長電科技宣傳片

 

 

十五、封測

       45． 市場：全球 3000 億，中國 2000 億

               芯片做好后，得從晶圓上切下來，接上導(dǎo)線，裝上外殼，順便還得測試，這就叫封測

 

 

          2018 年全球半導(dǎo)體封測市場規(guī)模為 533 億美金，同比增長 5．1％，摩爾定律對封測行業(yè)的推動并不顯著

 

 

        中國是全球最大的半導(dǎo)體封測市場，2018 年國內(nèi)半導(dǎo)體封裝市場規(guī)模為 2193 億元，同比增長 16％，占據(jù)全球半導(dǎo)體封測的 68．42％

 

 

46． 技術(shù)：封裝＋測試兩大工藝

      封測分為封裝、測試兩大工藝，封裝是對制造完成的半導(dǎo)體芯片進(jìn)行封裝保護(hù)、管腳引出，測試是對芯片的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，最終形成商品化的半導(dǎo)體產(chǎn)品

 

十六、封裝

     47． 定義

             

       如果以蓋房子來比喻造芯片，ARM這樣的IP授權(quán)方就是賣圖紙的設(shè)計(jì)院、海思和高通等芯片公司就是地產(chǎn)商、負(fù)責(zé)芯片代工的臺積電就是樓房的施工方，而封裝廠商就是水電工和裝修工，負(fù)責(zé)讓芯片真正具有可用性

       封裝就是給芯片穿上“衣服”——外殼，把芯片上的電路管腳用導(dǎo)線連接到外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接

       封裝能固定芯片免受物理損傷、化學(xué)損傷（空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕）、增強(qiáng)散熱性能、便于安裝和運(yùn)輸

 

48． 技術(shù)路線：小型化、集成化

 

       先進(jìn)封裝有兩大發(fā)展路徑

       1）尺寸減小，使其接近芯片大小，一個重要指標(biāo)是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近1越好，包括 WLCSP、FC、Bumping、Fanout 等等

       2）功能性發(fā)展，即強(qiáng)調(diào)異構(gòu)集成，在系統(tǒng)微型化中提供多功能，包括 TSV、SIP 等等

       基于這兩大技術(shù)路線，誕生了一系列封裝方式，下面詳細(xì)介紹

 

49． 技術(shù)路徑：四大階段

       封裝技術(shù)大體經(jīng)歷了通孔插裝時(shí)代、表面安裝器件時(shí)代、面積陣列表面封裝時(shí)代和高密度封裝時(shí)代四個階段，也體現(xiàn)在材料、引腳形狀和裝配方式的進(jìn)步

 

 

第一階段：20世紀(jì)80年代以前（插孔原件時(shí)代）

       封裝的主要技術(shù)是針腳插裝（PTH），其特點(diǎn)是插孔安裝到PCB上，主要形式有TO（晶體管外形封裝）、DIP（雙列封裝）、SIP（單列直插封裝）、PGA（引腳柵陣列），它們的不足之處是密度、頻率難以提高，難以滿足高效自動化生產(chǎn)的要求

 

 

第二階段：20世紀(jì)80年代中期（表面貼裝時(shí)代）

      

表面貼裝封裝（SMD）的主要特點(diǎn)是引線代替針腳，引線為翼形或丁形，兩邊或四邊引出，節(jié)距為1．27到0．4mm，適合于3－300條引線，表面貼裝技術(shù)改變了傳統(tǒng)的PTH插裝形式，通過細(xì)微的引線將集成電路貼裝到PCB板上。主要形式為SOP（小外型封裝）、PLCC（塑料有引線片式載體）、PQFP（塑料四邊引線扁平封裝）、J型引線QFJ和SOJ、LCCC（無引線陶瓷芯片載體）等

它們的主要優(yōu)點(diǎn)是引線細(xì)、短，間距小，封裝密度提高；電氣性能提高；體積小，重量輕；易于自動化生產(chǎn)。它們所存在的不足之處是在封裝密度、I／O數(shù)以及電路頻率方面還是難以滿足ASIC、微處理器發(fā)展的需要

 

 

