先進(jìn)制程發(fā)展?jié)摿选≡O(shè)備/材料商競相出擊
半導(dǎo)體先進(jìn)制程發(fā)展持續(xù)升溫,相關(guān)封裝、材料及設(shè)備需求也跟著水漲船高。為因應(yīng)先進(jìn)制程技術(shù)發(fā)展趨勢,半導(dǎo)體業(yè)者紛紛祭出新型機(jī)臺、設(shè)備或化學(xué)材料解決方案,藉以強(qiáng)化自身競爭優(yōu)勢,并搶占龐大的先進(jìn)制程需求大餅。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201610/310775.htm2016 年Semicon Taiwan展的攤位數(shù)量達(dá)一千六百個攤位,預(yù)估參觀人數(shù)則上看4.3萬人,展會規(guī)模將創(chuàng)歷年之最。從本次Semicon Taiwan展會盛況可看出,整體而言,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來仍具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?,特別是10奈米以下先進(jìn)制程,更是推動半導(dǎo)體材料、設(shè)備需求的關(guān)鍵因素。 為滿足先進(jìn)制程技術(shù)研發(fā)需求,半導(dǎo)體業(yè)者無不積極推出各式創(chuàng)新產(chǎn)品及解決方案,搶占市場商機(jī)。
扇出封裝技術(shù)向下滲透有譜
扇 出封裝技術(shù)(Fan-out)依舊為本屆Semicon Taiwan展的焦點(diǎn)。扇出封裝具備超薄、高I/O腳數(shù)等優(yōu)勢,是行動應(yīng)用處理器非常理想的封裝技術(shù)選擇,但其成本較高也是不爭的事實(shí)。所幸終端產(chǎn)品追求 輕薄短小與多功能整合的趨勢幾乎擴(kuò)散到電子業(yè)內(nèi)的每個次領(lǐng)域,未來系統(tǒng)封裝(SiP)可望成為扇出技術(shù)向下滲透的開路先鋒。
矽 品工程中心資深處長藍(lán)章益(圖1)表示,目前半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用有四大熱門領(lǐng)域,分別是網(wǎng)路通訊、智慧型手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)/穿戴式裝置與汽車電子。就晶片封裝的 角度來看,除了網(wǎng)路通訊以及汽車動力總成(Powertrain)相關(guān)晶片有其特殊需求,在可預(yù)見的未來還會走自己的路之外,鎖定其他應(yīng)用領(lǐng)域的晶片都跟 手機(jī)晶片越來越像。
整體來說,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的趨勢一直是晶片越做越小,但性能跟功能卻要不斷增加。
從封裝的角度來看,這其實(shí)是有矛盾的,因?yàn)榫娣e縮小后,能夠放置I/O的面積也會跟著縮小,但更強(qiáng)的運(yùn)算效能與多功能整合,卻會增加I/O的數(shù)量。因此,封裝技術(shù)勢必會遇到I/O密度難以進(jìn)一步提升的瓶頸,而扇出技術(shù)就是解決這個問題的方法。
不 過,目前最新的扇出封裝技術(shù)不只是I/O擴(kuò)展而已,同時還以高分子聚合物薄膜來取代傳統(tǒng)IC封裝基板,使封裝厚度大幅降低。因此,精確地說,目前業(yè)界 討論最熱烈的扇出封裝,應(yīng)該稱為模塑化合物晶圓級晶片封裝(Mold Compound WLCSP, mWLCSP),其裸晶跟聚合物薄膜外面會有一層黑膠體來保護(hù)脆弱的內(nèi)層結(jié)構(gòu)。
