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微電子封裝業(yè)和微電子封裝設(shè)備論文
雖然2001年國(guó)際微電子產(chǎn)業(yè)因遭遇4~5年一次的“硅周期”、網(wǎng)絡(luò)泡沫破產(chǎn)、“9.11”事件等的影響，產(chǎn)值出現(xiàn)了災(zāi)難性的暴跌，比2000年下降31.9%,2002年的增長(zhǎng)率也只有1.5%，但預(yù)計(jì)2003年的增長(zhǎng)率將達(dá)到15%，將超過(guò)1992~2002年的年平均增長(zhǎng)率11.32%。如果國(guó)際上不出現(xiàn)重大的突發(fā)事件,2004年也將會(huì)有大于10%的增長(zhǎng)率。像微電子產(chǎn)業(yè)這種30年保持高速發(fā)展，長(zhǎng)盛不衰的情況在其他產(chǎn)業(yè)中是很少見(jiàn)的。
導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)按Moore定律共同制定的“國(guó)際半導(dǎo)2半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)仍將遵循莫體技術(shù)發(fā)展路線"(InternationalTechnologyRoadmapof爾定律而不斷前進(jìn)Semiconductors)在發(fā)展，甚至有時(shí)實(shí)際進(jìn)展速度還快于原定的時(shí)間表。主要與微電子封裝有關(guān)的1999國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展仍將遵循國(guó)際上各國(guó)半~2014年15年的1C技術(shù)發(fā)展路線列。
晶體管數(shù))是每2年增加1倍。預(yù)計(jì)這15年內(nèi)與微電子封裝業(yè)有關(guān)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：最大芯片尺寸將增大1倍(從450_2增大到937_2);高性能類電路的芯片上最高I/O端數(shù)將從2304個(gè)增加到4416個(gè)，提高約90%;而高性能類封裝的最大引出端數(shù)將從1600個(gè)增加到8758個(gè)，增加4.47倍;芯片上的壓焊盤節(jié)距將縮小到35~40日用品類1C的封裝厚度將從1mm減小到0.5mm,降低50%;高性能類1C的芯片-板級(jí)速度將從1200MHz提高到3600MHz,提高2倍;便攜式類器件的電源電壓將從1.5~1.8V降為0.3~0.6V,減小到原來(lái)的1/3;高性能類1C的最大功耗將從90W提高到183W,增大1倍;而封裝價(jià)格將進(jìn)一步降低，價(jià)格性能類1C產(chǎn)品將從0.90~1.90美分/引線降為0.42~0.88美分/引線，存貯器類1C產(chǎn)品的封裝價(jià)將從0.40~1.90美分/線降為0.19~0.39美分/線，即為原來(lái)的1/2~1/5。
3BGA、CSP、WLP等幾類新穎封裝
為了適應(yīng)半導(dǎo)體器件體積越來(lái)越小、封裝密度越來(lái)越高、引出端數(shù)越來(lái)越多、工作頻率越來(lái)越高的要求，上世紀(jì)90年代出現(xiàn)了BGA、CSP、WLP等幾類新穎封裝，并得到了快速發(fā)展。BGA是英文BallGridArray的縮寫(xiě)，中文稱為“焊球陣列”。這類封裝的基本特征是引出端采用布置在封裝基板底平面上的焊球陣列。根據(jù)基板和包封材料不同，可以分為塑料焊球陣列(PBGA)、陶瓷焊球陣列(CBGA)、金屬焊球陣列(MBGA)和載帶焊球陣列(TBGA)等。典型的PBGA結(jié)構(gòu)如圖1所示。BGA封裝的特點(diǎn)是引出端布置在封裝體的下表面上因此可容納較多的引出端數(shù)，內(nèi)引出線短、電性能
