半导体 | 后道工艺概述

一、去除不良品的晶圆测试

即使前道工序做得非常认真，最终晶圆上的芯片还是会有不良品的。这些不良品需要通过晶圆测试(Probing，也称CP测试)来去除。

1）淘汰不良品的意义是什么?

前道工艺结束后，晶圆上会制造出大量的芯片(也就是LSI)，然后进入后道工艺，减小芯片尺寸意味着可以从一张晶圆上获得更多数量的芯片，单张晶圆上制造出大量芯片可以降低芯片的成本，但是，如果将有缺陷的产品放行到后续工艺则毫无价值。所以，必须判定经过了前段制程的芯片到底是合格品还是不合格品。换句话说，它的作用是给进入后段制程的芯片发一个通行证。我们称为KGD。当然，也要在有缺陷的产品上打个标记。

 2）什么是晶圆测试?

晶圆测试一词来源于英文的Probe(探查的意思)。晶圆测试使用称为探针台(Prober)的设备来完成，设备上装有探针卡，探针卡上有很多导电的探针。探针卡如下图所示，每一种ISI芯片都需要一个专用的探针卡，要咨询探针卡制造商来定制,LSI 芯片上面有焊盘，探针会竖起来扎到这个焊盘上来进行测试。由于每一种ISI焊盘的数量和位置都不尽相同，因此需要专用探针卡。

探针卡

接下来解释一下“有效芯片数”这个术语。其含义是我们可以从一张晶圆中制造出多少个芯片。如下图所示，晶圆是圆形的，而芯片是方形的，无论如何都会有浪费的面积，因此，芯片的制造区域按照最宽的区域来计算。

晶圆上芯片的排列示意图

在晶圆面积一定的情况下，芯片面积越小，数量就越多。工艺微细化的意义就在这里。此外，无效边缘(EdgeExculsion)e的定义也很重要。它指的是制造工艺有多少mm的晶圆边缘无法保证被利用，半导体厂商如何减小这种无效边缘变得非常重要。

二、使晶圆变薄的减薄工艺

在封装芯片时，没必要采用已经流过前段制程的晶圆厚度，而是从晶圆背面削减到规定厚度。这就是减薄(BackGrind)。

1）减薄的意义是什么?

在第1章中介绍过晶圆的厚度，300mm晶圆的厚度为775um，200mm晶圆的厚度为725mm，这个厚度在实际封装时太厚了。前段制程中晶圆要被处理、要在设备内和设备间传送，这时候上面提到的厚度是合适的，可以满足机械强度的要求，满足晶圆的翘曲度的要求。但封装的时候则是薄一点更好，所以要处理到100~200um左右的厚度，就要用到减薄工艺。

2）减薄工艺是什么?

减薄工艺类似于成膜工艺中介绍的CMP工艺，但又与CMP不同。实际上减薄使晶圆厚度变为原来的几分之一，因此它更像是“切削”而不是“研磨”。如下图所示，含有金刚石磨粒的扁平砂轮以 5000转/min左右的速度削，使晶圆变薄。

实际的减薄示意图

话虽如此，也不能随便切削，因为在晶圆表面上有重要的LSI芯片，所以需要首先对晶圆表面进行保护。减薄工艺流程如下图所示，在晶圆表面使用紫外线固化黏合剂用滚筒等把保护胶带均匀贴好，保护胶带的材料是PET或聚烯烃。然后通过真空把保护面固定在吸盘上，用大约5000转/min高速旋转的砂轮对晶圆背面进行粗磨，再更换砂轮的号数进行精磨。之后，会留有大约1mm的损坏层，需要将其去除，最近也会用干法抛光代替化学试剂处理损坏层。然后将划片胶带(Dicing Tape)贴到晶圆背面，再通过紫外线照射使黏合剂固化并剥离。

减薄流程

三、切割出芯片的划片

为了将芯片。进行封装，使用划片刀(特殊的切割刀具)把晶圆切割成芯片。该工艺称为划片(Dicing)。

1）如何切割晶圆?

如上一节所述，把晶圆减薄，然后粘贴到划片胶带上(以下简称胶带)，这样做的目的是避免划片后芯片散落得乱七八糟。

使用划片刀来切割晶圆，划片刀(厚度为20~50m)采用添加金刚石颗粒的硬质材料制造。金刚石划片刀每分钟旋转数万次来切割品圆，会产生摩擦热。因此需要在高压下不断喷射纯水来清除掉切割下来的硅碎片，一边同时切割。由于纯水会导致静电破坏的问题，因此通常在纯水中要混入二氧化碳气体。下图为划片的示意图。

划片的示意图

以上图为例，在图形水平方向切割完成后，将晶圆旋转90°，再在图形垂直方向切割晶圆。最终形成如图中的芯片一样的矩形。

2）半切割和全切割

晶圆虽然不是食材，但是也可以把它全部切割或者切一半。半切割形象上就如同一板巧克力，上面刻好了凹槽，之后可以根据凹槽再来分割。目前，全切割是主流，因为工程步骤减少，在质量控制方面也更有利。如果是全切割，你可能会担心芯片会散落。但实际可以通过前面介绍过的晶圆上贴胶带的方法来避免。

全切和半切之间的区别

四、粘贴芯片

贴片(DieBonding)是将切出的芯片贴在基板上，并固定到封装中。在某些情况下也完成电气连接。在后段制程中，芯片在切割完成后称为Die。

1）什么是贴片?

