半導體製程是被用於製造晶片,從一開始晶圓加工,到晶片封裝測試,直到出貨,這篇簡單介紹半導體製造的相關基本知識。

體系架構

下圖為典型的半導體產業體系架構:

                                                            ┌───────────────────┐
                                                            │ Connector         │
                                                            │ Manufacture       │
                                                            └─────┬─────────────┘
                                                                  │
                                                                  │
                                                                  ▼
┌─────────────┐   ┌───────────────────┐    ┌────────────┐   ┌───────────────────┐
│ Lead-frame  ├──►│ IC Packaging      ├──► │ IC Testing ├──►│ IC Assembly       │
│ Manufacture │   └───────────────────┘    └────────────┘   └───────────────────┘
└─────────────┘        ▲                                          ▲
                       │                                          │
                       │                                          │
                       │                                          │
┌─────────────┐   ┌────┴──────────────┐                     ┌─────┴─────────────┐
│ Photo Mask  ├──►│ Wafer Fabrication │                     │ Board Manufacture │
└─────────────┘   └───────────────────┘                     └───────────────────┘
     ▲                 ▲
     │                 │
┌────┴────────┐   ┌────┴──────────────┐
│ IC Design   │   │ Wafer Manufacture │
└─────────────┘   └───────────────────┘
     ▲                 ▲
     │                 │
┌────┴────────┐   ┌────┴──────────────┐
│ CAD/CAM     │   │ Material          │
└─────────────┘   └───────────────────┘

半導體製造,也就是一般所稱的晶圓加工(Wafer Fabrication),是資金與技術最為密集之處。

晶圓加工的上游包括 IC 產品設計(IC Design)、晶圓製造(Wafer Manufacture)等。

下游可簡單分成兩類,第一類是半導體後段製程(Back-end Processes)的 IC 封裝(Packaging)、測試(Testing)、包裝(Assembly),第二類是週邊的導線架製造(Lead-frame manufacture)、連接器製造(Connector manufacture)、電路板製造(Board manufacture)等。

IC 產品設計(IC Design)

數位積體電路 (Digital IC) 的設計可以分為系統設計、邏輯設計、實體設計三大部分,實體設計完成後會得到光罩圖形,光罩製作完成後再送進晶圓廠製作晶片 (Chip),最後再送進封裝與測試廠,經過封裝與測試就成為可以銷售的積體電路 (IC) 。

下圖為典型的 IC 設計的流程與相關公司:

                                    ┌──────────────────────┐    ──┐
                   ┌──          ┌── │  SPEC.               │      │ EDA Company
 Design House      │            │   └┬─────────────────────┘      │ provide IC design software
  * MediaTek       │            │    │                            │  * Cadence
  * Novatek        │            │    ▼                            │  * Synopsys
  * Realtek        │            │   ┌──────────────────────┐      │  * Siemens
  * Faraday        │  Front-end │   │  RTL Code            │      │
                   │            │   └┬─────────────────────┘      │
                   │            │    │ Pre-sim                    │
                   │            │    ▼ Synthesis                  │
                   │            │   ┌──────────────────────┐      │
                   │            └── │  Gate Level Netlist  │      │
                   │            ┌── │                      │      │
                   │            │   └┬─────────────────────┘      │
                   │            │    │ Plcaement                  │
                   │            │    ▼ Routing                    │
                   │   Back-end │   ┌──────────────────────┐      │
                   │            │   │  Layout              │      │
                   │            │   └┬─────────────────────┘      │
                   │            │    │ Post-sim & Verification    │
                   └──          └──  │ Tape-out                   │
 Forndry           ────────────────  │ Fabrication                │
  * TSMC                             │                            │
  * UMC                              │                            │
                                     │                            │
 Assembly & Test   ────────────────  ▼ Packaging & Testing        │
  * Siliconware                     ┌──────────────────────┐      │
  * ASE Group                       │  Chip                │      │
                                    └──────────────────────┘    ──┘

在 Tape-out 之前都還算是設計階段,所以是交給 Design House 進行設計,這階段每家公司擅長的領域各自不同,而 Tape-out 之後則是將完全沒有問題的 IC 設計圖交給 IC 製造公司進行生產。

晶圓製造(Wafer Manufacture)

主要流程:

長晶 > 切片 > 邊緣研磨 > 研磨與蝕刻 > 退火 > 拋光 > 洗淨 > 檢驗 > 包裝

製造過程是將矽石(Silica)或矽酸鹽 (Silicate),放入爐中熔解提煉,再以一塊單晶矽為「晶種」,讓融化的矽沾附在晶種上,以邊拉邊旋轉方式抽離,形成與晶種相同排列的結晶。

