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  • 2024-1-5 17:36
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    半导体封装设计工艺 ▲图1:半导体封装设计流程的各个方面(ⓒ HANOL出版社) 图1显示了半导体封装设计工艺的各项工作内容。首先,封装设计需要芯片设计部门提供关键信息,包括芯片焊盘(Chip Pad)坐标、芯片布局和封装互连数据。然后,团队将根据封装材料设计由基板(Substrate)和引线框架(Leadframe)组成的半导体封装结构。这一过程涉及应用设计规则,需要充分考虑封装的批量生产、制造过程、工艺条件和所需设备等。 封装可行性审查应在封装开发初期进行,审查结果需要提交给芯片和产品设计人员做进一步反馈。完成可行性研究后,须向封装制造商下订单,并附上封装、工具、引线框架和基板的设计图纸。交付用于封装的晶圆时,除了引线或焊接凸点(Solder Bump)连接的设计图纸外,还需要准备好工具、引线框架材料和基板。引线或焊接凸点连接的设计图纸必须提前分享给封装工艺及制造工程师。 收到这些设计图纸后,封装设计工程师将开展可行性测试。具体来讲,使封装锡球(Solder Ball)的布局和芯片的焊盘序列关联在一起,以确定这种布线方式是否可行。通过前期的可行性研究,工程师将提出有关封装锡球排列、封装尺寸和规格的建议,以改进半导体芯片和器件的特性与工艺。 优化封装特性 ▲图2:封装设计优化流程(ⓒ HANOL出版社) 封装设计优化流程如图2所示。在封装可行性审查的初始阶段,提出最佳焊盘位置,再确保接线的可行性。为了优化这些工艺特性,需要对结构特性、热特性和电气特性进行分析。 如今,为了满足半导体行业针对传输速度、集成度和性能日益增长的需求,这些特性有必要进行全面提升。就电气特性而言,封装时增加锡球,可以增加链接印刷电路板(PCB)上引脚(Pin)的数量,从而添加更多布线。这样一来,基板、引线框架和印刷电路板的设计将变得更加精细和复杂。这就会导致这些设备的制造会受制于封装公司和基板等组件制造商的工艺能力。因此,在半导体封装设计中,为了避免质量问题,需要制定与材料、工艺和设备相关的设计规则,定期对这些规则进行审查,并分享给芯片设计人员及基板和封装制造商。 基于共享的设计规则,封装工艺工程师和基板制造工艺工程师可合力缩小封装锡球的尺寸和间距,以及信号布线的宽度和间隔。同样,设计规则中还会明确规范从工艺性能到电气规格在内的一系列细节。此外,设计规则中还会详细说明管理封装和基板容差1的方法,以及核查封装工艺性能的方法。 更具体地说,设计规则还可以用来满足严格的电气规格容差管理。为了满足电气规格,团队需要根据预先验证的设计数据绘制图纸,来规划并依次制定三个方面的容差:每条高速信号线;管理每条信号线阻抗2一致性的电介质3厚度;以及能够实现最佳低功耗设计的过孔尺寸4。另一方面,为了提高封装效率和批量生产能力,团队在设计诸如基板等器件时会考虑使用标记模式,以注明符合标准的器件,并将其作为设计规则进行管理。 1 容差(Tolerance) :性能差异导致的空间或数字上的误差范围。 2 阻抗(Impedance) :衡量电路阻碍电流通过能力程度的指标。 3 电介质(Dielectric) :通过施加电场可以被极化的一种电绝缘体。 4 过孔尺寸(Via Size) :印刷电路板中不同层之间用于电气连接的孔的尺寸。 分析封装结构 针对半导体封装结构,可通过计算机模拟的方式去分析。通常情况下,计算机模拟分析过程会将推导出的一般方程应用于特定条件中,以便深入了解特定情况。标准的计算机模拟分析过程包括四个步骤。 首先,将支配某种自然现象的要素以及这些要素之间的关系归纳为数学表达式,如控制方程5,然后对分析对象进行建模,以便进行计算机模拟。接下来,将控制方程应用到模型中,进行数学计算,最后将计算结果应用于现象进行分析。计算机模拟分析方法主要分为:有限差分法(Finite Difference Method)、有限元法(Finite Element Method, FEM)和有限体积法(Finite Volume Method)。其中,有限元法被广泛应用于分析半导体结构。从工程角度而言,有限元法指将无限数量的点和自由度6转化为有限数量的点和自由度的能力,这些点随后被纳入线性方程组进行计算。 5 控制方程(Governing Equation) :构成计算机代码基础的数学公式。在计算建模场景中,控制方程决定由代码提前预设的隐藏的流体行为。 6 自由度(Degrees of Freedom) :对某一统计量进行最终计算时,可以自由变化的数值的个数。 有限元法由有限数量的被称为元素的构建模块组成。