第三階段：20世紀(jì)90年代～至今（面積陣列封裝時(shí)代）

       第三階段專注單個芯片小型化封裝，一直持續(xù)到現(xiàn)在，技術(shù)路線為BGA（球柵陣列）→CSP（芯片尺寸）→FC（倒裝）→WLP（晶圓級）→Fan－out（扇出），下面詳細(xì)介紹

 

 

      球柵陣列封裝 BGA（Ball GridArray Package）封裝是1990年初由美國Motorola與日本Citizen公司共同開發(fā)的先進(jìn)高性能封裝技術(shù)，在印刷基板的背面按陳列方式制作出球形凸點(diǎn)用以代替引腳，在印刷基板的正面裝配LSI 芯片，然后用模壓樹脂或灌封方法進(jìn)行密封，也稱為凸點(diǎn)陳列載體（PAC），優(yōu)點(diǎn)有：縮短互聯(lián)長度、縮小互聯(lián)面積、成品率高、焊接工藝要求低、散熱好，具有更小的體積，更好的散熱性能和電性能

 

 

      芯片尺寸封裝 CSP（ChipScale Package）是指封裝外殼的尺寸不超過裸芯片尺寸1．2倍的一種先進(jìn)封裝形式，優(yōu)點(diǎn)集中體現(xiàn)在：封裝密度高、電學(xué)性能優(yōu)良、散熱性能優(yōu)良、測試和篩選容易

 

 

      倒裝封裝技術(shù) FC（Flip－chip）通過芯片上呈陳列排布的凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)貼裝與引線鍵合工序的合二為一。由于與常規(guī)封裝中芯片的放置方向相反，故而稱為倒裝，主要優(yōu)點(diǎn)：高密度I／O數(shù)、電性能優(yōu)異、散熱良好

 

 

      WLP（晶圓級封裝）是對整片晶圓進(jìn)行封裝測試后再切割得到單個成品芯片的技術(shù)，封裝后的芯片尺寸與裸片完全一致，具備兩大優(yōu)勢：1）將芯片 I／O 分布在 IC 芯片的整個表面，使得芯片尺寸達(dá)到微型化極限。2）直接在晶圓片上對眾多芯片封裝、老化、測試，從而減少常規(guī)工藝流程，提高封裝效率

 

 

       WLP又經(jīng)歷了從Fan－in WLP（WLCSP）向Fan－out WLP（FOWLP）的演進(jìn)，F(xiàn)an－in WLP是在 wafer 未進(jìn)行切片前對 wafer 進(jìn)行封裝，之后再進(jìn)行切片分割，完成后的封裝大小和芯片尺寸接近

 

       Fan－Out WLP技術(shù)是先將芯片作切割分離，將芯片重新布局到一塊人工晶圓上，然后將芯片正面朝下黏于載具（Carrier）上，并且芯片間距要符合電路設(shè)計(jì)的節(jié)距（Pitch）規(guī)格，接著進(jìn)行封膠（Molding）后形成面板（Panel），后續(xù)將封膠面板與載具分離，可實(shí)現(xiàn)在芯片范圍外延伸RD以容納更多的I／O數(shù)

 

 

第四階段：21世紀(jì)，微電子封裝技術(shù)堆疊式封裝時(shí)代

     

         在封裝觀念上發(fā)生了革命性的變化，從原來的封裝元件概念演變成封裝系統(tǒng)，包括 SoC（System On Chip）、SiP（System In Packet）等

        SoC（System On Chip）是將原本不同功能的 IC，整合在一顆芯片中，不單可以縮小體積，還可以縮小不同 IC 間的距離，提升芯片的計(jì)算速度，制作方法是在 IC 設(shè)計(jì)階段時(shí)，將各個不同的 IC 放在一起，再透過先前介紹的設(shè)計(jì)流程，制作成一張光罩

 

 

       系統(tǒng)級封裝SiP（System in Package）將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等多功能芯片進(jìn)行并排或疊加，集成在一個封裝內(nèi)，從而用一塊“芯片”實(shí)現(xiàn)一個基本完整的功能，相比 SoC，SiP有以下兩個優(yōu)點(diǎn)，SiP 技術(shù)集成度更高，但研發(fā)周期反而更短，還能解決異質(zhì)（ Si，GaAs）集成問題，技術(shù)路線為2D 封裝（MCM等）→3D 封裝（TSV等），下面詳細(xì)介紹

