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微電子封裝業(yè)和微電子封裝設備論文
雖然2001年國際微電子產(chǎn)業(yè)因遭遇4~5年一次的“硅周期”、網(wǎng)絡(luò )泡沫破產(chǎn)、“9.11”事件等的影響，產(chǎn)值出現了災難性的暴跌，比2000年下降31.9%,2002年的增長(cháng)率也只有1.5%，但預計2003年的增長(cháng)率將達到15%，將超過(guò)1992~2002年的年平均增長(cháng)率11.32%。如果國際上不出現重大的突發(fā)事件,2004年也將會(huì )有大于10%的增長(cháng)率。像微電子產(chǎn)業(yè)這種30年保持高速發(fā)展，長(cháng)盛不衰的情況在其他產(chǎn)業(yè)中是很少見(jiàn)的。
導體行業(yè)協(xié)會(huì )按Moore定律共同制定的“國際半導2半導體技術(shù)發(fā)展的趨勢仍將遵循莫體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)"(InternationalTechnologyRoadmapof爾定律而不斷前進(jìn)Semiconductors)在發(fā)展，甚至有時(shí)實(shí)際進(jìn)展速度還快于原定的時(shí)間表。主要與微電子封裝有關(guān)的1999國際半導體技術(shù)的發(fā)展仍將遵循國際上各國半~2014年15年的1C技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)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(yè)有關(guān)的主要發(fā)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(lèi)電路的芯片上最高I/O端數將從2304個(gè)增加到4416個(gè)，提高約90%;而高性能類(lèi)封裝的最大引出端數將從1600個(gè)增加到8758個(gè)，增加4.47倍;芯片上的壓焊盤(pán)節距將縮小到35~40日用品類(lèi)1C的封裝厚度將從1mm減小到0.5mm,降低50%;高性能類(lèi)1C的芯片-板級速度將從1200MHz提高到3600MHz,提高2倍;便攜式類(lèi)器件的電源電壓將從1.5~1.8V降為0.3~0.6V,減小到原來(lái)的1/3;高性能類(lèi)1C的最大功耗將從90W提高到183W,增大1倍;而封裝價(jià)格將進(jìn)一步降低，價(jià)格性能類(lèi)1C產(chǎn)品將從0.90~1.90美分/引線(xiàn)降為0.42~0.88美分/引線(xiàn)，存貯器類(lèi)1C產(chǎn)品的封裝價(jià)將從0.40~1.90美分/線(xiàn)降為0.19~0.39美分/線(xiàn)，即為原來(lái)的1/2~1/5。
3BGA、CSP、WLP等幾類(lèi)新穎封裝
為了適應半導體器件體積越來(lái)越小、封裝密度越來(lái)越高、引出端數越來(lái)越多、工作頻率越來(lái)越高的要求，上世紀90年代出現了BGA、CSP、WLP等幾類(lèi)新穎封裝，并得到了快速發(fā)展。BGA是英文BallGridArray的縮寫(xiě)，中文稱(chēng)為“焊球陣列”。這類(lèi)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(diǎn)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(xiàn)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(chǎn)品是PBGA，PBGA封裝中的多層PCB基板制造、植球、回流等類(lèi)似于SMT工藝，其余是與QFP等傳統封裝工藝類(lèi)似。CSP是英文ChipsizePackage的縮寫(xiě)，我國稱(chēng)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(shí)也可稱(chēng)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(gè)I/O以上，但這類(lèi)往往已是WLP封裝了。一般CSP的外形WLP是英文WaferLelelPackaging的縮寫(xiě)，稱(chēng)為“圓片級封裝%它實(shí)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(gè)管芯地去進(jìn)行粘片_引線(xiàn)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(jìn)行再布線(xiàn)-形成焊盤(pán)-塑料包封-植焊球_分離成單個(gè)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(lèi)同的，只是加工的線(xiàn)寬和間距不同而已，如涂光刻膠、光刻、電子束蒸發(fā)或濺射、細線(xiàn)條刻蝕等。而有的設備則與傳統封裝用的設備類(lèi)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(guò)去經(jīng)營(yíng)模式陳舊、技術(shù)落后、產(chǎn)量低、發(fā)展很慢。近幾年來(lái)在發(fā)展驅動(dòng)力、經(jīng)營(yíng)主體、經(jīng)營(yíng)模式、產(chǎn)品對象等方面已基本完成了適應時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的轉變。發(fā)展驅動(dòng)力和產(chǎn)品已由主要受軍工和宇航需要的驅動(dòng)、經(jīng)費以政府和軍方的資助為主，轉變?yōu)橹饕苌唐肥袌?chǎng)的需求推動(dòng)和各公司籌資為主。在經(jīng)營(yíng)模式上由過(guò)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(chǎn)企業(yè)，轉變?yōu)槟壳岸鄶狄逊蛛x為設計、圓片制造、封裝測試三業(yè)分立，經(jīng)營(yíng)主體已由過(guò)去單一的國營(yíng)企業(yè)轉變?yōu)閲鵂I(yíng)、私營(yíng)、海外獨資、海內外合資多種形式，而且目前微電子封裝業(yè)中海外獨資和合資企業(yè)的封裝能力已占全國封裝總量的80%以上。國際上半導體產(chǎn)值排名前20位的半導體企業(yè)已有15家在中國投資設立半導體封裝廠(chǎng)，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(yè)。
