微电子封装业和微电子封装设备论文

虽然2001年国际微电子产业因遭遇4~5年一次的“硅周期”、网络泡沫破产、“9.11”事件等的影响,产值出现了灾难性的暴跌,比2000年下降31.9%,2002年的增长率也只有1.5%,但预计2003年的增长率将达到15%,将超过1992~2002年的年平均增长率11.32%。如果国际上不出现重大的
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  虽然2001年国际微电子产业因遭遇4~5年一次的“硅周期”、网络泡沫破产、“9.11”事件等的影响,产值出现了灾难性的暴跌,比2000年下降31.9%,2002年的增长率也只有1.5%,但预计2003年的增长率将达到15%,将超过1992~2002年的年平均增长率11.32%。如果国际上不出现重大的突发事件,2004年也将会有大于10%的增长率。像微电子产业这种30年保持高速发展,长盛不衰的情况在其他产业中是很少见的。

  导体行业协会按Moore定律共同制定的“国际半导2半导体技术发展的趋势仍将遵循莫体技术发展路线"(InternationalTechnologyRoadmapof尔定律而不断前进Semiconductors)在发展,甚至有时实际进展速度还快于原定的时间表。主要与微电子封装有关的1999国际半导体技术的发展仍将遵循国际上各国半~2014年15年的1C技术发展路线列。

  晶体管数)是每2年增加1倍。预计这15年内与微电子封装业有关的主要发展趋势是:最大芯片尺寸将增大1倍(从450_2增大到937_2);高性能类电路的芯片上最高I/O端数将从2304个增加到4416个,提高约90%;而高性能类封装的最大引出端数将从1600个增加到8758个,增加4.47倍;芯片上的压焊盘节距将缩小到35~40日用品类1C的封装厚度将从1mm减小到0.5mm,降低50%;高性能类1C的芯片-板级速度将从1200MHz提高到3600MHz,提高2倍;便携式类器件的电源电压将从1.5~1.8V降为0.3~0.6V,减小到原来的1/3;高性能类1C的最大功耗将从90W提高到183W,增大1倍;而封装价格将进一步降低,价格性能类1C产品将从0.90~1.90美分/引线降为0.42~0.88美分/引线,存贮器类1C产品的封装价将从0.40~1.90美分/线降为0.19~0.39美分/线,即为原来的1/2~1/5。

  3BGA、CSP、WLP等几类新颖封装

  为了适应半导体器件体积越来越小、封装密度越来越高、引出端数越来越多、工作频率越来越高的要求,上世纪90年代出现了BGA、CSP、WLP等几类新颖封装,并得到了快速发展。BGA是英文BallGridArray的缩写,中文称为“焊球阵列”。这类封装的基本特征是引出端采用布置在封装基板底平面上的焊球阵列。根据基板和包封材料不同,可以分为塑料焊球阵列(PBGA)、陶瓷焊球阵列(CBGA)、金属焊球阵列(MBGA)和载带焊球阵列(TBGA)等。典型的PBGA结构如图1所示。BGA封装的特点是引出端布置在封装体的下表面上因此可容纳较多的引出端数,内引出线短、电性能