 

 

         2D 封裝 MCM（多芯片組件）將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線基板上，省去了IC的封裝材料和工藝，大幅提高電路連線密度、“輕、薄、短、小”、可靠度提升

 

 

        3D封裝相當(dāng)于讓芯片在縱向上有了一個擴(kuò)展，把平房變成高樓，就可以在土地面積不變的情況下塞下更多的人，可以大幅度縮小尺寸、減輕重量、功耗等，技術(shù)路線為FC（引線倒裝鍵合）→POP（封裝體堆疊）→TSV（硅通孔）

 

 

 

        引線和倒裝（FC）鍵合式3D封裝是第一代3D封裝形式

 

 

       POP（package onpackage）是在底部元器件上再放置元器件

 

 

       硅通孔TSV（ThroughSilicon Via）是一種實(shí)現(xiàn)Die（晶粒）與Die垂直互連的技術(shù)，在芯片間或晶圓間制作垂直通道，實(shí)現(xiàn)芯片間垂直互聯(lián)，連線長度縮短到芯片厚度，傳輸距離減少到千分之一，可以顯著減小RC延遲，提高計(jì)算速度；顯著降低噪聲、能耗和成本，按照在芯片上鉆孔順序的先后可分為ViaFirst、Via Middle和ViaLast

 

 

十七、檢測

      50． 定義

              

       測試主要目的是保證芯片在惡劣環(huán)境下能完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格書所規(guī)定的功能及性能指標(biāo)，每一道測試都會產(chǎn)生一系列的測試數(shù)據(jù)，不僅可以判斷芯片性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)，是否可以進(jìn)入市場，而且能夠從測試結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)中充分、定量地反映出每顆芯片從結(jié)構(gòu)、功能到電氣特性的各種指標(biāo)，可有效提高芯片的成品率以及生產(chǎn)效率

       集成電路測試包括設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、晶圓制造階段的過程工藝檢測、封裝前的晶圓測試以及封裝后的成品測試，貫穿設(shè)計(jì)、制造、封裝以及應(yīng)用的全過程，在保證芯片性能、提高產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)效率方面具有重要作用

 

 

  51． 市場規(guī)模：中國 300 億

 

          根據(jù)臺灣工研院，IC專業(yè)測試成本約占到IC設(shè)計(jì)營收的6－8％，據(jù)此推算，國內(nèi)2017年IC專業(yè)測試的潛在市場規(guī)模在160億元左右，至2020年將有望達(dá)到300億元，年復(fù)合增速達(dá)24％

 

 

52． 技術(shù)：分類

 

       芯片測試主要分三大類：功能測試、性能測試、可靠性測試

             功能測試是測試芯片的參數(shù)、指標(biāo)、功能，用人話說就是看你十月懷胎生下來的寶貝是騾子是馬拉出來遛遛

             性能測試是由于芯片在生產(chǎn)制造過程中，有無數(shù)可能的引入缺陷的步驟，即使是同一批晶圓和封裝成品，芯片也各有好壞，所以需要進(jìn)行篩選，人話說就是雞蛋里挑石頭，把“石頭”芯片丟掉

             可靠性測試是芯片通過了功能與性能測試，得到了好的芯片，但是芯片會不會被冬天里最討厭的靜電弄壞，在雷雨天、三伏天、風(fēng)雪天能否正常工作，以及芯片能用一個月、一年還是十年等等，這些都要通過可靠性測試進(jìn)行評估

 

 

         測試方法包括板級測試、晶圓CP測試、封裝后成品FT測試、系統(tǒng)級SLT測試、可靠性測試等等，下面詳細(xì)介紹

 

 

53． 工藝：設(shè)計(jì)、前道、后道

       按半導(dǎo)體工藝，可分為設(shè)計(jì)驗(yàn)證、前道檢測、后道檢測

 

 

設(shè)計(jì)驗(yàn)證

 

      設(shè)計(jì)驗(yàn)證，又稱實(shí)驗(yàn)室測試或特性測試，是在芯片進(jìn)入量產(chǎn)之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，需要進(jìn)行功能測試和物理驗(yàn)證

 