由于中國是世界上消費類(lèi)、通信類(lèi)微電子產(chǎn)品的最大消費國之一，中國有很大的微電子產(chǎn)品市場(chǎng)缺口：需求量很大，生產(chǎn)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(shí)行一系列的優(yōu)惠外資和微電子產(chǎn)業(yè)的政策，有一批優(yōu)秀的技術(shù)人才和勞動(dòng)力,工資成本相對較低，綜合國力的提髙，經(jīng)濟建設進(jìn)一步擴大，人民生活的進(jìn)一步提高，國內外市場(chǎng)將進(jìn)一步擴大。這些都是吸引國內外企業(yè)在我國ic產(chǎn)業(yè)投資的基本因素。以致形成這幾年中國半導體產(chǎn)業(yè)在世界上“一枝獨秀”的情景，如2001年全世界的1C產(chǎn)業(yè)下降31.9%,中國只是下降3%,低一個(gè)數量級，而像江蘇省則是增加了15%。因此，在未來(lái)的幾年內，中國半導體封裝業(yè)的增長(cháng)速率一定會(huì )超過(guò)世界平均增長(cháng)率(10%~11%)。雖然因基數增大，不會(huì )長(cháng)期保持在年增50%的增長(cháng)率。但若要在幾年內使中國的半導體產(chǎn)品封裝量達到世界總產(chǎn)量的10%以上，則其年增長(cháng)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(yè)將以年平均30%左右的增長(cháng)率發(fā)展，這給封裝設備業(yè)提供了一個(gè)良好的市場(chǎng)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(dòng)力占20%,人工費占15%，銷(xiāo)售等管理占4%。投資新建一個(gè)年產(chǎn)幾億塊1C的封裝廠(chǎng)，需要投資5000萬(wàn)?2億美元，其中約1/2將花在購置設備。因此，半導體封裝業(yè)在中國的發(fā)展，將為封裝設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個(gè)廣闊的潛在市場(chǎng)，每年估計在5億元人民幣以上。
作為半導體封裝產(chǎn)業(yè)支撐的有關(guān)設備產(chǎn)業(yè)，可分為兩大類(lèi):直接用于封裝的設備和簡(jiǎn)接用于封裝的設備。前者包括封裝工藝設備、老煉、篩選等產(chǎn)品檢驗考核設備及性能測試設備等。后者包括空調動(dòng)力設備、去離子水等一般廠(chǎng)房基礎設備及為生產(chǎn)封裝所用各類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)電鍍線(xiàn)、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(lèi)光學(xué)顯微鏡、輪廓放大儀、X-光透射儀、超聲掃描顯微鏡等。產(chǎn)品鑒定或工藝認證設備則有各類(lèi)環(huán)境試驗設備：高低溫循環(huán)、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(lèi)機械試驗類(lèi)設備有引線(xiàn)鍵合強度、芯片鍵合剪切強度、引線(xiàn)拉力或芯片拉力，沖擊、振動(dòng)、引線(xiàn)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(chǎn)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(lài)進(jìn)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(guān)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(yè)。90%以上的封裝是用引線(xiàn)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(xiàn)鍵合。90%左右的封裝其外引出線(xiàn)數不會(huì )多于1〇〇,約70%的封裝引線(xiàn)數不大于32。80%以上的封裝是S0P(小外形封裝)、QFP(四邊引線(xiàn)扁平封裝)、PLCC(塑料J形引線(xiàn)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(chǎn)量是在負增長(cháng)，它已從上世紀90年代初占總產(chǎn)量的50%以上降到目前只占12%左右。其他封裝的產(chǎn)量都在增長(cháng)，增長(cháng)最快的是BGA和CSP這兩類(lèi)封裝，BGA的年平均增長(cháng)率大于30%,而CSP則大于60%,但由于基數小，他們的總產(chǎn)量仍較少。且這些封裝的技術(shù)要求高，專(zhuān)利限制多。
由于封裝是一種薄利多產(chǎn)行業(yè)，一般封裝每條引線(xiàn)的封裝產(chǎn)值不到1美分，沒(méi)有1年封幾億支1C的產(chǎn)量，已很難賺取較多的利潤。因此，封裝設備業(yè)的競爭和風(fēng)險也較大，推動(dòng)封裝設備速度越來(lái)越快，技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，價(jià)格/性能比越來(lái)越小，服務(wù)越來(lái)越好，生產(chǎn)越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化。如國外某封裝設備廠(chǎng)就專(zhuān)做引線(xiàn)鍵合機，其鍵合速度已達到14線(xiàn)/s，引線(xiàn)節距已降到60fxm。這樣某類(lèi)設備已形成某種設備市場(chǎng)的瓜分或分工狀態(tài)。新的設備制造企業(yè)要“擠入”這個(gè)市場(chǎng),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(dòng)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(méi)有市場(chǎng)。而軍品或宇航用的陶瓷或金屬封裝器件，由于其產(chǎn)量少，品種多，自動(dòng)化程度要求低，而要求適用性廣。目前國內在生產(chǎn)的硅圓片是以擬〇〇~柯50_為主。2~3年后，產(chǎn)量將以似00_為主。
半導體產(chǎn)業(yè)在世界上仍將以平均10%以上的速度發(fā)展，中國的微電子產(chǎn)業(yè)則將以年均增長(cháng)率約30%的速率發(fā)展，這為國內發(fā)展半導體封裝設備產(chǎn)業(yè)提供了良好的市場(chǎng)前景。但由于國內封裝設備業(yè)相對較為落后，目前只在環(huán)境試驗設備、動(dòng)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(yè)在封裝業(yè)所需要的設備市場(chǎng)，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(huán)境及機械試驗設備的可能性是較大的。
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