  和热性能好,芯片腔可较大,可容纳较大面积的芯片,非常适合于封MPU及一些ASIC电路。BGA的主流产品是PBGA,PBGA封装中的多层PCB基板制造、植球、回流等类似于SMT工艺,其余是与QFP等传统封装工艺类似。CSP是英文ChipsizePackage的缩写,我国称为“芯片尺寸封装”。CSP的基本特征是封装在印制板上所占面积比芯片面积不大于1.2~1.5倍。这是一种封装密度很高的封装,它们的引出端也只能布置在封装底面上,可以是4周排列,也可以是面阵列排列(这时也可称为微焊球阵列,如yBGA,mBGA等)。因为它的封装底平面比芯片面积大不了多少,因此即使节距很小,总的封装引出端数也不可能很多,故主要适用于少或中等数量的引出端封装,少数几种也可达到400个I/O以上,但这类往往已是WLP封装了。一般CSP的外形WLP是英文WaferLelelPackaging的缩写,称为“圆片级封装%它实际上是一种在圆片上完成主要封装工艺的CSP,即它们在封装密度上(封装面积/芯片面积)属于CSP。但主要的封装工艺不是像传统封装工艺那样:将前道工序加工后的桂圆片先分离成管芯,再逐个管芯地去进行粘片_引线键合一塑封等后道封装加工,而是在前道加工完后的硅圆片上进行再布线-形成焊盘-塑料包封-植焊球_分离成单个1C器件。WLP的主要封装工艺都是在圆片级而不是管芯完成的,故它的“封装设备”有许多与前道工序是类同的,只是加工的线宽和间距不同而已,如涂光刻胶、光刻、电子束蒸发或溅射、细线条刻蚀等。而有的设备则与传统封装用的设备类似,如切割分离、打印、包装等。有的设备是它特有的,如圆片电镀设备等。

  4我国将成为世界主要封装基地

  我国的微电子封装虽起步很早,但过去经营模式陈旧、技术落后、产量低、发展很慢。近几年来在发展驱动力、经营主体、经营模式、产品对象等方面已基本完成了适应时代产业发展的转变。发展驱动力和产品已由主要受军工和宇航需要的驱动、经费以政府和军方的资助为主,转变为主要受商品市场的需求推动和各公司筹资为主。在经营模式上由过去综合式的、小而全或大而全、从设计圆片加工、封装测试样样俱全的半导体生产企业,转变为目前多数已分离为设计、圆片制造、封装测试三业分立,经营主体已由过去单一的国营企业转变为国营、私营、海外独资、海内外合资多种形式,而且目前微电子封装业中海外独资和合资企业的封装能力已占全国封装总量的80%以上。国际上半导体产值排名前20位的半导体企业已有15家在中国投资设立半导体封装厂,如莫托洛拉、11^1、181/[、^、姻(]、松下、三菱、日立、富士通等,还有许多中国台资企业。

  由于中国是世界上消费类、通信类微电子产品的最大消费国之一,中国有很大的微电子产品市场缺口:需求量很大,生产能力或国内供给能力相差很大(数量上的缺口为60%~7〇%),国内政局稳定,实行一系列的优惠外资和微电子产业的政策,有一批优秀的技术人才和劳动力,工资成本相对较低,综合国力的提髙,经济建设进一步扩大,人民生活的进一步提高,国内外市场将进一步扩大。这些都是吸引国内外企业在我国ic产业投资的基本因素。以致形成这几年中国半导体产业在世界上“一枝独秀”的情景,如2001年全世界的1C产业下降31.9%,中国只是下降3%,低一个数量级,而像江苏省则是增加了15%。因此,在未来的几年内,中国半导体封装业的增长速率一定会超过世界平均增长率(10%~11%)。虽然因基数增大,不会长期保持在年增50%的增长率。但若要在几年内使中国的半导体产品封装量达到世界总产量的10%以上,则其年增长率将保持在30%左右。

  5半导体器的封装设备

  中国半导体器件封装业将以年平均30%左右的增长率发展,这给封装设备业提供了一个良好的市场前景。半导体封装成本的分配约为:原材料占35%~40%,设备占2〇%?30%,动力占20%,人工费占15%,销售等管理占4%。投资新建一个年产几亿块1C的封装厂,需要投资5000万?2亿美元,其中约1/2将花在购置设备。因此,半导体封装业在中国的发展,将为封装设备产业的发展提供一个广阔的潜在市场,每年估计在5亿元人民币以上。

  作为半导体封装产业支撑的有关设备产业,可分为两大类:直接用于封装的设备和简接用于封装的设备。前者包括封装工艺设备、老炼、筛选等产品检验考核设备及性能测试设备等。后者包括空调动力设备、去离子水等一般厂房基础设备及为生产封装所用各类材料所需的二级设备。