      板級測試主要應(yīng)用于功能測試，使用PCB板＋芯片搭建一個“模擬”的芯片工作環(huán)境，把芯片的接口都引出，檢測芯片的功能，或者在各種嚴(yán)苛環(huán)境下看芯片能否正常工作。需要應(yīng)用的設(shè)備主要是儀器儀表，需要制作的主要是EVB評估板

 

 

前道量檢測

      前道量檢測工藝是提高產(chǎn)線良率、降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了代工廠的競爭能力，貫穿芯片制造環(huán)節(jié)始終，對加工制造過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，確保每一步加工后的產(chǎn)品均符合參數(shù)要求，根據(jù)測試目的可以細(xì)分為量測和檢測

 

 

      量測的主要作用在于“量”，即測定晶圓制造過程中薄膜厚度、膜應(yīng)力、摻雜濃度、關(guān)鍵尺寸、套刻精度等關(guān)鍵參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。對于一條正常運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)線來說，量測的結(jié)果應(yīng)該都是符合設(shè)計(jì)要求的，一旦出現(xiàn)量測結(jié)果持續(xù)偏離設(shè)計(jì)值的情況，就表明產(chǎn)線工藝出現(xiàn)了問題，需要進(jìn)行問題的排查

 

 

       檢測重點(diǎn)在于“檢”，即檢查生產(chǎn)過程中有無產(chǎn)生表面雜質(zhì)顆粒沾污、晶體圖案缺陷、機(jī)械劃傷等缺陷，晶圓缺陷可能會導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品在使用時(shí)發(fā)生漏電、斷電的情況，影響芯片的成品率，通過晶圓缺陷檢測來監(jiān)控工藝，可以減少產(chǎn)量損失， 提高工藝良率

 

 

后道檢測

       后道檢測工藝有效降低封裝成本，并確保出廠產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)工藝在封裝環(huán)節(jié)的前后順序，后道檢測可以分為 CP 測試和 FT 測試，通過 CP、FT 測試能夠?qū)υ撆萎a(chǎn)品進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)，確保合格產(chǎn)品進(jìn)入封裝環(huán)節(jié)或進(jìn)入市場， 并得出產(chǎn)品的良率進(jìn)行反饋

 

 

       CP晶圓測試【Chip Probing】又稱中測，顧名思義就是用探針【Probe】來扎Wafer上的芯片，把各類信號輸入進(jìn)芯片，把芯片輸出響應(yīng)抓取并進(jìn)行比較和計(jì)算，通過對代工完成后的晶圓進(jìn)行測試，目的是在劃片封裝前把壞的祼片（die）挑出來，以減少封裝和芯片成品測試成本，同時(shí)統(tǒng)計(jì)出晶圓上的管芯合格率、不合格管芯的確切位置和各類形式的合格率等，能直接反應(yīng)晶圓制造良率、檢驗(yàn)晶圓制造能力，需要應(yīng)用的設(shè)備主要是自動測試設(shè)備【ATE】＋探針臺【Prober】＋儀器儀表，需要制作的硬件是探針卡【Probe Card】

 

 

      FT芯片成品測試（Final Test）也稱終測，集成電路后道工序的劃片、鍵合、封裝及老化過程中都會損壞部分電路，所以在封裝、老化以后要按照測試規(guī)范對電路成品進(jìn)行全面的電路性能檢測，目的是挑選出合格的成品，根據(jù)器件性能的參數(shù)指標(biāo)分級，同時(shí)記錄各級的器件數(shù)和各種參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布情況，需要應(yīng)用的設(shè)備主要是自動測試設(shè)備【ATE】＋機(jī)械臂【Handler】＋儀器儀表，需要制作的硬件是測試板【Loadboard】＋測試插座【Socket】等

 

 

       SLT系統(tǒng)級測試常常作為成品FT測試的補(bǔ)充而存在，顧名思義就是在一個系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行測試，把芯片放到它正常工作的環(huán)境中運(yùn)行功能來檢測其好壞，缺點(diǎn)是只能覆蓋一部分的功能，覆蓋率較低所以一般是FT的補(bǔ)充手段。需要應(yīng)用的設(shè)備主要是機(jī)械臂【Handler】，需要制作的硬件是系統(tǒng)板【System Board】＋測試插座【Socket】