每个元素都包含有限数量的点和一个控制方程,而数值则通过求解方程获得。为了深化对结构分析的了解,我们有必要知道结构分析所需材料的三个关键属性:热膨胀系数(CTE)、泊松比(Poisson’s Ratio)和应力(Stress)。 热膨胀系数是用来描述材料因温度波动而发生长度变化的一项指标。一般来说,温度升高时材料膨胀,温度下降时材料收缩。因此,热膨胀系数被定义为单位温度上升时材料长度的增幅量。泊松比指材料在垂直于特定载荷方向上的膨胀或收缩,考虑物体所受的推拉作用可有助于我们更好地了解泊松比的概念。如果我们从两端纵向拉动一个物体并对其施加拉力,那么物体会沿着长度方向伸展,沿着宽度方向收缩。但是,如果我们从两端纵向推挤一个物体并对其施加压缩力,那么物体会沿着这个力的方向收缩,沿着宽度方向伸展。最后,应力指物体在受到外部作用时在内部形成的内力,用以抵抗这股外力,同时保持物体的形状不变。应力压力是以单位进行测量的。 这些材料特性应用于半导体封装结构分析的三个主要领域:封装翘曲、焊点可靠性和封装强度。 翘曲分析 在进行封装时,当温度上升然后回落到室温时,不同材料之间由于热膨胀系数不同,可能导致封装翘曲并造成封装缺陷。因此,我们应基于产品结构、材料的弹性模量7、热膨胀系数、工艺温度和时间,对封装进行结构性分析,以便更好地预防翘曲及封装缺陷。 7 弹性模量(Elastic Modulus) :在固体力学中表示材料刚度的数值,是应力与应变的比值。 焊点可靠性 焊锡主要用于半导体封装和PCB基板之间的机械和电气连接。由于焊点可靠性非常重要,所以我们需要在封装前对焊点进行结构性分析,以改进封装结构和材料。 焊锡的失效主要源于两个方面的共同作用——平面收缩造成的剪切断裂以及轴向拉伸造成的拉伸断裂。因此,在焊点结构分析中,需要对各种工艺或使用条件下施加到焊点的应力值进行分析。 强度分析 因为封装的作用是保护芯片免受外部影响,所以芯片在受外部影响时表现出的稳健性要依靠封装强度。为了确定封装的稳健性,我们可以使用万能试验机(UTM)8进行三点弯曲或四点弯曲试验,由此计算断裂强度。结构性分析可以模拟用万能试验机进行的实验,从而推导出封装各个区域的应力水平,并以特定材料的断裂强度为参考来预测整个产品的断裂强度。 8 万能试验机(UTM) :一种测量材料强度的仪器,通过用一定重量拉伸或压缩材料来测量其抗拉、抗弯和抗压强度。 散热性能分析 电子设备在运行时会消耗电能并产生热量。这种热量会提高包括半导体产品在内元件的温度,从而损害电子设备的功能性、可靠性和安全性。因此,电子设备必须配备适当的冷却系统,以确保元件在任何环境下均能保持在一定温度水平下。 鉴于散热性能在半导体封装中的重要作用,热分析也成为了一项必不可少的测试内容。因此,必须提前准确了解半导体封装在系统应用时产生的热量、封装材料与结构的散热效果、以及温度效应,并将其反应在封装设计中。 ▲图3:封装的关键温度点(ⓒ HANOL出版社) 对半导体封装实施并使用热分析,我们需要定义封装的关键温度点,包括:环境温度(Ta)、结温(Tj)、壳温(Tc)和板温(Tb)。封装规格的温度通常为最高结温(Tj max.)或者最高壳温,这两点指的是确保半导体器件正常工作的最高温度。图3显示了封装原理示意图中的各个温度点。 ▲图4:封装中的热特性类型(ⓒ HANOL出版社) 使用封装的主要温度点可以计算出热阻,热阻是最重要的热保护特性。封装热阻是一个指数,单位为℃/W,表示当芯片产生1瓦热量时,半导体产品相对于环境温度所上升的温度。该比值根据每种产品和环境条件而变化。常见的热阻类型包括结到环境热阻(Ja)、结到板热阻(Jb)和结到壳热阻(Jc),它们是封装的抗热性指标。 电气模拟 ▲图5:封装RLGC模型示例(ⓒ HANOL出版社) 随着半导体芯片传输速度的提升和密度的增大,封装也对半导体产品的特性产生重大影响。特别是在封装高性能半导体芯片时,必须要对封装状态进行精确的电气模拟。为了预测由高性能半导体芯片的复杂布线引起的电气问题,需要使用诸如RLGC等模型。因此,电气模拟可以创建各种模型,并利用这些模型来预测高速数字系统中的数据传输用时、信号质量和形状精度。 在封装电气分析过程中,电气模型的基本元素包括电阻(Resistance)、电感(Inductance)和电容(Capacitance)。电阻的强度足以阻碍电流的流动,它与物体中的单位电流成反比。电感是电路中电流变化引起的电磁感应形成的反电动势的比率。最后,电容是电容器在单位电压作用下储存电荷的物理量。 ▲图6:电气分析的不同方面(ⓒ HANOL出版社) 如图5所示,利用RLGC建模,可以预测的最重要特性,即信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁干扰(EMI)。