和熱性能好，芯片腔可較大，可容納較大面積的芯片，非常適合于封MPU及一些ASIC電路。BGA的主流產(chǎn)品是PBGA，PBGA封裝中的多層PCB基板制造、植球、回流等類似于SMT工藝，其余是與QFP等傳統(tǒng)封裝工藝類似。CSP是英文ChipsizePackage的縮寫(xiě)，我國(guó)稱為“芯片尺寸封裝”。CSP的基本特征是封裝在印制板上所占面積比芯片面積不大于1.2~1.5倍。這是一種封裝密度很高的封裝，它們的引出端也只能布置在封裝底面上，可以是4周排列，也可以是面陣列排列(這時(shí)也可稱為微焊球陣列，如yBGA,mBGA等)。因?yàn)樗姆庋b底平面比芯片面積大不了多少，因此即使節(jié)距很小，總的封裝引出端數(shù)也不可能很多，故主要適用于少或中等數(shù)量的引出端封裝，少數(shù)幾種也可達(dá)到400個(gè)I/O以上，但這類往往已是WLP封裝了。一般CSP的外形WLP是英文WaferLelelPackaging的縮寫(xiě)，稱為“圓片級(jí)封裝%它實(shí)際上是一種在圓片上完成主要封裝工藝的CSP，即它們?cè)诜庋b密度上(封裝面積/芯片面積)屬于CSP。但主要的封裝工藝不是像傳統(tǒng)封裝工藝那樣:將前道工序加工后的桂圓片先分離成管芯，再逐個(gè)管芯地去進(jìn)行粘片_引線鍵合一塑封等后道封裝加工,而是在前道加工完后的硅圓片上進(jìn)行再布線-形成焊盤-塑料包封-植焊球_分離成單個(gè)1C器件。WLP的主要封裝工藝都是在圓片級(jí)而不是管芯完成的，故它的“封裝設(shè)備”有許多與前道工序是類同的，只是加工的線寬和間距不同而已，如涂光刻膠、光刻、電子束蒸發(fā)或?yàn)R射、細(xì)線條刻蝕等。而有的設(shè)備則與傳統(tǒng)封裝用的設(shè)備類似，如切割分離、打印、包裝等。有的設(shè)備是它特有的,如圓片電鍍?cè)O(shè)備等。
4我國(guó)將成為世界主要封裝基地
我國(guó)的微電子封裝雖起步很早，但過(guò)去經(jīng)營(yíng)模式陳舊、技術(shù)落后、產(chǎn)量低、發(fā)展很慢。近幾年來(lái)在發(fā)展驅(qū)動(dòng)力、經(jīng)營(yíng)主體、經(jīng)營(yíng)模式、產(chǎn)品對(duì)象等方面已基本完成了適應(yīng)時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)變。發(fā)展驅(qū)動(dòng)力和產(chǎn)品已由主要受軍工和宇航需要的驅(qū)動(dòng)、經(jīng)費(fèi)以政府和軍方的資助為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕苌唐肥袌?chǎng)的需求推動(dòng)和各公司籌資為主。在經(jīng)營(yíng)模式上由過(guò)去綜合式的、小而全或大而全、從設(shè)計(jì)圓片加工、封裝測(cè)試樣樣俱全的半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳岸鄶?shù)已分離為設(shè)計(jì)、圓片制造、封裝測(cè)試三業(yè)分立，經(jīng)營(yíng)主體已由過(guò)去單一的國(guó)營(yíng)企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)營(yíng)、私營(yíng)、海外獨(dú)資、海內(nèi)外合資多種形式，而且目前微電子封裝業(yè)中海外獨(dú)資和合資企業(yè)的封裝能力已占全國(guó)封裝總量的80%以上。國(guó)際上半導(dǎo)體產(chǎn)值排名前20位的半導(dǎo)體企業(yè)已有15家在中國(guó)投資設(shè)立半導(dǎo)體封裝廠，如莫托洛拉、11^1、181/[、^、姻(]、松下、三菱、日立、富士通等,還有許多中國(guó)臺(tái)資企業(yè)。