  下面主要讨论直接用于封装的设备。其中封装工艺设备包括:圆片减薄机、砂轮或激光划片机、姑片机、引线键合机、传递模塑机和模具、切筋打弯机和模具去飞边机、引线电镀线、清洗机、打印机、测试分捡机;充氮气贮藏柜、髙温烘箱、打包机等。对于金属和陶瓷封装则还需要JC能焊机或平行缝焊机或激光焊机,工艺检验则还需要检漏仪。塑封工艺最常用的工艺检测设备为各类光学显微镜、轮廓放大仪、X-光透射仪、超声扫描显微镜等。产品鉴定或工艺认证设备则有各类环境试验设备:高低温循环、高/低温贮存、高温/高湿/加偏置贮存、高压蒸煮(PCT)、盐雾试验等设备。各类机械试验类设备有引线键合强度、芯片键合剪切强度、引线拉力或芯片拉力,冲击、振动、引线抗弯强度等检验设备。目前除了少部分低挡工艺设备和少部分产品鉴定认证设备外,绝大多数上列工艺和工艺检测设备都依赖进口。

  下列国际上近几年内半导体封装方面的一些基本情况,提供给有关设备研制单位参考:90%~92%以上的封装是塑料封装,金属和陶瓷封装只占1%左右,主要用于高档军品和宇航业。90%以上的封装是用引线键合互连(倒装焊尚占很小的比例)。其中95%以上使用金丝引线键合。90%左右的封装其外引出线数不会多于1〇〇,约70%的封装引线数不大于32。80%以上的封装是S0P(小外形封装)、QFP(四边引线扁平封装)、PLCC(塑料J形引线封装)、BGA(焊球阵列)、CSP(芯片尺寸封装)等表面安装封装(SMP)。只有不到15%的封装仍是通孔插装封装(THP),如DIP(双列直插封装)、PGA(针栅阵列)等。

  DIP的产量是在负增长,它已从上世纪90年代初占总产量的50%以上降到目前只占12%左右。其他封装的产量都在增长,增长最快的是BGA和CSP这两类封装,BGA的年平均增长率大于30%,而CSP则大于60%,但由于基数小,他们的总产量仍较少。且这些封装的技术要求高,专利限制多。

  由于封装是一种薄利多产行业,一般封装每条引线的封装产值不到1美分,没有1年封几亿支1C的产量,已很难赚取较多的利润。因此,封装设备业的竞争和风险也较大,推动封装设备速度越来越快,技术越来越先进,价格/性能比越来越小,服务越来越好,生产越来越专业化。如国外某封装设备厂就专做引线键合机,其键合速度已达到14线/s,引线节距已降到60fxm。这样某类设备已形成某种设备市场的瓜分或分工状态。新的设备制造企业要“挤入”这个市场,必须要有自己的特色才行。

  封装工艺设备多数都是光机电相结合的髙度自动化设备,封装成品率通常已可达99.9%以上。因此,封装设备可靠性或稳定性将决定这台设备的命运。任何不稳定或不可靠的设备将制造出大量的不合格品,肯定没有市场。而军品或宇航用的陶瓷或金属封装器件,由于其产量少,品种多,自动化程度要求低,而要求适用性广。目前国内在生产的硅圆片是以拟〇〇~柯50_为主。2~3年后,产量将以似00_为主。

  半导体产业在世界上仍将以平均10%以上的速度发展,中国的微电子产业则将以年均增长率约30%的速率发展,这为国内发展半导体封装设备产业提供了良好的市场前景。但由于国内封装设备业相对较为落后,目前只在环境试验设备、动力设备等方面占有一定比率,要挤入80%是合资和外资独资企业在封装业所需要的设备市场,其困难是较大的。但挤入军品封装工艺设备、功率分立器件封装设备及工艺监控、环境及机械试验设备的可能性是较大的。

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