藍(lán)章益指出,為了減少封裝厚度而改用高分子聚合物薄 膜,對晶片封裝制程來說造成很大的挑戰(zhàn),因?yàn)槁憔г诜庋b前都會經(jīng)過研磨,已經(jīng)相當(dāng)柔軟而脆弱,高分子聚合物薄膜本身又容易翹曲變形,因此可靠度構(gòu)成相當(dāng)大 的挑戰(zhàn)。不過,目前業(yè)界已經(jīng)找到合適的材料與加工方法,可以確保封裝可靠度,還可以進(jìn)一步在薄膜上嵌入被動元件,實(shí)現(xiàn)更高的整合度。
整 體來說,扇出技術(shù)的進(jìn)展會對整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈造成相當(dāng)大的影響。首當(dāng)其沖的就是IC載板廠商,因?yàn)樯瘸黾夹g(shù)已經(jīng)不用傳統(tǒng)IC載板了;其次則是被動元件業(yè) 者,為了滿足嵌入封裝內(nèi)的需求,相關(guān)業(yè)者必須進(jìn)一步把被動元件縮小到微米尺度,而且還要具備足夠的容值/阻值,這部分料將牽涉到被動元件材料的研發(fā)及突 破。
由于導(dǎo)入大量新技術(shù)跟新材料,扇出封裝雖然有更輕薄短小、可支援更高I/O數(shù)量等優(yōu)勢,但成本也會跟著墊高。因此,高階、高單價(jià),需要大量I/O的晶片,較有機(jī)會優(yōu)先采用扇出封裝,例如應(yīng)用處理器。
然而,對專業(yè)封裝廠來說,這種機(jī)會大多會被晶圓代工廠捷足先登,因此相關(guān)業(yè)者必須要找出其他具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用,才能開拓自家的扇出封裝業(yè)務(wù)。而其中最有潛力的就是SiP應(yīng)用。
藍(lán)章益分析,SiP是高度客制化的封裝產(chǎn)品,利潤空間較高,因此對封裝廠來說,針對SiP客戶推廣扇出封裝業(yè)務(wù),投資回收的速度會比較快。另一方面,SiP封裝采用扇出技術(shù),能夠?yàn)榭蛻魩淼男б嬉哺黠@,例如封裝厚度大幅縮減。
因此,SiP對專業(yè)封測廠來說,是發(fā)展扇出封裝業(yè)務(wù)項(xiàng)目的主要機(jī)會所在。這類產(chǎn)品的單價(jià)雖不如高階處理器,但仍有數(shù)美元水準(zhǔn),而且客戶也比較容易看到扇出技術(shù)所能帶來的效益,接受度較高。目前矽品已經(jīng)有扇出SiP專案正在進(jìn)行中,預(yù)計(jì)2017年將能開花結(jié)果。
SiP封裝日益復(fù)雜 機(jī)臺設(shè)計(jì)學(xué)問大
承上所述,電子零件微型化與低價(jià)化是整個產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的趨勢。為了在更小、更薄的封裝尺寸內(nèi)整合更多功能,封裝設(shè)備商必須提供更高精度的解決方案給客戶,同時還必須設(shè)法幫客戶提高生產(chǎn)效率,以降低成本。
Kulicke&Soffa(K&S) 先進(jìn)封裝事業(yè)部門資深產(chǎn)品行銷經(jīng)理Patrick Huberts(圖2)表示,封裝尺寸的微型化是整個封裝產(chǎn)業(yè)持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)。因此,系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)在過去幾年已經(jīng)有非常明顯的進(jìn)展,利用嵌入式 被動元件(Embedded Passive)技術(shù)把被動元件跟裸晶(Die)整合在同一顆晶片封裝內(nèi)的案例可說比比皆是。
但封裝業(yè)者并未就此停下腳步,隨著扇出型晶圓級封裝(FO-WLP)技術(shù)取得重大進(jìn)展,未來晶片封裝將不會再使用傳統(tǒng)晶片載板,以便進(jìn)一步縮小晶片封裝的厚度。