信号完整性衡量的是电信号的质量,电源完整性衡量的是电源传输的质量。最后,EMI指电磁干扰,即辐射或传导的电磁波会干扰其他设备的运行的因素。因此,应提前检查噪声问题,尽可能缩短其发展周期,确保电源完整性和电源配送系统能够支持创建可靠的电路板。信号完整性、电源完整性和电磁干扰之间存在着密切的有机联系,因此,综合考量这三种特性的设计方案对于电气分析至关重要。 支持半导体行业发展 无论单个芯片性能如何提高,如果不能妥善管理封装内芯片和供电电网间连接路径的电磁特性,整体系统性能就无法得到保障。因此,封装设计工艺和相关分析对于确保芯片的运行和持续发展至关重要。通过遵循特定设计规则,可以创建具备最佳特性的半导体封装蓝图。随后可以通过结构分析、热分析和电气分析对封装特性进行优化。通过各阶段的设计和分析,最终可以满足市场对半导体的传输速度、集成度和性能方面日益增加的需求。 来源:skhynix
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    2024-1-5 17:33
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    传统封装组装方法概述 图1显示了塑料封装的组装工艺,塑料封装是一种传统封装方法,分为引线框架封装(Leadframe Package)和基板封装(Substrate Package)。这两种封装工艺的前半部分流程相同,而后半部分流程则在引脚连接方式上存在差异。 ▲图1:引线框架封装和基板封装的组装步骤(ⓒ HANOL出版社) 晶圆经过测试后,首先要经过背面研磨(Backgrinding),以达到所需厚度;然后进行晶圆切割(Wafer Sawing),将晶圆切割成芯片;选择质量良好的芯片,通过芯片贴装(Die Attach)工艺将芯片连接到引线框架或基板上;之后通过引线键合(Wire Bonding)的方式实现芯片与基板之间的电气连接;最后使用环氧树脂模塑料(EMC)进行密封保护。引线框架封装和基板封装在前半部分流程中均采用上述步骤。 在后半部分流程中,引线框架封装采用如下步骤:通过切筋(Trimming)1的方式将引线分离;通过电镀(Solder Plating)将锡球置放至引线末端;最后是成型(Forming)工艺,成型工艺将封装分离为独立单元,并弯曲引线,以便将它们连接到系统板上。而对于基板封装,则是在进行植球(Solder Ball Mounting),即锡球被焊接在基板焊盘上之前,先完成模塑;之后进行切割,成为独立封装,也可称之为切单(Singulation)。接下来的内容中,将阐述传统封装方法的组装工艺,并重点介绍基板封装的八个步骤。 1 切筋(Trimming) :一种应用于引线框架封装的工艺,使用剪切冲床去除引线之间的阻尼条。 第一步:背面研磨 背面研磨工艺可确保将晶圆加工成适合其封装特性的最佳厚度。该工艺包括对晶圆背面进行研磨处理并将其安装在环形框架内,如图2所示。 ▲图2:晶圆背面研磨工艺的四个步骤(ⓒ HANOL出版社) 在对晶圆背面进行研磨之前,首先需要在晶圆正面覆盖一层保护胶带,称之为背面研磨保护胶带。这是为了防止用于绘制电路的晶圆正面遭受物理性损害。之后使用研磨轮(Grinding Wheel)对晶圆背面进行研磨,使其变得更薄。在这个过程中,需要先用高速旋转的粗磨轮去除大部分多余材料;再用细磨轮对表面进行精磨,以达到理想厚度;最后使用精拋光垫(Fine Pad)对晶圆进行抛光,使其表面变得光滑。如果晶圆表面粗糙,那么在后续工艺中施加应力(Stress)时,会使其更易产生裂痕,导致芯片断裂。因此,通过抛光来防止裂痕形成,对于减少芯片破损具有重要意义。 对于单芯片封装而言,通常需要将晶圆研磨到约200-250微米(μm)的厚度。而对于堆叠封装而言,因将多个芯片堆叠在同一封装体中,所以芯片(晶圆)需要研磨至更薄。然而,研磨晶圆背面所产生的残余应力会导致晶圆正面收缩,这样可能会引发晶圆弯曲成弧形;此外随着晶圆变薄,其弯曲度也会增加。因此为了保持晶圆平整,首先需要在晶圆背面贴上承载薄膜(Mounting Tape),然后将其固定在环形框架内。最后,去除用于保护晶圆正面器件的背面研磨保护胶带,露出半导体器件,背面研磨工艺即视为完成。 第二步:晶圆切割/分割 晶圆切割是指沿着晶圆上的划片槽(Scribe Lane)2进行切割,直到分离出芯片的工艺,也被称为划片工艺。晶圆切割是芯片封装工艺的必要工序。 图3给出了使用刀片切割法将晶圆分割为芯片的示例。在这种晶圆切割方法中,使用轮状锯片来切割和分离晶圆。这种锯片采用高硬度的金刚石刀头沿着晶圆划片线切割,晶圆格状划片线如图左侧所示。由于锯片旋转时会产生容差3,因此划片线宽度必须超过砂轮厚度。 