由于中國(guó)是世界上消費(fèi)類、通信類微電子產(chǎn)品的最大消費(fèi)國(guó)之一，中國(guó)有很大的微電子產(chǎn)品市場(chǎng)缺口：需求量很大，生產(chǎn)能力或國(guó)內(nèi)供給能力相差很大(數(shù)量上的缺口為60%~7〇%),國(guó)內(nèi)政局穩(wěn)定，實(shí)行一系列的優(yōu)惠外資和微電子產(chǎn)業(yè)的政策，有一批優(yōu)秀的技術(shù)人才和勞動(dòng)力,工資成本相對(duì)較低，綜合國(guó)力的提髙，經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)大，人民生活的進(jìn)一步提高，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大。這些都是吸引國(guó)內(nèi)外企業(yè)在我國(guó)ic產(chǎn)業(yè)投資的基本因素。以致形成這幾年中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在世界上“一枝獨(dú)秀”的情景，如2001年全世界的1C產(chǎn)業(yè)下降31.9%,中國(guó)只是下降3%,低一個(gè)數(shù)量級(jí)，而像江蘇省則是增加了15%。因此，在未來(lái)的幾年內(nèi)，中國(guó)半導(dǎo)體封裝業(yè)的增長(zhǎng)速率一定會(huì)超過(guò)世界平均增長(zhǎng)率(10%~11%)。雖然因基數(shù)增大，不會(huì)長(zhǎng)期保持在年增50%的增長(zhǎng)率。但若要在幾年內(nèi)使中國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝量達(dá)到世界總產(chǎn)量的10%以上，則其年增長(zhǎng)率將保持在30%左右。
5半導(dǎo)體器的封裝設(shè)備
中國(guó)半導(dǎo)體器件封裝業(yè)將以年平均30%左右的增長(zhǎng)率發(fā)展，這給封裝設(shè)備業(yè)提供了一個(gè)良好的市場(chǎng)前景。半導(dǎo)體封裝成本的分配約為：原材料占35%~40%，設(shè)備占2〇%?30%,動(dòng)力占20%,人工費(fèi)占15%，銷售等管理占4%。投資新建一個(gè)年產(chǎn)幾億塊1C的封裝廠，需要投資5000萬(wàn)?2億美元，其中約1/2將花在購(gòu)置設(shè)備。因此，半導(dǎo)體封裝業(yè)在中國(guó)的發(fā)展，將為封裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個(gè)廣闊的潛在市場(chǎng)，每年估計(jì)在5億元人民幣以上。
作為半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)支撐的有關(guān)設(shè)備產(chǎn)業(yè)，可分為兩大類:直接用于封裝的設(shè)備和簡(jiǎn)接用于封裝的設(shè)備。前者包括封裝工藝設(shè)備、老煉、篩選等產(chǎn)品檢驗(yàn)考核設(shè)備及性能測(cè)試設(shè)備等。后者包括空調(diào)動(dòng)力設(shè)備、去離子水等一般廠房基礎(chǔ)設(shè)備及為生產(chǎn)封裝所用各類材料所需的二級(jí)設(shè)備。
下面主要討論直接用于封裝的設(shè)備。其中封裝工藝設(shè)備包括:圓片減薄機(jī)、砂輪或激光劃片機(jī)、姑片機(jī)、引線鍵合機(jī)、傳遞模塑機(jī)和模具、切筋打彎?rùn)C(jī)和模具去飛邊機(jī)、引線電鍍線、清洗機(jī)、打印機(jī)、測(cè)試分撿機(jī);充氮?dú)赓A藏柜、髙溫烘箱、打包機(jī)等。對(duì)于金屬和陶瓷封裝則還需要JC能焊機(jī)或平行縫焊機(jī)或激光焊機(jī)，工藝檢驗(yàn)則還需要檢漏儀。塑封工藝最常用的工藝檢測(cè)設(shè)備為各類光學(xué)顯微鏡、輪廓放大儀、X-光透射儀、超聲掃描顯微鏡等。產(chǎn)品鑒定或工藝認(rèn)證設(shè)備則有各類環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備：高低溫循環(huán)、高/低溫貯存、高溫/高濕/加偏置貯存、高壓蒸煮(PCT)、鹽霧試驗(yàn)等設(shè)備。各類機(jī)械試驗(yàn)類設(shè)備有引線鍵合強(qiáng)度、芯片鍵合剪切強(qiáng)度、引線拉力或芯片拉力，沖擊、振動(dòng)、引線抗彎強(qiáng)度等檢驗(yàn)設(shè)備。目前除了少部分低擋工藝設(shè)備和少部分產(chǎn)品鑒定認(rèn)證設(shè)備外，絕大多數(shù)上列工藝和工藝檢測(cè)設(shè)備都依賴進(jìn)口。
