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摘要：半导体工业的发展的关键在于设备技术的成熟，设备可靠性分析与改善尤为重要。文章首先概述了半导体加工过程，之后介绍了半导体封装技术及设备，最后提出了半导体封装设备的可靠性改善设计。
关键词：半导体加工 MEMS 设备可靠性
在摩尔定律指引下全球半导体工业飞速发展，半导体工业极大依赖于半导体制造设备的特征，使得设备成为发展半导体工业和技术的关键。每一代半导体产品不仅有相应一代的技术、工艺来支撑，而且还有相应一代的制造设备来保障。随着设备的硅片尺寸大直径化、设备的高精度化、自动化，设备价格日益昂贵化，工艺线的设备总投资更是成倍的增长。对工艺线来说，在设备投资加大的同时，设备折旧的负担也加大，因此为了保证企业生产具备最良好的技术装备，设备运行的可靠性成为人们追求的目标。
1 半导体加工概述
半导体生产是知识密集型、技术密集型、劳动力密集型产业，对工作环境、生产设备、操作人员都有很高的要求。半导体的加工过程主要分为四步：圆片的制造和检测及芯片的封装和测试。其中圆片的制造和检测通常被称为前道工序，主要加工过程包括化学清洗、平面光刻、离子注入、金属沉积 / 氧化、等离子体 / 化学刻蚀等，检测完的圆片被送到封装和测试厂进行后道工序的加工，主要加工过程包括贴片、环氧固化、电性能测试、激光刻饰、焊球粘结等。
2 半导体封装技术与设备
近年来，微机电系统技术推动着半导体界超越摩尔定律的变革，在国内外得到了迅猛的发展。世界正经过昨天的真空电子管时代，跨越现今的固体电子时代而进入明天的MEMS 时代。半导体技术持续突破的另一个方向则是朝向异种技术融合发展，其中MEMS 在半导体的融合蓝图中扮演相当重要的技术。
2.1 低温晶圆键合机
对 MEMS 的最大挑战之一是要求采用器件规格的封装新兴器件封装是高科技的核心，它受到被封装器件和应用的双重影响。陶瓷是最常用的封装材料在低温共烧陶瓷和陶瓷组分优化方面所取得的进展，已使全密闭陶瓷腔的 MEMS 封装费用降到 50 美分以下。低温晶圆键合是微机电系统 / 微光机电系统器件制造和封装中的一种关键技术在低温加工过程中，核心是高科技的粘接技术，粘合剂晶圆键合是采用中间层键合的一种键合方法，如玻璃，聚合物，抗蚀剂，聚酰亚胺。这种方法的主要优点是：晶圆表面封装结构的表面平坦化，粒子补偿和键合后退火温度的降低。
2.2 芯片倒装键合机
目前，MEMS 器件封装的大部分的研究集中在利用成熟加工工艺的优势，借鉴集成电路中所用的封装方法。这其中当然也包括倒装芯片技术在 MEMS中的应用作为封装使用的凸点，具有同微机械加工的 MEMS 结构十分相似的特性从倒装结构的几何层面上看，倒装的互连线非常短，有效地降低了寄生效应，适合高灵敏度的信号处理电路与 MEMS 器件，尤其是微传感器集成倒装芯片也可以结合多模块组件技术，将 MEMS 器件和信号处理芯片封装在同一个管壳内，以实现小型化，同时，缩短信号从MEMS 器件到驱动器或执行器的距离，减小信号衰减和外界干扰的影响。
倒装芯片技术对芯片与基板具有很强的适应性，非常适合在器件的热设计中加以采用 此外，倒装芯片的下填充能够显著削弱热应力，在倒装芯片表面安装热沉也能提高散热性能，增加器件的可靠性本实验研制的硅热风速传感器就是采用铜柱凸点技术将传感器倒装在薄层陶瓷基板上，避免传感器与测量环境的直接接触，保护了传感器和处理电路，并利用陶瓷的导热性能实现传感器芯片的加热元件和环境风速的热交换，同时，降低了整个芯片的功耗。
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3 半导体封装设备的可靠性分析与改善
半导体封装设备的可靠性水平直接决定着产品的市场定位，是封装设备企业长期积累的产业化技术的集中体现，也是企业之间难以跨越的差距。可靠性问题是国产封装设备一直无法规模化配备主流生产线的症结所在，是制约国内半导体封装装备实现产业化的瓶颈。