2 划片槽(Scribe Lane) :从晶圆上切割芯片时,既不影响附近器件,又可满足切片分布所需的足够宽度的空间。 3 容差 :性能差异导致的空间或数字上的误差范围。 ▲图3:通过刀片切割工艺将晶圆切割成芯片(ⓒ HANOL出版社) 刀片切割存在一个问题:由于切割过程中刀片直接接触晶圆,因此当晶圆变得越来越薄时,发生断裂的可能性也随之增加。而另一种晶圆切割方法——激光切割(Laser Dicing),在切割过程中则无需直接接触晶圆,而是在晶圆背面利用激光来完成切割,可非常有效地解决断裂问题。因为激光切割工艺能尽量避免对晶圆表面造成损害,可以保持芯片的坚固性,所以它更适用于切割较薄的晶圆。 随着晶圆厚度越来越小,先切割后研磨(DBG)这一方法从而被提出。DBG在晶圆切割过程中采取了相反的顺序,以减少芯片损坏。传统工艺先对晶圆背面进行研磨,再对晶圆进行切割;而DBG则先对晶圆进行部分切割,再对晶圆背面进行研磨,最后通过承载薄膜扩张法(MTE)4使其被彻底切割。 4 承载薄膜扩张法(MTE) :利用激光进行隐形切割并在晶圆上形成凹槽后,使贴在晶圆上的承载薄膜出现扩张。然后,在相应区域施加作用力,使晶圆分割成芯片。 第三步:芯片贴装 如图4所示,芯片贴装是指从承载薄膜上拾取经过晶圆切割后的芯片,并将其贴装在涂有粘合剂的基板或引线框架上的工艺。 ▲图4:芯片贴装工艺(ⓒ HANOL出版社) 晶圆切割的过程中,需防止已切割的芯片从承载薄膜上脱落;而贴装的过程,则须将芯片从承载薄膜上顺利剥离。如果承载薄膜的黏附力太强,在剥离过程中可能会对芯片造成损坏。因此在晶圆切割过程中需确保粘合剂具有较强的粘合力;而在贴片之前,需用紫外线对晶圆进行照射,以减弱其粘合力,此时,只需从承载薄膜上剥离通过晶圆测试的芯片即可。 剥离出来的芯片必须使用粘合剂重新贴装到基板上,由于粘合剂的类型不同,所需的贴装工艺也有所不同。如果使用液体粘合剂,则必须使用类似于注射器的点液器或通过网板印刷(Stencil Printing)5提前将粘合剂涂在基板上。而固体粘合剂通常做成胶带的形式,也被称为晶片黏结薄膜(Die Attach Film, DAF)或晶圆背面迭片覆膜(WBL),则更适用于堆叠封装。在完成背面研磨后,在承载薄膜和晶圆背面之间粘贴晶片黏结薄膜;切割晶圆时,晶片黏结薄膜也会同时被切割;由于晶片黏结薄膜会连同其粘接的芯片一起脱落,因此可将晶片黏结薄膜粘接到基板上或其他芯片上。 5 网板印刷(Stencil Printing) :一种使用镂空模板将糊状材料涂抹到诸如基板等器件的印刷方法。 第四步:互连 互连是指芯片之间、芯片与基板之间,以及封装体内其它组合间的电气连接。接下来将介绍引线键合及倒片键合(Flip Chip Bonding)这两种互连方式。 ▲图5:引线键合工艺的七个步骤(ⓒ HANOL出版社) 引线键合 引线键合是使用金属线,利用热、压力和振动实现芯片与基板间的电气连接的工艺。金属引线的材质通常为金(Au),因为金具有良好的导电性和延展性。引线键合类似于缝纫,金属引线充当缝线,毛细管劈刀(Capillary)6充当缝针。引线宛如纱线缠绕在线轴并安装到设备上,之后将引线拉出,穿过毛细管劈刀正中央的小孔,在毛细管劈刀末端形成尾线。当采用电子火焰熄灭工艺(EFO)7在引线末端制造出强烈的电火花时,尾线部分将熔化并凝固,在表面张力作用下形成无空气球(FAB,Free Air Ball)。 FAB制作完成后需对其施压,使其粘合至焊盘,即完成一次球键合(Ball Bonding)。毛细管劈刀在基板移动时,引线会像缝线一样被拉出,形成一个引线环。向引线施加力量,将其按压到基板上的电气连接插脚,即金手指(Bond Finger),以此来实现针脚式键合(Stitch Bonding)8。针脚式键合后,向后拉紧引线,形成尾线,最后断开尾线,以完成芯片与基板间连接过程的最后一步。在引线键合过程中,其它芯片焊盘和基板金手指之间同样重复以上过程。 6 毛细管劈刀(Capillary) :引线键合设备中辅助引线连接芯片电极与引线端子的工具。 7 电子火焰熄灭(EFO) :用电火花熔化引线形成无空气球的工艺。 8 针脚式键合(Stitch Bonding) :在半导体封装过程中,通过按压方式将引线键合到焊盘上。 倒片键合和底部填充 倒片键合是通过在芯片顶部形成的凸点来实现芯片与基板间的电气和机械连接。因此,倒片键合的电气性能优于引线键合。倒片键合分为两种类型:批量回流焊工艺(Mass Reflow,MR)和热压缩工艺(Thermo Compression)。批量回流焊工艺通过在高温下熔化接合处的锡球,将芯片与基板连接在一起。而热压缩工艺则通过向接合处施加热量和压力,实现芯片与基板间的连接。 