高端IC封装技术的几种主要类型

电路

刘劲松

(爱立发自动设备(上海)有限公司

摘要：在IC制造技术中的后道工序的封装技术，在2001年后的高端IC制造中，突显非常重要的地位。从64K DRAM到CPU—奔4芯片的封装都在其中。本文，结合笔者在日本大学、研究所和公司的研究工作经历，对高端IC封装的最主要几种类型的设备作一一阐述。进入2002年，随着液晶显示器TFT—LCD的流行，液晶Cell的IC Driver芯片贴付机开始畅销，本文也对这一在中国刚刚开始使用的设备作一介绍。
关键词：晶圆；IC封装；IC制造；标识
1 IC制造技术概述
简单地说，一支芯片的制造要经历图纸设计(Fabless)和实物制造(Foundry & Packaging)两个过程。实物的制造分为前工程和后工程两个阶段。前工程是指在晶圆(Wafer)上作出设计要求的逻辑电路芯片的所有过程。后工程是指把带有逻辑电路的晶圆做成一个个独立的芯片的所有过程。世界半导体界有这样的共识：尽管前工程投资巨大，核心技术集中，但全球不过十几个大厂，技术更新缓慢。而后工程，特别是封装领域，可以说技术更新快，厂商多，竞争激烈。也正是由于IC封装技术的不断进步，才使诸如数字摄像机、数字照相机、C3手机得以迅猛发展。
IC封装工艺是后工程中最具变化和发展迅速的领域。IC封装又分为低端IC封装和高端IC封装。低端IC封装在中国已发展多年，目前中国大陆也是世界低端IC的最大生产基地。但由于附加值太低，没有多少利润。作为高端IC的封装，自2002年在大陆独资和合资企业中已开始使用。特别是2002年5月Intel上海公司宣布P4CPU芯片在上海封装，意味着在中国大陆已有世界上最先进的封装设备在运转。
本文要介绍目前已在国际上广泛使用和预计将要广泛使用的五大类高端IC封装设备。它们分别是：(1)TAB Potting System；(2)BGA,CSP Ball Mounting System；(3)Flip-Chip Bonding System；(4)TAB Marking System；(5)TFT-LCD Cell Bonding System。
下面逐项介绍这些设备的原理和技术。
2 TAB Potting System
下图是这一系统的照片，其中技术核心是标识Main的部分。

这种封装形式的发展最早是从BP寻呼机的小尺寸液晶显示驱动IC的涂布方式而来，目前广泛应用在手机液晶显示驱动IC和PC用液晶显示驱动IC的封装。这种设备的控制软件由一个小组完成，笔者参加过其中涂布运动路径控制软件模块的制作。该装置的Specifications如图2所示。

3 BGA,CSP Ball Mounting System
这一装置如图3所宗，它由三个独立的工程组成，分别为：印刷工：程、搭载工程、检查工程。

这种设备在***称作植球机，笔者在***TI公司作这一装置的技术指导时看到，目前TI公司的DSP芯片几乎全是使用这种设备植球。这种设备可以用在P—BGA、T—BGA及从2001年底开始流行的CSP等封装形式上。在2002年3月访问Intel上海时看到，他们从美国公司引进这一设备作为生产CPU—P4的植球机，该装置的Specifications如图4所示。

针对日本国内G3手机的蓬勃发展和世界PDA机种的小尺寸高容量化，在这类封装中又衍生出Micro Ball Mounting System(图5)。

4 Flip-Chip Bonding System
Flip-Chip封装是一门古老的封装技术，诞生在1960年IBM公司，国内称作倒装焊技术。进入2000年后，由于专用系统集成芯片的高速发展，这种带有研究性质的封装形式得以兴起和推广。这类装置分为Manual—手动机和Auto—自动机。Manual机是专门为研究机构和大学设计的实验研究用机型。图6所示的Manual机CB—501，由于价格低，专业功能强，在日本著名半导体大公司的研究所几乎都有配备。图7是它的Specifications。该装置的软件是笔者制作的。

显然Auto机是针对工厂批量生产而设计的，该装置正处于开发完善阶段。我参加了其中技术要素的开发——定位精度0．1μm的直线电机控制技术。已在2003年中推向日美市场，其关键技术在于Bonding头的平坦度控制技术和直线电机的重复定位稳定性。
5 TAB Marking System
从字面翻译，这种设备叫做TAB芯片打码机。按照使用材料不同，分为ink打码机和激光打码机。这种设备的核心技术是打印头，日本厂商的ink和Laser打印头是业界公认品质上流的。该设备在原理上没有新的地方，买来标识系统后，在机构上为其配套，但其传送机构的稳定性要求很高。由于涉及不到任何专利权限，我国***和韩国的几家企业都有生产。2000年IC制造业最繁荣时，***的几乎所有芯片封装厂都引进数套该设备。
6 TFT-LCD Cell Bonding System
在PC领域，由液晶显示器取代CRT是趋势。从2001年后期开始的TFT-LCD制造高潮延续至今。特别是***企业潮水般在祖国大陆的投资建厂，使这一领域设备市场持续增长。在TFT-LCD的实装线上，主要被日立和松下等大公司所垄断。笔者在我国***省参观其液晶大厂时看到，像日立等大公司制造的价值2亿日元的实装线确实有know-how。为了提高TFT-LCD制造成品率和降低制造成本，实装后的Repair设备倍受欢迎。在Repair机台中大致分为三类：ACF贴付机、OLB贴付机、PWB贴付机。由这三种机器可以完成一片液晶Cell的驱动IC的全部贴付工序。图8、9、10为这三类装置的照片。笔者于2002年6月结束的在我国江苏省某台资公司完成的技术指导培训就是针对上述三类装置。其中PWB贴付机的控制软件也是笔者完成的。

总结
随着IC制造业的不断发展，特别是多品种、少批量的IC需求越来越多，新开发的IC封装形式还会不断出现。因此，针对新的封装形式而出现的封装设备也会不断涌现。上述的五类设备并不是高端IC封装技术的全部，但确是主要的部分。随着市场对IC的更高需求，还会出现更新的封装设备，但新的封装形式和设备不是凭空而来的，是在前一代封装形式的基础上而被发明出来的。
因此，针对中国市场开发需要的高端IC封装技术和设备是摆在中国机电一体化学科学者们面前的紧迫课题。“半导体技术是工业的粮食”是世界产业界共识，中国工业不能没有半导体技术就象中国不能缺吃少粮一样。而且，我们要自己种粮吃，我们要研制出更多的国产半导体设备以替代进口产品。

本文摘自《集成电路应用》

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