从完成划片的晶圆中选择合格的芯片，将其放在封装底座(称为DiePad)上，然后用黏合剂等固定，这个过程称为贴片。由于每个芯片都黏在载具胶带上，因此可以在不散开的情况下传送。当然，有缺陷的芯片最终将被丢弃。首先，用针从底部向上推出合格的芯片，用真空吸盘抓住浮起的位置，并将其传送到引线框架的封装底座上。下图显示了贴片的流程。

一直到芯片键合的流程

2）贴片方法

下面介绍如何使用黏合剂。首先，将黏合剂以点状涂抹在芯片基板上进行封装。芯片键合有两种方法，一种是共晶合金焊接法，另一种是树脂黏接法。共晶合金键合法应用于金属引线框架或陶瓷基板的封装，把管芯固定其中。具体是在加热到400℃左右的平板上，把晶片的背面和导线框架的镀金压接到一起。此时管芯的硅与引线框的镀金形成Si-Au 共品合金，因此而得名。为防止氧化，该工艺在氮气气氛中进行。树脂黏接法可以应用于各种类型的封装基板，流程如下图所示。使用环氧树脂银浆作为黏合剂，从室温开始将其加热到约250℃，用Colet(真空吸嘴)真空吸住管芯，然后通过摩擦和加压将芯片黏合。

键合方法(树脂黏接方法)

五、电气连接的引线键合

您可能看到过像蜈蚣脚一样从ISI封装中引出来的端子。引线键合(Wire Bonding)是用引线将这些端子与芯片上的ISI端子连接起来。引线一般使用导电性良好的金线制成。

1）与引线框架的连接

使用金(Au)是因为金作为导线是稳定可靠的，芯片上的端子称为焊盘，引线框架在芯片一侧称为内部框架。使用称为自动引线键合机的设备，每秒可以键合几根到10根的引线。作为半导体工厂的场景，自动键合的影像经常在电视上播放，有些读者可能看到过。曾几何时，引线键合是一根一根由人工完成的，所以后段制程是劳动密集型产业，从发展历程来看，一直在向人工成本较低的东南亚地区扩张。引线键合芯片和引线框架的示意图如下图所示。LSI中金线的最小厚度约为15um，金的纯度高达 99.99%。

引线键合的芯片和引线框架的示意图

2）引线键合的机理

下图显示了引线键合的机理。从劈刀(Capillary，也称为毛细管)的尖端拉出金(Au)线，将电弧靠近它产生火花，使尖端的金呈球形(图a)。将其压在焊盘(AI)上并进行热压黏合(图b)。此时，采用超声波产生能量在200℃~250℃的温度下进行键合，该方法称为UNTC，为目前的主流。然后劈刀在预定轨道上移动并拉伸金线(c图)。之后，将劈刀移至引线部分并进行键合。引线部分镀有银(Ag)。随后，劈刀再移动到另一个焊盘位置，将一根金线拉到劈刀的尖端，用电弧靠近它产生火花，使尖端的金呈球形，如此重复这一步骤。

这样的重复操作是通过称为专用引线键合机的设备完成的，该设备能够以每秒几根引线的速度完成此操作。当然，LSI的产量越高，这种焊线机在后道工序的工厂中的应用就越多。

引线键合的流程图

六、封装芯片的注塑

完成LSI芯片的黏片和引线键合后，接下来就要为封装(Packaging)进行注塑(Molding)了。如果把芯片当成豆沙馅，那么注塑就好比是鱼烧的皮。这两者的确很像，都是用模具从上方和下方夹在中间并成形的。

1）注塑工艺的流程

本节介绍引线框架类型的注塑，越来越多的封装没有引线框架。首先，下图显示了注塑工艺的流程。将引线键合后的芯片和引线框架，一起传送到封装用的下部模具上面，再盖好上部模具，形象地说，是把芯片放置到上下模具形成的空腔(Cavity)中。此时，对上下模具同时施加压力，使模具紧密接触，再将环树脂等注人其中，芯片便被严严实实地注塑起来。