仅仅依靠凸点无法处理芯片和基板之间因热膨胀系数(CTE)9差异所产生的应力,因此需要采用底部填充工艺,使用聚合物填充凸点间隙,以确保焊点可靠性。填充凸点间隙的底部填充工艺主要有两种:一是后填充(Post-Filling),即在倒片键合之后填充材料;二是预填充(Pre-Applied Underfill),即在倒片键合之前填充材料。此外,根据底部填充方法的不同,可将后填充分为毛细管底部填充(Capillary Underfill,CUF)和模塑底部填充(Molded Underfill,MUF)。毛细管底部填充是在倒片键合后,使用毛细管劈刀沿着芯片的侧面注入底部填充材料以填补凸点间隙;而模塑底部填充则是在倒片键合后,将环氧树脂模塑料作为底部充填材料来发挥填充作用。 9 热膨胀系数(CTE) :一种材料性能,用于表示材料在受热情况下膨胀的程度。 第五步:模塑 芯片在完成引线键合或倒片键合后,需进行封装,以保护芯片结构免受外部冲击。此类保护工艺涵盖模塑、密封和焊接,但只有模塑工艺适用于塑料封装。模塑工艺使用环氧树脂模塑料,将热固性树脂(Thermosetting Resin)10与多种无机材料混合,封装在芯片、引线等部件周围进行保护,使这些部件免受外部物理性和化学性损害,并可根据实际需求制作成相应的封装尺寸或形状。 10 热固性树脂(Thermosetting Resin) :一种稳定的聚合物材料,在加热后会发生聚合反应从而硬化并形成聚合物。它主要用于制作环氧树脂模塑料,通过防止热损伤、机械损伤,及腐蚀以保护半导体电路的电子和电气性能。 模塑工艺需在模具中进行。根据传递模塑法(Transfer Molding)的工艺,需要将引线键合连接芯片的基板放置在两个模具上,同时将环氧树脂模塑料片放置在中间,然后施加热量和压力,使固态环氧树脂模塑料熔化为液态,流入模具并填充间隙。但使用传递模塑法工艺也面临一些问题,随着芯片与封装顶部之间的空隙不断变小,使用环氧树脂模塑料等液体很难完成填充;此外,随着基板尺寸越来越大,模具尺寸也需相应加大,同样也加大了使用环氧树脂模塑料填充间隙的难度。 近年来,传递模塑法工艺已达到极致。随着封装内堆叠的芯片数量不断增加,封装厚度逐渐变薄,芯片与封装顶部之间的空隙持续缩小。为了降低制造成本,芯片被大批量加工,基板的尺寸也在不断增大。因此,压缩模塑法(Compression Molding)成为了填充小空隙的解决方案。在压缩模塑法的工艺中,模具中会预先填充环氧树脂模塑料粉末,基板放入模具中后,随后施加热量和压力,模具中填充的环氧树脂模塑料粉末会液化并最终成型。在这种情况下,环氧树脂模塑料会即刻熔化为液体,无需流动便可填充间隙,因此成为了填充芯片与封装顶部之间小空隙的理想选择。 第六步:打标 打标(Marking)是指在半导体封装表面刻印产品信息的工艺,包括半导体类型、制造商,以及客户要求的图案、符号、数字或字母等。这在封装后的半导体产品出现故障时尤为重要,因为标记有助于追踪产品故障原因等。打标既可以使用激光灼烧环氧树脂模塑料等材料来进行刻印,也可以使用油墨压印。 对于塑料封装,必须在封装表面刻印所需信息之前进行模塑。由于激光打标只是简单的刻印行为,所以黑色环氧树脂模塑料通常会作为首选,因为它可以增加标记的易读性。考虑到刻印字符或符号不易着色,因此,在黑色背景上刻印会使标记更加明显。接下来两个步骤是基板封装的最后阶段,也是基板封装和引线框架封装工艺之间的区别所在。 第七步:植球 基板封装中的锡球不仅可以作为封装体和外部电路之间的电气通路,还可提供机械连接。植球工艺是将锡球粘合至基板焊盘的过程。在该工艺的第一步,将助焊剂(Flux)11涂抹在焊盘上,并将锡球放置在焊盘上。然后通过回流焊工艺熔化并粘合锡球,之后清洗并去除助焊剂。助焊剂的作用是在回流焊过程中清除锡球表面杂质和氧化物,使锡球均匀熔化,形成洁净表面。锡球熔化后便会流入基板上覆盖的网板,即可填充网板上的每个孔隙。最后,将基板和网板分离,但因助焊剂具有黏附力,锡球仍然会留在基板上。由于焊盘上预先涂抹了助焊剂,因此锡球会暂时粘合并附着在焊盘上。 11 助焊剂(Flux) :一种有助锡球附着在铜表面的水溶性和油溶性溶剂。 ▲图6:回流焊工艺的温度曲线(ⓒ HANOL出版社) 通过回流焊工艺,在助焊剂的作用下附着于基板焊盘上锡球会熔化。图6显示了回流焊工艺的温度曲线。在锡球达到熔化温度之前,助焊剂会在吸热区(Soak Zone)被激活,以清除锡球表面氧化物和杂质。当温度高于熔化温度时,锡球会熔化并粘合在焊盘上,但熔化后的锡球不会完全流走。相反,它们会在表面张力的作用下,在除了其与焊盘粘合在一起的金属部分以外的所有区域,形成一个球形。随着温度逐渐下降,锡球会保持其形状并再次凝固。 第八步:切单 切单(Singulation)是基板封装工艺的最后一道工序。即使用刀片将成品基板切割为单独的封装。切单完成后,将封装放在托盘上进行测试,并完成其余步骤。 传统封装工艺组装涉及的各个步骤彰显了精准对齐、最佳电气连接、坚固保护措施以防止外部损坏等要素,这些步骤在封装流程中都是不可或缺的。 来源:skhynix