不 過,隨著封裝厚度越來越薄,許多物理上的問題也跟著開始出現(xiàn)。從封裝機(jī)臺的角度來看,其所處理的被動元件、裸晶等元件的厚度只會越來越薄,同時也變得更加 脆弱,在取放時的力道控制必須非常小心,否則元件會因?yàn)橥饬_擊而受損。據(jù)統(tǒng)計(jì),在封裝過程中導(dǎo)致元件損毀的頭號殺手,就是元件取放的力道控制不當(dāng),而且 有時候這個問題不會立刻浮現(xiàn),要等到晶片封裝進(jìn)入更后段制程時,才會慢慢被察覺出來。
除了元件變得更薄、更脆弱之外,元件的尺寸也變得越來越小,使得機(jī)臺在處理這些元件時,必須具備更高的精度。舉例來說,未來的嵌入式被動元件尺寸將縮小成0201m,相當(dāng)于0.25×0.125mm。
上述兩大發(fā)展趨勢對機(jī)臺的設(shè)計(jì)是很大的考驗(yàn),一來元件必須小心翼翼地取放,機(jī)械手臂的動作速度不能太快,但又必須設(shè)法兼顧機(jī)臺的吞吐量,否則會拖累生產(chǎn)效率,增加封裝業(yè)者的生產(chǎn)成本。
為了同時滿足小心取放與高速量產(chǎn)的需求,K&S除了運(yùn)動控制方面下了許多功夫,以便將取放元件的力道控制壓低到0.3牛頓(N),并把貼裝精度提高到7微米以下外,還采用平行處理與模組化的概念來開發(fā)下一代機(jī)臺。
滿足創(chuàng)新設(shè)計(jì) 旋涂式介電材料受青睞
半導(dǎo)體晶片越做越小,性能跟功能需求不斷增加,因應(yīng)此一趨勢,除封裝技術(shù)須持續(xù)精進(jìn)之外,新材料的需求也日與遽增。默克全球IC材料事業(yè)處資深副總裁 Rico Wiedenbruch(圖3)表示,電晶體尺寸不斷縮小,使得晶片的效能與功耗得以持續(xù)改善,同時也讓晶片設(shè)計(jì)者可以在單一晶片上不斷添加更多功能。不 過,電晶體越做越小,也帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn),例如填隙與絕緣,就是許多半導(dǎo)體業(yè)者所面臨的主要挑戰(zhàn),且往往要靠材料技術(shù)的創(chuàng)新才能突破。
為此,近年來默克持續(xù)加碼布局半導(dǎo)體材料市場,并陸續(xù)推出一系列完整的半導(dǎo)體制程材料解決方案,以協(xié)助半導(dǎo)體業(yè)者克服電晶體微縮的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中,旋涂式介電材料因具備許多優(yōu)異的特性,因此推出后已廣獲邏輯、記憶體等晶片制造商采用。
旋涂式介電材料(Spin on dielectric, SOD)擁有絕佳的填洞能力及局部平坦化效果,其所形成的薄膜也具備更好的特性。該材料可填進(jìn)很微小的空隙里,并且能在空隙中形成極薄的絕緣層,不但可提 供客戶更廣的制程操作范圍,還可以為客戶帶來降低設(shè)備成本的優(yōu)勢。
除了旋涂式介電材料外,默克還針對其他半導(dǎo)體制程需求開發(fā)出專用解 決方案,協(xié)助顧客面對挑戰(zhàn)。其IC材料事業(yè)處的其他IC材料產(chǎn)品還包括頂部抗反射材料(TARC)、防塌濕潤劑(Rinse)、方向性排列材料 (Directed Self Assembly, DSA)、沉積材料(Atomic Layer Deposition, ALD)、導(dǎo)電膠(Conductive Paste)等。
先進(jìn)制程凈化需求增 新型清潔溶液亮相
隨著現(xiàn)今半導(dǎo)體先進(jìn)制程愈加復(fù)雜,其清潔度、可靠度要求也越來越嚴(yán)苛,特別是在10奈米以下先進(jìn)制程,更是帶動過濾、凈化市場需求增加。
看好此一商機(jī),英特格(Entegris)宣布推出適用于半導(dǎo)體制程的新型后化學(xué)機(jī)械研磨(post-CMP)清潔溶液--PlanarClean AG,此系列產(chǎn)品是專為10奈米以下制程所設(shè)計(jì),滿足先進(jìn)制程晶圓清洗需求,且不會損壞高階薄膜或新材料。
