为共晶键合、黏合剂键合、软焊料键合、金属粒子烧结键合。实现良好的芯片键合,需要芯片键合过程中工艺要素相互配合,包括温度、时间、压力等[6-7]。

共晶键合一般在芯片底部或者封装基板上预先敷上共晶键合材料。共晶键合装备拾取芯片,通过机器视觉系统引导,精确地将芯片置于封装基板相应的键合位置。在加热和压力的共同作用下,在芯片和封装基板之间形成共晶键合界面。共晶键合材料一般由两种材料在一定温度下混合而成,常用的包括金和锡、金和硅等。共晶键合实现的关键在于共晶键合材料能够在远低于两种材料熔点的温度下熔化而形成键合。共晶键合常应用于金属引线框架、陶瓷基板等封装。为防止在共晶键合过程中氧化,通常采用氮气等气体对封装基板进行保护。相比于黏合剂键合,共晶键合能够有效提升芯片与封装基板的接合强度,并在导热性和电性能方面占优。半导体分立器件小外形晶体管一般可以采用共晶键合。

黏合剂键合在放置芯片前在封装基板上涂一定剂量黏合剂,然后拾取芯片,通过机器视觉系统引导,精确地将芯片置于封装基板涂有黏合剂的键合位置,通过焊头对芯片施加一定的压力,在芯片和封装基板之间形成黏合层,达到安装固定芯片的目的。常用的黏合剂有环氧树脂、导电银浆等。黏合剂键合相对简单,有多种材料可以使用,目前是应用最为广泛的传统封装技术之一。

软焊料键合在放置芯片前在封装基板的键合位置进行点锡和压锡,同时对封装基板在轨道中进行分区加热。软焊料键合的优势是导热性好,但是容易氧化,工艺较为复杂,适用于功率器件的封装,如晶体管的封装等。

当前第三代功率半导体芯片键合最有前途的封装技术是金属粒子烧结键合,具有优异的导电、导热、高温服役特性[8]。采用这一技术,在导电胶中混有用于连接的环氧树脂类聚合物。

在半导体生产制造中,芯片键合装备也称装片机、上芯机、粘片机、固晶机等。

3 芯片键合装备主要组成机构和工作原理

芯片键合装备的主要组成机构包括晶圆工作台、芯片键合头、框架传输系统、机器视觉系统,以及点胶系统等[9-15]。

3.1 晶圆工作台

晶圆工作台是用于承载和驱动晶圆实现直线和旋转运动的模组,如图2所示。通过平面X、Y方向和旋转方向的精确运动调整,使晶圆在机器视觉系统引导下运动到芯片拾取位置,这样芯片键合头可以拾取晶圆上的每一个芯片。通过平面Z方向运动,使经过切割的晶圆上的芯片间距扩大,便于在顶针顶升和拾取芯片时不影响四周的芯片。顶升动作由顶针机构完成,在拾取芯片时,顶针机构从芯片正下方隔着蓝膜或者紫外线照射膜将芯片向上顶起,使芯片底部脱离蓝膜或者紫外线照射膜。

▲图2 晶圆工作台

根据晶圆尺寸大小,晶圆工作台尺寸主要有6 in(1 in=25.4 mm)、8 in、12 in。通常晶圆工作台可以向下兼容一档尺寸,12 in尺寸晶圆工作台经由转换部件可以实现装载8 in尺寸晶圆,8 in尺寸晶圆工作台可以向下兼容装载6 in尺寸晶圆。目前,高端芯片键合装备均以适配12 in尺寸晶圆为主。晶圆工作台在平面X、Y方向必须同时能满足微小移动和晶圆大行程要求。

3.2 芯片键合头

芯片键合头是芯片键合装备的关键模组,是实现芯片从晶圆上被精准拾取和放置到封装基板动作的执行机构,并且是实现芯片键合的核心。

根据不同的运动方式划分,芯片键合头主要有摆臂式和直线式两种,分别如图3、图4所示。摆臂式芯片键合头在机器视觉系统的引导下依靠摆臂旋转90°或180°,将芯片拾取置于封装基板上,通常需要两个电机配合实现旋转和竖直方向的运动。由于摆臂式芯片键合头不能实现平面X、Y方向的运动调整,因此精度受到影响,最高的精度只能达到±15 μm。摆臂式芯片键合头在发光芯片等的封装领域应用较多。直线式芯片键合头是目前高速高精度芯片键合装备主要采用的芯片键合头,可以在平面三个方向和旋转方向运动,这些方向的运动能够相互高速配合,在机器视觉系统的引导下实现芯片的精确取放,最高精度达到亚微米级。采用直线式芯片键合头,还可以对焊头在竖直方向上的键合力进行控制。对于尺寸较大且较薄的芯片,键合力一定要进行控制才能够完成键合。为了实现高速高精度的需求,驱动直线式芯片键合头平面三个方向运动的电机也大多采用直线电机。