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    2023-11-27 19:08
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    这是IC男奋斗史的 第42篇 原创 本文2730字,预计阅读8分钟。 芯片测试相关文章合集: 职业规划 | 技术积累 华为在8月底悄悄发布的旗舰手机mate60,经研究,处理器芯片为中芯国际制造。 中芯国际基于较旧的ASML DUV光刻机,采用多重光刻的方法 (4次或更多次光刻) 实现了7nm 。该方法早在40 年前就已经提出,台积电也曾用过。2022年,中芯国际就已经在矿机芯片上使用该方法,成功实现了7nm生产。 Mate60手机的成功研发与生产,标志着中国半导体产业链的国产替代,又迈出了坚实的一步。以华为海思为代表的芯片设计企业、以中芯国际为代表的芯片制造企业,以及以长电科技为代表的封测企业等,在欧美日等国的技术封锁下坚定前行,为中国芯的大力发展披荆斩棘。 本文杰哥将以华为mate60手机用到的芯片为例,来给大家介绍下各类芯片的国产替代的进程。目前国内的半导体各领域都有哪些优秀的企业脱颖而出?这些企业对比国外大厂的优势和劣势分别是什么? 1、处理器芯片 联发科、高通和苹果 VS 华为海思 在手机处理器芯片领域,联发科、高通和苹果是全球前三大厂商,三者加起来全球市场占有率超过80%。国内企业中主要以华为海思和展讯为代表。其中海思以高端手机市场为主,展讯以中低端手机市场为主。这里我们重点讨论华为海思。 华为海思从2014年开始自研手机处理器芯片麒麟系列。2014年初到2020年10月,海思总共发布了9款产品,从麒麟910/920升级到990/9000系列。巅峰时期,麒麟9000处理器性能超过同期苹果和高通的旗舰产品。但是由于华为在2019年9月开始被美国全面制裁,麒麟9000处理器也就成为了绝唱。 直到上个月底,Mate60上搭载的麒麟9000s处理器向世界宣告了华为的王者归来,也为手机处理器芯片的国产替代注入了一针强心剂。 对于海思来说,最大的优势就是华为在背后强大的研发投入。即便美国政府对华为实施了全面制裁,华为领导人也多次对外表示,会继续加大在高科技领域的研发投入,华为在半导体领域的投入是不计成本的。其次,华为在5G通信技术领域的领先优势,使得海思在高端处理器芯片领域也处于技术领先。 另外,得益于华为手机的快速迭代,海思的处理器可以快速部署到应用端,实现应用到研发的闭环反馈,从而实现研发的快速迭代。这也是麒麟处理器可以在六七年间迭代了9款产品的主要原因。 不同于芯片设计,芯片制造是海思相对于国外大厂最大的劣势。华为被全面制裁之后,手机处理器无法使用台积电最先进的制程工艺进行生产。 即便华为在mate60上使用了国产7nm制程工艺,但是竞争对手,像苹果、高通、联发科等已经进入手机处理器3nm制程工艺阶段。 2、存储器芯片 三星、海力士、美光 VS 合肥长鑫、武汉长存 在存储器芯片领域,三星、海力士和美光是全球前三大厂商。在市场规模最大的DRAM和NAND Flash领域,三者加起来全球市场占有率超过80%。国内企业中主要以武汉长存和合肥长鑫为代表,其中长存主攻NAND Flash,长鑫主攻DRAM,两者加起来全球市场占有率约4.6%。 国内两家企业在存储器芯片领域的市场占有率虽然不到5%,但是最近几年已经取得了很大的进步。 要知道在2017年之前,国内企业在这个领域的市场占有率一直都是零。长存在NAND Flash领域、长鑫在DRAM领域,都解决了卡脖子问题,填补了国内技术空白。 相比于国外大厂,长存与长鑫最大的优势是国内巨大的市场需求。再加上芯片国产替代的大趋势以及国内政策的大力支持,只要能拿出像样的产品,销路根本不是问题。最大的劣势也是因为美国政府的制裁与技术封锁,不论从设备层面还是人才层面,美国政府的制裁多少都影响到了国内这两家存储巨头。 3、电源管理芯片/信号链芯片 TI、ADI VS 圣邦微、思瑞浦、南芯 在电源管理与信号链等模拟芯片领域,TI和ADI是全球前两大厂商。全球前十大模拟芯片厂商全部为国外企业,加起来市场占有率接近70%。近年来国内也涌现了很多不错的模拟芯片企业,主打对TI和ADI产品的国产替代。其中比较有代表性的企业有圣邦微、思瑞浦和南芯等。 圣邦微是目前国内产品种类最多、规模最大的模拟芯片厂商,其产品产品覆盖信号链和电源管理芯片。