注塑工艺流程

为了便于理解，上图以单颗芯片为例对注塑进行了说明。这样做效率不高，实际的做法如下图所示，很多芯片连到一个引线框架中，然后一起进行注塑。

注塑工艺的实际做法

2）树脂注入和固化

模具加热到约160℃~180℃。将热固性环氧树脂注入模具中特制的料筒(Pod)。如图10-6-1左下图所示，下部模具的一部分可视为填充树脂的料筒，这只是一个示例，还有其他方法。用注塑杆通过压力将受热熔融的环氧树脂经由料路(Liner)推入腔内，这种方法称为传递注塑(Transfer Mold)。

当温度下降时，环氧树脂会固化。接下来取下模具，再等待一定的时间使之进一步固化，至此注塑就完成了。

注塑工艺与前段制程完全不同，称为后段制程。在注塑工艺中，芯片暴露在外部空气中，因此必须在洁净室中完成。

七、产品的打标和引线成形

完成ISI芯片的注塑后，为了把产品出货销售，还需要给产品印上产品名称和批次名称，也就是要进行“打标”(Marking)。还要对ISI外引线的形状进行修整，这称为“引线成形”(Lead Forming)。

1）什么是打标?

半导体器件产品的封装上必须包含公司名称、产品名称或批次名称9。这称作打标有两种打标方式:油墨印刷和激光印刷。前者在黑色包装上印上白色标记，因此易于识别，但存在容易弄脏和字符脱落的缺点。后者和油墨印刷相比，有难以识别的缺点，但由于激光印刷是把封装的部分树脂熔融来印字，难以擦除，所以这种激光法现在成为主流。两种方法都使用专用的打标机，打标示例如下图所示。打标中包含批次信息的目的、是当市场上出现不良品的时候用来帮助查明原因。

封装打标的示例

2）什么是引线成形?

封装外面的引线框架部分称为外框架，修整外框架的工艺称为引线成形。当然，市场上也有不带引线框架的封装，我们将在第11章中讨论。具体来说，通过引线成形机将引线端子的尖端与引线框架切分开，并且将引线端子弯曲成封装类型所要求的形状。实际中，以框架状态运输的LSI，要经过从引线框架上切割连筋的工序、将LSI从引线框架分离的修整工序，以及把引线端子做成特定形状的引线成形工序。流程如下图所示，这些工序是一个接一个按顺序执行的。

引脚成形的流程

以下仅作参考，根据封装的引线端子在印制电路板上的安装方法，可以把它分为通孔直插型和表面贴装型。图中所示例子为前一种形式，后一种形式是类似于无须引线框架描述的BGA的型。

八、最终检验流程

完成打标和成形工序后，终于要进行最终产品检验了。检验方法根据ISI规格的不同而有所变化。

1）后段制程的检验流程是什么?

在后段制程中，每个步骤都要做外观检查和特性检查。外观检查是通过目视检查芯片、封装、外部端子(外框)，以及标记上是否有划痕和污垢，逐工序进行检查。特性检查包括键合连接强度和电镀附着强度，不良品被随时剔除。封装好的半导体器件首先测量外观和尺寸，然后仅对没有问题的半导体芯片进行电气测试，使用各种专用设备完成。

2）什么是老化系统?

半导体器件在各行各业中被广泛使用，如电子仪器、信息家电、家用电器和其他消费类电子产品以及工业设备等，其长期可靠性的保证不容忽视。可靠性由产品故障率和时间的关系表示，在可靠性工程中称为故障率浴盆曲线。如下图所示，因其形状酷似浴盆(Bathtub)而得名。此模型在可靠性测试中大名鼎鼎，即使在半导体以外的产品中也是如此。如图所示，开始阶段的故障会随着时间的推移而减少。之后，由于故障是偶发的，因此故障率保持不变，与时间无关，使用寿命就在此范围内。之后，故障主要由于磨损所致，因此会急剧增加。

浴盆曲线

问题的关键是早期缺陷。产品投放市场后，如果出现大量早期缺陷，就会失去客户的信任，半导体制造商的地位也会岌岌可危。因此，检测早期缺陷的方法称为老化系统。这样做是为了让LSI芯片在高温高压下工作，尽快检测出早期不良。为此有专用的老化设备，配备有高温箱，封装好的芯片插入老化板上面。也可以认为这是在比平时更严格的条件下进行加速试验，这样可能更容易理解。

3）最终检查

下面仅以温度为例来说明，将进行高温和低温测试。在高温(100℃)和低温(0℃)下测量封装的电气特性，以筛选合格品和不合格品。只有合格产品才会出货。这些是在专用老化设备中进行的，使用专用机械手(Handler)把封装好的芯片插入老化板的插座进行测试。

此外，根据半导体产品的不同，还有很多种检查方法。例如逻辑类芯片和存储类芯片的负载条件是不同的。

在前道工艺中，只有晶圆这一个工作对象。可是后道工艺则不同，随着工艺的进行会有各种各样的形态，会使用专用的载具或夹具。

参考文献：

(客服电话4001021226)

销售 | 租赁 | 定制

爱蛙帮您找到最合适的光传感解决方案