Entegris總裁兼執(zhí)行長Bertrand Loy(圖4)表示,半導(dǎo)體制程日益復(fù)雜,尺寸也愈來愈小,只要出現(xiàn)任何微小雜質(zhì),即便只是一?;覊m,都可以將產(chǎn)品毀掉。 因此,晶圓廠必須導(dǎo)入效能更強(qiáng)的過濾、凈化產(chǎn)品,確保半導(dǎo)體晶圓不受污染,才能提升生產(chǎn)良率。
據(jù) 悉,在先進(jìn)高階制程的清潔步驟當(dāng)中,外露薄膜及材料的數(shù)量和類型改變,更凸顯出特調(diào)清潔溶液的必要性。此外,研磨液顆粒的改變使得許多傳統(tǒng)的post- CMP清潔溶液在用于先進(jìn)制程時,顯得效率低落或毫無效果,尤其以前端制程(FEOL)最為明顯。這些難題促使半導(dǎo)體制造商開始選擇經(jīng)過特別調(diào)配的清潔溶 液,舍棄一般標(biāo)準(zhǔn)型清潔溶液。
PlanarClean AG調(diào)配溶液符合這些需求,在銅、鈷和鎢等高階制程中展現(xiàn)一步到位的優(yōu)異清潔效果,還能保護(hù)底層的薄膜和物質(zhì)。專利配方有助于提升可靠度和產(chǎn)量、達(dá)到零腐 蝕及零污染。此外,該溶液也能減少清潔步驟所需的化學(xué)品用量,進(jìn)而發(fā)揮降低成本的優(yōu)勢。目前該溶液已經(jīng)量產(chǎn)上市,并獲得多家半導(dǎo)體廠采用。
Loy 進(jìn)一步指出,半導(dǎo)體先進(jìn)制程致力提升晶片性能及縮小體積,除可靠設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)之外,另一種方式便是選用全新的材料,如三五族化合物。此外,目前元素周期表 中,已有超過四十五種元素應(yīng)用在半導(dǎo)體制程,比過去大幅增加。因此,半導(dǎo)體制程采用新材料,顯然是產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,對于英特格這類材料供應(yīng)商而言,市場成長 空間也越來越大。
半導(dǎo)體廠設(shè)備投資飆高氣體安全監(jiān)測更形重要
另一方面,半導(dǎo)體制程日漸精密,連帶使得晶圓廠的軟 硬體投資金額連年飆高,廠房安全監(jiān)控的重要性也與日俱增。為了進(jìn)一步保障廠區(qū)作業(yè)人員與設(shè)備的安全,漢威聯(lián)合(Honeywell)推出一系列在半導(dǎo)體產(chǎn) 業(yè)創(chuàng)新的安全檢測和個人防護(hù)一體化解決方案,可有效協(xié)助半導(dǎo)體廠房進(jìn)行安全監(jiān)測,并強(qiáng)化企業(yè)整體風(fēng)險(xiǎn)管控能力。
Honeywell 探測器產(chǎn)品事業(yè)處臺灣區(qū)總經(jīng)理彭寶展(圖5)表示,隨著半導(dǎo)體制程不斷微縮,先進(jìn)制程所使用的化學(xué)氣體強(qiáng)度越來越強(qiáng),甚至導(dǎo)入新氣體。然而,半導(dǎo)體制程所 使用的氣體中,有許多有毒或高易燃性的危險(xiǎn)氣體,須嚴(yán)密監(jiān)測方可確保作業(yè)人員健康,并協(xié)助半導(dǎo)體廠強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)控管,降低生命財(cái)產(chǎn)發(fā)生意外損失的風(fēng)險(xiǎn)。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)安全檢測及個人防護(hù)解決方案更注重設(shè)備的穩(wěn)定、可靠、精確,因?yàn)橐坏┌l(fā)生安全事故,將給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來無法彌補(bǔ)的人員安全傷害及財(cái)產(chǎn)損失,特別是在先進(jìn)制程設(shè)備越來越昂貴的情況下,廠區(qū)一旦發(fā)生事故,將造成更大的損失。