思瑞浦是国内信号链产品的龙头厂商,南芯是电源管理芯片领域的后起之秀。这三家公司都已进入华为产业链,逐步取代TI和ADI的产品。 相比于国外大厂,国内模拟芯片厂商最大的优势是离市场需求和客户更近。 中国是全球模拟芯片最大的市场,这也是TI和ADI一直在中国持续投资并建立本土研发团队的原因之一。即便如此,外企也无法像国内企业一样能够快速了解市场需求、实时响应客户问题、当天到现场支持解决问题。 但是,国外巨头在模拟芯片制造工艺领域,它们的技术与成本优势也是显而易见的。 以TI为例,目前TI已经在全面转向12寸晶圆生产制造,但是国内模拟芯片厂商还是主要以8寸晶圆代工为主。从成本上完全处于劣势,产品的毛利也差距较大。所以,如何解决制造工艺的落后问题,是国内模拟芯片厂商应该关注的核心技术问题。 4、射频芯片 高通、博通 VS 卓胜微、翱捷科技 在射频芯片领域,博通和高通是全球前两大厂商。全球前五大射频芯片厂商全部为国外企业,加起来市场占有率为80%左右。国内的射频芯片厂商大多还是聚焦在中、低端市场,而且规模也不大。与全球前五大厂商相比,差距比较大。 不过好消息是,虽然差距比较大,但却一直在缩小。研究机构认为,2022年,国产射频芯片厂商在全球的份额超过了10%,增长率超过了20%。比如卓胜微已从开关上取得了突围并几乎垄断了国内市场,唯捷创芯的4G PA出货量也位居国内第一,在5G PA上也有突破,还有飞骧科技、慧智微等射频企业也表现不俗。 众所周知,手机基带芯片是射频芯片领域研发难度最大的产品,全球也仅有高通、联发科、华为海思等几家厂商。连苹果公司都在手机基带芯片的研发上栽了跟头,最后不得不选择继续跟高通合作。 翱捷科技作为国内少有的手机基带芯片供应商,第一款5G基带芯片即将进入量产阶段。这个突破对于国内的手机行业意义重大,国产手机厂商可以减少对高通和联发科基带芯片的依赖,选择翱捷科技的国产替代方案。 相比于博通高通等国外大厂,国内射频芯片厂商最大的优势是国内巨大的市场。国产手机厂商华为、小米、oppo、vivo是除了苹果和三星外,出货量最大的企业。 总结 既然华为能够通过产业链的国产替代取得成功,那么国内其他受到制裁的企业是否也可以借鉴呢?比如服务器CPU芯片厂商海光科技、AI芯片厂商寒武纪等。 历史无数次证明,旧势力靠封锁和制裁,是不可能限制住新势力前进的脚步。新势力可能短期内会受到一定程度的阻碍,但是终将突破层层封锁获得胜利。 如果靠制裁真能限制住新势力,人类社会就不会进步,朝代也不会更替,这显然是违背事物发展规律的。作为国内半导体行业的从业者,我们将有幸见证并参与整个半导体产业链的崛起,为实现真正的中国芯贡献自己的力量! 全文完。
  • 2023-11-27 17:19
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    宋仕强论道之再说万佳百货(十一):讲华强北就不得不讲万佳百货,在这里再补充一下,万佳是英文“先锋”的音译。万佳百货实际上是华强北在92年以后异军突起的标志性的商场,有很强的聚人气作用,万佳百货的位置在华强北(shenzhenhuaqiangbei)华联发大厦一楼,二楼叫做国际电器城,主要卖高保真音响,当时高保真音响是流行的概念,日本的健伍音响、爱华音响等都在上面有专卖店。后来在万佳边上有了曼哈商城,华强路对面有了女人世界,有了顺电也有了新大好时装城,还有男人的世界、黄金灯饰也发展起来了,但是主要的热点还是万佳百货。宋仕强介绍说,万佳百货创造了很多奇迹,每天早上有一个升旗仪式,是学郑州的亚细亚商城,顾客们排着队看完升旗仪式,然后就进店买东西,人多的时候进店是要排队的,万佳百货的十几个收银台每天排长队买单也是常态。万佳百货的营业面积3000平米,销售额每天最多达到300万元,员工当时是260人左右,创造了最早的华强北经济奇迹。万科集团负责零售业的吴正波先生开创的是零售模式创新,也是在深圳的创新的模式主要引进了新加坡和美国的“仓储式”超市模式,还有“零干扰”自助式服务,当时还有一家叫做“百家惠”的同类型商场,但是在竞争中失败了。当时深圳的中产阶级逐渐多起来有了强大的购买力,这是大的时代背景。后来被万科集团打包卖给华润集团了,改名叫做“华润万家”,是老一辈深圳人的特殊记忆!宋仕强先生(HuaqiangbeiSongShiqiang),国务院经济发展中心民营经济研究员,中国科学技术协会电子信息专家库成员、华强北商业研究专家,科普专栏作家。宋仕强先生现投资经营深圳市萨科微半导体司和深圳市金航标电子两家公司,打造萨科微“SLKOR”(www.slkormicro.com)和金航标“Kinghelm”(www.kinghelm.com.cn)品牌。萨科微与金航标都是国家高新技术企业,原创性获得发明专利和软件著作权几十项。萨科微目前是国内快速稳健发展的半导体企业之一,萨科微的的愿景是成为“半导体行业领导者”。