隨著晶種的旋轉上升,沾附的矽愈多,並且被拉引成表面粗糙的圓柱狀結晶棒。其中,拉引及旋轉的速度愈慢,則沾附的矽結晶時間愈久,結晶棒的直徑愈大,反之則愈小。

經過工業級鑽石磨具的加工,磨成平滑的圓柱並切除頭尾兩端錐狀段,接著再切成片狀的晶圓(Wafer)。

後續還需要進行多項動作,使晶片的阻質穩定,使晶片達到可進行晶片加工的狀態。

晶圓處理製程

在表面形成一層二氧化矽層等化學堆積流程,然後進行微影(Lithography)的製程,將光罩上的圖案移轉到晶圓上,接著利用蝕刻技術將電路圖製作出來。

根據製程的需要,FAB 廠內通常可分為四大區:

  1. 黃光
  2. 蝕刻
  3. 擴散
  4. 真空

晶圓針測

晶圓針測(Chip Probing)的目的是要對晶片做電性功能上的測試,使 IC 在進入封裝前,先過濾出電性功能不良的晶片,以避免因為不良品而增加製造成本上升。

這個階段主要有以下項目

  • 晶圓針測並作產品分類(Sorting),檢測不良品
  • 雷射修補(Laser Repairing),盡可能修復不良品
  • 加溫烘烤(Baking),主要在清理晶圓表面

封裝製程

電子封裝(electronic packaging),是指電子產品生產的過程中,將各種電子元件,依產品需要進行組裝、連接的製程。

例如,將晶圓中每一顆 IC 晶粒(die)獨立分離,並外接信號線至導線架上並加以包覆。

在 IC 晶片「輕、薄、短、小、高功能」的要求下,亦使得封裝技術需要不斷演進,以符合電子產品的需要。

封裝的目的主要有:

  • 電力傳送
  • 訊號輸送
  • 熱的去除
  • 電路保護
  • 包裝成美觀的外表
  • 提供安全的使用及簡便的操作環境

封裝的材料主要可分為塑膠(plastic)、陶瓷(ceramic)和金屬三種,封裝材質要注意散熱和絕緣能力,目前商業應用以塑膠封裝為主。

以散熱能力來說,塑膠最差,金屬最好,但金屬會導電,因此金屬封裝材質會搭配塑膠來包裝晶片。

陶瓷封裝成本高,組裝不易自動化,反觀塑膠封裝的品質及技術不斷提升,因此已盡量避免使用陶瓷封裝,但陶瓷封裝有極佳的散熱能力、可靠度及氣密性,並可提供高輸出入接腳數,因此高功率及高可靠度的產品,如 CPU、航太、軍事等產品,仍會採用陶瓷封裝。

其步驟依序如下:

  1. 晶圓切割 die saw
  2. 黏晶 die mount/die bond
  3. 銲線 wire bond
  4. 封膠 mold
  5. 剪切/成形 trim/form
  6. 印字 mark
  7. 電鍍 plating
  8. 檢驗 inspection

晶片的需求已經開始走向小晶片(Chiplet)的發展,例如 SoC,封裝技術也開始要做到晶圓級的封裝,因此晶圓廠也開始要自己發展封裝技術。小晶片的封裝上,會使用矽中介板和矽穿孔技術,將多個小晶片封裝在一起。https://www.youtube.com/watch?v=VziahpzrZPo

電子封裝型態

IC 封裝型態可以區分為兩類,一為引腳插入型(Pin Through Hole, PTH),另一為表面黏著型(Surface Mount Technology, SMT)。

  • 引腳插入型,就是必須利用插件的方式將該顆 IC 插入,與印刷電路板結合
  • 表面黏著技術,將電子零件快速的焊接於基板上,並維持零件與基板間電路的連接通暢

常見的外觀及相關應用請見下圖 :

封裝名稱 常見應用產品
Single In-Line Package(SIP) Power Transistor
Dual In-Line Package(DIP) SRAM, ROM, EPROM, EEPROM, FLASH, Microcontroller
Zig-Zag In-Line Package(ZIP) DRAM, SRAM
Small Outline Package(SOP) Linear, Logic, DRAM, SRAM
Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC) 256K DRAM, ROM, SRAM, EPROM, EEPROM, FLASH, Microcontroller
Small Outline Package(SOJ) DRAM, SRAM, EPROM, EEPROM, FLASH
Quad Flat Package (QFP) Microprocessor
Pin Grid Array (PGA) Microprocessor

不同的 IC 產品,應其功能 I/O 數的需求及散熱、按裝等考量,會搭配不同的包裝型式

測試製程

測試製程是於 IC 封裝後,測試產品的電性功能,以保證出廠的 IC 在功能上的完整性,並對已測試的產品,依其電性功能作分類(即分 Bin),作為 IC 不同等級產品的評價依據。最後並對產品作外觀檢驗(Inspect)作業。

由於測試是半導體 IC 製程的最後一站,所以許多客戶將測試廠當作他們的成品倉庫,降低庫存管理等成本,同時減少不必要的搬運成本,這就是測試廠所提供的 Door to Door 服務,幫助客戶將測試完成品送至客戶指定的地方。


參考資料:


Poy Chang

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