3.1 封装设备的架构
封装设备中存在着大量的多层次架构。机械系统包括从零件到部件再到子系统最后到整机结构多个层次；电气系统由元器件、电路板、功能模块、子系统逐级组成；软件系统包括可编程器件程序、嵌入式模块程序、主控功能模块、主控程序等。数量庞大、层级复杂的对象使针对单一机、电或软件系统采用传统可靠性设计方法进行逐级建模和分析已经十分困难。而封装设备整机中机、电、软件系统密切耦合，多种物理量共存的状态就更是导致基于单一机械/电气物理量的传统可靠性设计方法几乎不可能有效准确地获得整机的可靠性估计。
3.2 半导体封装设备的可靠性分析
半导体封装设备的可靠性问题更多地集中在设备的加工对象和工艺过程上，远远超越了传统意义上的一般设备失效模式的分析和预防。也就是说问题的焦点已经不是设备本身的断裂、碰撞、形变、短路、击穿、过热等普通失效（这些问题已经在过去无数次的产品优化循环中得到了充分的解决），而是设备加工对象的完整性及工艺过程的正确和一致性。相应地对设备可靠性指标的关注也由 MTBF（平均故障时间）向 MTBA 转移。这一类封装设备工艺的可靠性问题可以总结为一个极敏感的多参数过程的参数识别和优化的问题，满足可靠性要求的参数窗口极其狭窄。这正是半导体封装设备可靠性有别于传统设备可靠性的最突出特性，也是提高封装设备可靠性的挑战集中所在。
3.3 半导体封装设备的可靠性设计
国产设备在设计上确实存在着很大的不足。
这部分问题可以通过细致的设计规范和周密的设计流程管理得到迅速显著的改善。机械 / 电气功能正确性、机械结构抗振 / 健壮性等问题需要设计仿真工具与实体样机实际运行的数据紧密结合来解决并最终在实体样机上得到验证。
国际主流厂商的产品开发严格按照可行性工程验证设计验证试产验证批产验证的流程进行。每一阶段都建造相当数量的样机供充分测试并根据测试结果和分析对设计进行修正，同时与用户密切结合，把设备上线资格测试嵌入到完整的产品测试流程中。在产品开发各阶段建造的样机总数达到 45 台，几乎相当于国内设备企业成熟产品一年的产量。这种惊人的区别正是造成国产封装设备与国际主流产品可靠性上巨大差别的根本原因。
对半导体封装设备的可靠性改善设计，首先要紧密结合半导体封装设备的特性建立详细的设计规范和严密的设计管理流程，尽最大可能消除碰撞 / 干涉等问题，保证尺寸，位置的正确性和结构/布局的合理性。
从根本上弥补国产设备在设计上的不足。其次，建立包括应力，应变、模态分析、温度 / 传热等的仿真分析和优化方法。与实体样机充分结合，修正仿真模型参数并验证仿真结果。对实体样机上的测试结果进行总结归纳以不断补充完善优化方法和设计规则。最后，构建充分、严密和系统的批量实体样机测试和优化体系。大量有序的实体样机测试验证是克服传统可靠性设计及新兴虚拟样机技术局限性的唯一方法，也是弥合国产封装设备与国际主流设备之间巨大差距的必经途径。
实体样机测试验证一直是国际各主流半导体设备制造商大量使用的可靠性提升方法，具有无可替代的地位。批量实体样机测试也是设备一致性改善的实用有效方法。在新产品设计中尽量采用前期积累的稳定技术单元，避免大量引入新方案、新技术而造成问题激增。其次需要准确高效的故障捕获和问题识别/分析手段，保证迅速正确地发现样机测试中显露的问题并找到原因。最后必须建立受控有序的根据测试结果和分析对设计进行修正并不断循环的机制，确保已发现的问题得到彻底解决的同时不引入新的问题。
参考文献
[1]童志义.后摩尔时代的封装技术.电子工业专用设备[J].2010，（6）.
[2]况延香，朱颂春. 微电子封装技术在对 SMT 促进中的作用[J].电子工业专用设备2004，（9）.
论文作者:周平
论文发表刊物:《探索科学》2017年2期
论文发表时间:2017/8/25
标签：设备论文; 半导体论文; 可靠性论文; 样机论文; 技术论文; 倒装论文; 器件论文; 《探索科学》2017年2期论文;