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    2023-11-23 10:56
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    芯片的测试方法
    半导体 的生产流程包括晶圆制造和封装测试,在这两个环节中分别需要完成晶圆检测 (CP, Circuit Probing) 和成品测试 (FT, Final Test) 。无论哪个环节,要测试芯片的各项功能指标均须完成两个步骤:一是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来,二是通过测试机对芯片施加输入信号,并检测输出信号,判断芯片功能和性能是否达到设计要求。 CP 测试在整个芯片制作流程中处于晶圆制造和封装之间,测试对象是针对整片晶圆 (Wafer) 中的每一个 Die ,目的是确保整片 (Wafer) 中的每一个 Die 都能基本满足器件的特征或者设计规格书,通常包括电压、电流、时序和功能的验证。 CP 测试的具体操作是在晶圆制作完成之后,成千上万的裸 DIE( 未封装的芯片 ) 规则的分布满整个 Wafer 。由于尚未进行划片封装,只需要将这些裸露在外的芯片管脚,通过探针 (Probe) 与测试机台 (Tester) 连接,进行芯片测试就是 CP 测试。晶圆检测是指通过探针台和测试机的配合使用,对晶圆上的裸芯片进行功能和电参数测试,其测试过程为:探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置,芯片的 Pad 点通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接,测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号,判断芯片功能和性能是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给探针台,探针台据此对芯片进行打点标记,形成晶圆的 Map 图。 成品测试是指通过分选机和测试机的配合使用,对封装完成后的芯片进行功能和电参数测试,其测试过程为:分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位,被测芯片的引脚通过测试工位上的基座、专用连接线与测试机的功能模块进行连接,测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号,判断芯片功能和性能是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分选、收料或编带。 外观检查就是目测或利用一些简单仪器,如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查 PCB 的外观,寻找失效的部位和相关的物证,主要的作用就是失效定位和初步判断 PCB 的失效模式。外观检查主要检查 PCB 的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别,是不是总是集中在某个区域等等。另外,有许多 PCB 的失效是在组装成 PCBA 后才发现,是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。 半导体测试是半导体生产过程中的重要环节,其核心测试设备包括测试机、分选机、探针台。 锦正茂高低温真空磁场探针台是具备提供高低温、真空以及磁场环境的高精度实验台,它的诸多设计都是专用的。因此,高低温磁场探针台的配置主要是根据用户的需求进行选配及设计。例如,要求的磁场值,均匀区大小、均匀度大小、样品台的尺寸等,均于磁力线在一定区域内产生的磁通密度相关联;位移台还可与磁流体密封搭配,实现水平方向二维移动和样品台 360 度转动;除此之外,该探针台和我司自主研发的高精度双极性恒流电源搭配使用户,可以磁场的高稳定性。因此,该类型的探针台主要依据客户的使用情况进行设计优化。 锦正茂高低温真空磁场探针台探针台配备 4 个(可选 6 个或 8 个)拥有高精度位移的探针臂,同时配有高精度电子显微镜,便于微小样品的观察操作。探针可通过直流或者低频交流信号,用来测试芯片、晶圆片、封装器件等,广泛应用于半导体工业、 MEMS 、超导、电子学、铁电子学、物理学、材料学和生物医学等领域。
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