▲图3 摆臂式芯片键合头

▲图4 直线式芯片键合头

3.3 框架传输系统

框架传输系统用于封装基板进给、夹持及上下料。框架传输系统中的进给和夹持机构也称为轨道机构,是实现封装基板在芯片键合装备轨道上精确运动的关键机构。对于高精度芯片键合装备而言,轨道需要同时具备在平面X、Y方向自动调整的功能,以实现封装基板位置的精确调整。对于共晶键合而言,轨道还需要具有对封装基板进行分区分温加热的功能。

3.4 机器视觉系统

机器视觉系统是保证芯片键合装备精度的关键。机器视觉系统硬件由光源、相机、镜头组成,软件具有图像采集、图像处理等功能。晶圆工作台上的芯片需要依靠机器视觉系统实现引导定位,使芯片键合头可以精确地拾取芯片。机器视觉系统是芯片键合装备的基本组成机构之一,如果没有机器视觉系统,那么将无法实现晶圆上芯片的精准拾取。轨道上封装基板的点胶和键合位置也需要依靠机器视觉系统实现引导定位,使点胶头能够精准地在键合位置上点胶,键合头能够将芯片精准地置于键合位置。除了基本视觉引导定位功能,机器视觉系统还具备芯片表面缺陷检测及芯片键合后位置精度检测功能[16]。

3.5 点胶系统

点胶系统应用于除共晶键合外的大多数芯片键合装备,功能是在封装基板上涂覆一定剂量的黏合剂,用于将芯片安装固定在封装基板上。点胶系统根据不同的芯片工艺要求分为蘸胶式、喷涂式、画胶式,其中蘸胶式通常应用于尺寸较小的芯片,如发光芯片等。为了达到高精度要求,点胶系统配备视觉系统,用于点胶前的视觉引导定位。为了实现高速要求,提升效率,一些芯片键合装备还会配备双点胶系统。

4 芯片键合装备关键技术

当前,半导体芯片封装技术正朝着高性能、高密度、高精度方向发展,芯片键合装备同时在向高速、高精度发展,关键技术体现在高速高精度运动控制技术、机器视觉技术、设备工艺技术,以及关键零部件技术等方面[17-20]。

4.1 高速高精度运动控制技术

芯片键合装备的核心在于高度、高精度拾取和放置芯片,芯片键合头运动的精度和速度是保证芯片键合装备精度、效率的关键。对芯片键合装备进行运动控制,在复杂多轴耦合的条件下,将预定的控制方案、运动轨迹、规划时序转变为实际高速复杂机械运动,实现芯片键合装备的精确位置控制、速度控制、加速度控制、时间控制、振动抑制、转矩或力控制,以及以上控制的综合控制。芯片键合装备对于动作逻辑和动作时间的要求极高,单个运动的动作时间以毫秒为单位计算。目前速度最快的芯片键合装备可以在90 ms内完成一个芯片的键合,精度最高的芯片键合装备可以达到亚微米的精度。芯片键合头的运动控制是芯片键合装备开发的核心技术和难点。

4.2 机器视觉技术

机器视觉系统提供芯片键合中的引导定位、检测等功能,机器视觉系统的精度是芯片键合装备精度的保证,视觉图像的采集和处理对芯片键合装备的效率有很大影响。

芯片键合装备要实现高速、高精度、高效率、高稳定性,离不开机器视觉系统,对于机器视觉系统而言,需要配置高效稳定的图像采集、识别、处理软件。

4.3 设备工艺技术

半导体行业技术壁垒门槛高,进步发展快,一代产品需要一代工艺,一代工艺需要一代装备。半导体封装测试装备与工艺息息相关、紧密联系。对于芯片键合装备而言,不同的芯片产品封装,会有不同的芯片键合技术,产生相对应的芯片键合装备,工艺技术也不相同。

半导体产业主要的封装发展趋势是引脚数越来越多,引脚间距越来越小。半导体产业封装发展历程见表1[21-24]。

表1 半导体产业封装发展历程

芯片或晶圆的尺寸大小、芯片的厚度、键合材料、温度、压力、时间都与芯片键合装备的最终性能有关联,这些关联因素综合起来,会影响芯片键合装备工艺的实现,提高工艺难度。

4.4 关键零部件技术

半导体产业不仅需要长时间的技术沉淀和经验积累,而且需要完善的供应链体系,这样才能够稳步向前发展。例如荷兰ASML公司研制的半导体高端极紫外光光刻设备,重要零部件数量多达十多万,这十多万个重要零部件的供应商来自全球四十多个国家,供应链涉及5 000多家制造商[25]。ASML公司专注于自身技术优势,集成世界范围内最专业的制造商来研制光刻机,同时依靠强大的研发实力垄断市场。由此可见,制造出一台半导体设备,关键零部件技术极其重要。

芯片键合装备中,功能模组是关键。功能模组由精密设计的零部件及关键标准零件组成。目前,高端高速芯片键合装备中的直线电机、高精度光栅尺、运动控制卡等关键零部件还需要依赖进口,国产产品尚不能满足性能要求。