下列國(guó)際上近幾年內(nèi)半導(dǎo)體封裝方面的一些基本情況，提供給有關(guān)設(shè)備研制單位參考：90%~92%以上的封裝是塑料封裝，金屬和陶瓷封裝只占1%左右，主要用于高檔軍品和宇航業(yè)。90%以上的封裝是用引線鍵合互連(倒裝焊尚占很小的比例)。其中95%以上使用金絲引線鍵合。90%左右的封裝其外引出線數(shù)不會(huì)多于1〇〇,約70%的封裝引線數(shù)不大于32。80%以上的封裝是S0P(小外形封裝)、QFP(四邊引線扁平封裝)、PLCC(塑料J形引線封裝)、BGA(焊球陣列)、CSP(芯片尺寸封裝)等表面安裝封裝(SMP)。只有不到15%的封裝仍是通孔插裝封裝(THP)，如DIP(雙列直插封裝)、PGA(針柵陣列)等。
DIP的產(chǎn)量是在負(fù)增長(zhǎng)，它已從上世紀(jì)90年代初占總產(chǎn)量的50%以上降到目前只占12%左右。其他封裝的產(chǎn)量都在增長(zhǎng)，增長(zhǎng)最快的是BGA和CSP這兩類封裝，BGA的年平均增長(zhǎng)率大于30%,而CSP則大于60%,但由于基數(shù)小，他們的總產(chǎn)量仍較少。且這些封裝的技術(shù)要求高，專利限制多。
由于封裝是一種薄利多產(chǎn)行業(yè)，一般封裝每條引線的封裝產(chǎn)值不到1美分，沒(méi)有1年封幾億支1C的產(chǎn)量，已很難賺取較多的利潤(rùn)。因此，封裝設(shè)備業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)和風(fēng)險(xiǎn)也較大，推動(dòng)封裝設(shè)備速度越來(lái)越快，技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，價(jià)格/性能比越來(lái)越小，服務(wù)越來(lái)越好，生產(chǎn)越來(lái)越專業(yè)化。如國(guó)外某封裝設(shè)備廠就專做引線鍵合機(jī)，其鍵合速度已達(dá)到14線/s，引線節(jié)距已降到60fxm。這樣某類設(shè)備已形成某種設(shè)備市場(chǎng)的瓜分或分工狀態(tài)。新的設(shè)備制造企業(yè)要“擠入”這個(gè)市場(chǎng),必須要有自己的特色才行。
封裝工藝設(shè)備多數(shù)都是光機(jī)電相結(jié)合的髙度自動(dòng)化設(shè)備，封裝成品率通常已可達(dá)99.9%以上。因此，封裝設(shè)備可靠性或穩(wěn)定性將決定這臺(tái)設(shè)備的命運(yùn)。任何不穩(wěn)定或不可靠的設(shè)備將制造出大量的不合格品，肯定沒(méi)有市場(chǎng)。而軍品或宇航用的陶瓷或金屬封裝器件，由于其產(chǎn)量少，品種多，自動(dòng)化程度要求低，而要求適用性廣。目前國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)的硅圓片是以擬〇〇~柯50_為主。2~3年后，產(chǎn)量將以似00_為主。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在世界上仍將以平均10%以上的速度發(fā)展，中國(guó)的微電子產(chǎn)業(yè)則將以年均增長(zhǎng)率約30%的速率發(fā)展，這為國(guó)內(nèi)發(fā)展半導(dǎo)體封裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)提供了良好的市場(chǎng)前景。但由于國(guó)內(nèi)封裝設(shè)備業(yè)相對(duì)較為落后，目前只在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備等方面占有一定比率，要擠入80%是合資和外資獨(dú)資企業(yè)在封裝業(yè)所需要的設(shè)備市場(chǎng)，其困難是較大的。但擠入軍品封裝工藝設(shè)備、功率分立器件封裝設(shè)備及工藝監(jiān)控、環(huán)境及機(jī)械試驗(yàn)設(shè)備的可能性是較大的。
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