為 滿足精確度越來越高的氣體偵測需求,漢威聯(lián)合為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)日常生產(chǎn)環(huán)境、晶圓生產(chǎn)區(qū)域、實(shí)驗(yàn)室等場所設(shè)計(jì)固定式氣體監(jiān)控系統(tǒng)。如最新升級版的 ACM150Plus傅立葉紅外線(FTIR)光譜氣體監(jiān)測儀,可檢測多達(dá)六十個點(diǎn),檢測距離達(dá)230公尺,與舊版本相比提供更多采樣點(diǎn),單點(diǎn)成本更 低。
彭寶展指出,一般氣體偵測器若不夠精準(zhǔn),除無法正確偵測出現(xiàn)場氣體變化之外,有時還會發(fā)生誤警報(bào)的情況。為提升氣體偵測的準(zhǔn)確 度,ACM150Plus傅立葉紅外線光譜氣體監(jiān)測儀采用光譜辦別技術(shù)。每種氣體都有其特定的光譜特性,就像指紋一樣,因此這款監(jiān)測儀的氣體偵測準(zhǔn)確性相 對較高,也不會出現(xiàn)誤判或是發(fā)出錯誤警報(bào)。
除傅立葉紅外線光譜氣體監(jiān)測儀外,漢威聯(lián)合還具備Vertex化學(xué)紙帶氣體監(jiān)測儀,可進(jìn)行ppb(十億分之一)級別氣體檢測,當(dāng)有氣體泄漏時,紙帶便會變色。
檢測點(diǎn)多達(dá)七十二個,為用戶提供更豐富的布點(diǎn)選擇,從而進(jìn)行更有效的監(jiān)測;而該產(chǎn)品紙帶材料及監(jiān)測儀上的光學(xué)讀取頭,都是漢威聯(lián)合的獨(dú)有材料和技術(shù),競爭對手難以研發(fā)出性質(zhì)相似的產(chǎn)品,使該公司在激烈的市場競爭之中,具備一定的優(yōu)勢。
前后段聯(lián)手3D化 摩爾定律還有好戲唱
小 體積高性能的晶片已成必然發(fā)展趨勢,也使得屹立已久的摩爾定律還能走多遠(yuǎn),近年來一直雜音不斷。但臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事長盧超群認(rèn)為,在前段電晶體制程 進(jìn)入3D世代,加上后段封裝堆疊技術(shù)迭有突破的情況下,電晶體閘極線寬即便無法越做越小,單位面積內(nèi)的電晶體密度還是可以持續(xù)成長,功能整合的腳步也不會 停歇。
盧超群指出,近年來摩爾定律能否在合乎投資報(bào)酬率的前提下繼續(xù)發(fā)展,一直是半導(dǎo)體業(yè)界非常關(guān)注的話題。雖然唱衰摩爾定律的聲音不斷,但是臺灣的半導(dǎo)體業(yè)者非常努力,在前后段制程都有重大突破,因此摩爾定律將有機(jī)會以另一種形式繼續(xù)走下去。
盧 超群指出,在平面電晶體時代,為了實(shí)現(xiàn)摩爾定律,每一個新世代的閘極線寬原則上會是前一代的0.7倍。但在3D電晶體世代,線寬微縮的程度可以大幅放緩, 一樣能達(dá)成電晶體密度倍增的目標(biāo)。事實(shí)上,在幾個月后的亞洲固態(tài)電路研討會(ASSCC)上,他將發(fā)表一篇論文,預(yù)估在3D電晶體世代,每一代制程的線寬 微縮系數(shù)大概只要在0.85~0.93之間,單位面積的電晶體密度就有機(jī)會翻倍。
除了前段電晶體制程外,后段晶片封裝技術(shù)也迭有突 破,為晶片功能整合添加新的動能。包含多晶片封裝(MCP)、系統(tǒng)封裝(SiP)與晶圓級整合式扇出封裝(InFO WLP)等封裝技術(shù),都具備在單一晶片封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度異質(zhì)整合的能力,讓晶片在體積不變的情況下,具備更多元的功能。
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