5 芯片键合装备发展现状

近年来,我国在半导体产业第三次转移中扮演着越来越重要的角色,我国半导体市场规模已经位居全球第一。我国半导体设备需求量大,但自给率仍较低。根据中国电子专用设备工业协会2019年统计数据,国产半导体设备自给率为14.2%,其中国产集成电路专用设备自给率仅为4.6%。

全球半导体产业高度集中,龙头企业先发优势明显。根据国际半导体产业协会数据测算,2020年晶圆厂设备、封装测试设备市场规模的占比分别为86%和14%。芯片键合装备属于后道工序中的核心封装测试装备之一,是机械、电气控制、软件、算法、光学、材料等多学科交叉的高端半导体装备,研发难度非常大,国内在这一领域的关键技术研究基础暂时较为薄弱,在国内市场中占有率较高的仍然是进口装备。

5.1 国外主要芯片键合装备公司

荷兰ASM国际公司是一家全球领先的半导体后道工序装备制造商,所生产的多项设备市占率居全球首位。ASM国际公司产品包括激光晶圆切割、光学检查、芯片分拣、固晶、引线焊接、注塑、去溢料、切筋、成型、测试等,并针对先进封装、发光芯片封装等提供专业解决方案,其芯片键合设备市场占有率位居全球第一。ASM国际公司研制的AD830系列固晶机是半导体装备市场中的典范,大多数封装测试企业的生产车间都有ASM国际公司生产的芯片键合装备。AD830系列固晶机如图5所示,精度为±38 μm,每小时产能可以达到18 000个单元。

▲图5 AD830系列固晶机

荷兰Besi公司的产品线覆盖芯片键合装备、电镀装备等。根据相关行业研究报告,Besi公司研发的芯片键合装备在全球的占比位列第二位。该公司研制的ESEC2008、ESEC2009软焊料装片机成为功率器件封测行业设备的标杆,在领域内的市场占有率和认可度极高。近年来,该公司研制的Datacon2200、Datacon8800软焊料装片机由于极高的设备灵活性和性能稳定性,同样在半导体封装测试市场中受到认可。ESEC2009软焊料装片机如图6所示,精度为±80 μm,每小时产能最高可以达到8 000个单元。

▲图6 ESEC2009软焊料装片机

除上述两家芯片键合装备公司外,还有一些公司在各自产品领域占有一席之地。美国MRSI系统公司的高精度贴片设备是高速光子器件供应商的首选机型,是高端光器件生产制造设备的行业标杆产品。德国finetech公司生产的超高精度亚微米级芯片键合装备如图7所示,精度达到0.5 μm。德国ficonTEC公司在激光芯片键合、光纤耦合封装领域知名度较高。日本佳能公司的BESTEM系列固晶机和日本FASFORD公司DB830系列固晶机在双边或方形扁平无铅封装、方形扁平无引脚封装、内存芯片等封装形式领域市场占有率较高。

▲图7 超高精度亚微米级芯片键合装备

5.2 国内主要芯片键合装备公司

受益于国内半导体封装测试行业的持续稳健发展,目前已有三家国内封装测试企业排名位居全球前十,合计占有全球半导体封装测试市场的20%左右。当前,国产化芯片键合装备替代进口趋势加快[26-29]。北京中电科电子装备公司开发了Octopus系列倒装芯片键合机,标志着我国在倒装芯片键合装备领域取得了重大突破[30]。深圳新益昌公司在发光芯片固晶机领域深耕,不断突破技术瓶颈,目前已经在发光芯片及微型发光芯片封装测试领域的固晶装备中达到较高占比。大连佳峰自动化公司研制的JAF-38系列软焊料装片机适用于二极管、三极管的封装,技术已经较为成熟[31]。深圳联得装备公司先后在发光芯片、有机发光芯片驱动芯片封装测试领域研发覆晶薄膜倒装芯片键合装备,并针对分立器件的封装需求研发了LDB800、LSD1200等多款芯片键合装备。苏州艾科瑞思、深圳普莱信、无锡恩纳基、无锡翼龙、嘉兴景焱智能等公司在光通信、传感器封装测试领域推出了多款芯片键合装备[32-33]。

5.3 典型产品性能

国内外主要芯片键合装备公司部分典型产品的性能见表2。

6 结束语

随着科技日新月异的发展,新兴应用领域不断出现,全球对半导体芯片的需求量逐年稳步增长,用于半导体生产制造的装备需求也同步持续增长。目前,对于半导体产业链各环节,国产化进程依然需要加速。我国已经成为全球最大的半导体设备市场,自给率则亟待提升。我国半导体装备企业发展空间很大,在国产化趋势日益加速的背景下,我国半导体装备的自给率将不断提升,这也是半导体装备厂家发展的重要动力之一。

在芯片键合装备领域,随着倒装芯片级封装、系统级封装、芯片级封装、球状引脚栅格阵列封装等先进封装技术的广泛应用和快速发展,芯片键合装备的速度、精度、稳定性等要求将越来越高。目前,国内主要半导体封装测试厂商都在积极进行持续扩产,加大设备投入,为芯片键合装备带来增量需求。我国国产芯片键合装备将迎来历史发展机遇与挑战。