 

 

         可靠性測試針對芯片產(chǎn)品被置于嚴(yán)苛的溫度、濕度及壓力下測試，比如ESD靜電、高溫老化HTOL【High Temperature Operating Life】，HAST【Highly Accelerated Stress Test】等然后估算芯片壽命

 

 

十八、產(chǎn)業(yè)化

       54． 核心競爭力：規(guī)模經(jīng)濟(jì)、專業(yè)化

       封測和上游設(shè)計(jì)、晶圓加工緊密結(jié)合，需要同客戶進(jìn)行長時(shí)間的共同開發(fā)和磨合，結(jié)合客戶反饋才能不斷優(yōu)化封裝測試方案和工藝流程，形成較高的壁壘，同時(shí)對資本投入的要求高，規(guī)模是發(fā)展的前提，我們認(rèn)為具備市場開拓能力、獨(dú)立測試方案開發(fā)技術(shù)能力、資本運(yùn)作能力的IC封測公司更具發(fā)展?jié)摿?/p>

       封測行業(yè)具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)、高成本敏感性且驗(yàn)證周期長、客戶黏性強(qiáng)、企業(yè)細(xì)分度高的屬性，因此要想實(shí)現(xiàn)彼此利潤最大化，只有通過相互合并，利用彼此先進(jìn)技術(shù)以及整合優(yōu)質(zhì)客戶資源

 

 

        封測是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中相對人力密集的產(chǎn)業(yè)，勞動力成本是全球產(chǎn)業(yè)鏈分工過程中重要的比較優(yōu)勢來源

 

 

       測試專業(yè)化是大勢所趨，芯片設(shè)計(jì)趨向于多樣化和定制化，制程過程中的參數(shù)控制和缺陷檢測等要求越來越高，對應(yīng)的封測方案也多樣化，IC測試專業(yè)化的需求提升

55． 全球：臺灣第一，大陸第二

       2018 年全球前十大廠商合計(jì)市占率達(dá)到 80．9％，我國臺灣地區(qū)最為領(lǐng)先，日月光、矽品、力成、京元、欣邦分列第 1 名、第 4 名、第 5 名、第 9 名和第 10 名，大陸廠商長電科技、通富微電、華天科技分列第 3 名、第 6 名、第 7 名

 

 

日月光 ASE

       1984 年成立，是全球第一大半導(dǎo)體封測公司，在中國大陸的上海市、蘇州市、昆山市和威海市設(shè)有半導(dǎo)體封裝、測試、材料、電子廠

 

 

安靠 Amkor

       1968 年成立，2013 年 7 月收購東芝集團(tuán)旗下的全資子公司東芝電子，2014 年上海工廠占全球 1／3，可提供近千種封裝方式和尺寸，全球第二

 

 

矽品 SPIL

       SPIL 矽品（SiliconwarePrecision Industries）1984 年成立，總部位于臺中，是世界第四大封裝測試廠，2002 年成立蘇州公司

 

 

力成

      1997 成立于中國臺灣，大陸蘇州工廠，全球第五，其中存儲產(chǎn)品第一

 

 

56． 中國：長電、微電、華天三大巨頭

       2014 年開始，我國企業(yè)跨國并購頻繁，長電科技收購全球第四大新加坡封測廠星科金朋，華天科技收購美國 FCI，通富微電收購 AMD 蘇州和檳城封測廠，晶方科技購入英飛凌智瑞達(dá)部分資產(chǎn)，國內(nèi)封測企業(yè)借助海外并購，行業(yè)競爭力顯著提升，龍頭封測企業(yè)的封裝技術(shù)已經(jīng)達(dá)國際先進(jìn)水平

 

 

長電科技 JECT

       1972 年成立，2003 年上市，2015 年跨境并購星科金朋，2018 年排名全球第三

 

 

通富微電 TF

       2016 年收購?fù)瓿?nbsp;AMD 蘇州工廠、檳城工廠，2018 年排名全球第六

 

 

華天科技

      以天水為基地，華天西安和華天昆山為前沿，2015 年收購?fù)瓿擅绹?nbsp;FCI ，2018 年排名全球第七