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半導體封裝期 末 報 告半導體的歷史及電子構裝技術指導老師：林朝慨班級：日五專械五乙學生：林忠民 5873073 張尹勛 5873091 王君海 5873086 駱敬哲 5873058 鍾光政 5873087民國九十二年五月十五日59目 錄一 半導體的歷史回顧.11 前言.22 全球DRAM產業現況.23 半導體的歷史回顧.6二 半導體的封裝材料.101 概論.102 封裝材料市場市場分析與技術現況.183 半導體及電路板在業界常被使用的材料.194 漆包線漆和封裝化合物21三 半導體電子構裝技術.221 構裝的目的 .222 晶片黏結.283 引腳架的製作.314 構裝之密封.33四 半導體製成設備的概論.381 概論382 潔淨室.383 晶圓製作.404 半導體製程設備.41五 半導體的未來趨勢與成長速率及晶圓.491 半導體的未來趨勢.492 IC測試業.503 半導體的成長速率544 創投看上世紀半導體的經營團隊56六 參考文獻資料.61一 半導體的歷史回顧1 前言半年以來市場普遍預期DRAM的供給將因新設晶圓廠速度減緩、製程微縮越來越困難及PC 需求依然強勁等情形下，下游系統及通路商對下半年DRAM產業景氣持樂觀的預期，而大幅囤積庫存。然而，從今年第三季開始，DRAM的價格由七月中接近9美元的高價跌到近期三美元左右的價位，正表現出這產業高風險、高報酬的特性。另外來自於專業研究機構或製造廠商對明年的看法也不盡相同，廠商要 如何因應未來的發展，DRAM價格未來的走勢又如何將是本文探討的重點。2 全球DRAM產業現況2-1 半導體產業的景氣循環回顧半導體發展歷史，在1958年積體電路(IC)推出後，取代了傳統真空管的功能。而真正開啟半導體黃金時代序曲的是1971年後Intel推出一系列功能不斷提升的CPU。從70年代應用迷你電腦的8位元處理器、70年代末開始應用於工作站的16位元到80年代末逐漸成熟的32位元處理器80386，開啟了個人電腦應用的新里程碑。而對DRAM的需求也在CPU及微軟作業系統不斷的推新助瀾下而由2Mb、4Mb提升到目前市場主流的64Mb如圖1-1所示。圖1-1 DRAM產品的發展若進一步從半導體市場規模成長率的變化幅度來看，1971年到1996年為止26年間，平均每4年到6年所經歷的產業景氣循環現象(分別為1971 1975年，19751981年，19811985年，19851990年及1991 1995年)，幾乎是伴隨著Intel新產品所衍生出來的每一次的景氣成長高峰如圖1-2所示。這種藉由不斷創新及推出新一代產品以推展出另一波景氣成長高峰的成長循環模式，完全遵循著摩爾定律每3年在相同面積下，提高為兩倍電晶體容量的製程技術進展，形成一種半導體產業特有的矽週期產業景氣循環現象，主宰著過去近30年全球半導體市場景氣成長趨勢。圖1-2矽週期產業景氣循環(亞洲證券彙總 2000/11)2-2呈現大者恆大的寡占局勢在經歷了瘋狂投入設廠所造成惡性降價競爭及總體經濟面的金融風暴影嚮，相較於1990年代初期全球重要DRAM大廠15家而言，目前全球真正仍具影響力的大廠已剩下不到十家。其中最具代表性的廠商分別以美國的美光、日本的NEC、韓國的三星、現代及德國Infineon為主。 而這五家廠商所擁有的市場佔有率已從去年的六成七提升至今年的八成如表1-1及圖1-3所示，而所擁有的製程技術也居於領先的地位，以美光為例，今年80%的產品是以0.18微米以下製程生產，居業界之冠。至於台灣的DRAM大廠由於無法掌握核心技術，因而紛紛與世界大廠策略合作，一方面獲得 技術提升，另一方面則可確保一定的訂單。另外，若再加入一些新進的競爭者，可進一步的將DRAM廠商劃分為領導者、追隨者及後進者三類。表1-1 全球DRAM大廠1999年營收及市場佔有率(亞洲證券彙總 2000/11)圖1-3全球前五大全球市場占有率3 半導體的歷史回顧半導體在台灣發展有下列幾個時期：3-1萌芽期(1964年1974年) 1964年國立交通大學成立半導體實驗室，將半導體課程列為主要教學重點，其所培養出的人才，是日後我國IC工業得以順利發展的重要關鍵。1966年美商通用儀器(General Instruments)在高雄設廠，從事電晶體之構裝，開啟了我國封裝產業。爾後，陸續有外商如德州儀器、飛利浦建元電子等在台設廠，引進IC的封裝、測試及品管技術，為我國IC 封裝業奠定了基礎。 技術引進期(1974年1979年) 1974年，政府為使國內電子工業的發展，能持續且逐漸朝技術密集方向轉型，經多方評估研究與籌劃後，乃成立電子工業研究中心(工研院電子工業研究所前身)，設置IC示範工廠，選擇美國RCA公司為技術引進的對象，建立了7.0微米CMOS技術，並與美國IMR(International Materials Research)公司合作，引進光罩製作技術，開啟了我國IC自主技術的序幕。 1976年當時行政院政務委員李國鼎先生擔任應用科技研究發展小組的召集人，負責協助推動我國工業升級。其後在孫運璿擔任行政院長時，李國鼎獲其支持推動了科學技術發展方案，而科技發展方案的具體作為之一則是在1981年成立了新竹科學園區，日後成為國內的矽谷，亦為全球IC產業體系中的重要角色。 3-2技術自立及擴散期(1979年現在) 歷經工研院電子所之電子工業第一期IC示範工廠設置計畫(19751979年)、電子工業第二期發展計畫(19791983年)、及超大型積體電路發展計畫(19831988年)後，已將我國半導體技術推向超大型積體電路的舞台。1980年工研院電子所正式衍生成立聯華電子公司，成為國內第一家IC製造業者，並以四吋廠開始生產IC後，我國才正式跨足到積體電路前段商業化製造工程階段。1987年工研院電子所再度衍生六吋晶圓超大型積體電路製程技術的台灣積體電路製造公司(TSMC)、以及1988年衍生之國內第一家專業光罩廠商台灣光罩公司，使得我國IC產業體系的雛型於焉成形。 我國IC產業的發展，在最初的前15年是靠後段的封裝、測試作為產業的發展主軸；之後的15年則因陸續建立不少四吋、五吋及六吋晶圓廠，遂逐步由後段向前段發展。至1990年初期，在眾多六吋廠陸續成立運轉後，國內IC工業才開始蓬勃發展起來。19931995年間全球IC市場在熱絡景氣帶動下，更興起了八吋廠的投資熱潮， 在1994年工研院電子所衍生成立世界先進公司（為我國第一座DRAM八吋晶圓廠）之帶動下，國內十八座以上的八吋晶圓廠亦陸續投入見圖1-4所示。廠商帶來的高獲利又吸引了更多的IC公司前仆後繼地投入。在IC製造業的帶動下，IC週邊相關產業也因而蓬勃發展。而除了國內的IC業內或業外廠商的積極參與外，國際級的相關大廠，亦開始積極投入台灣市場，為我國IC產業開創了前所未有的燦爛歲月，更將我國IC產業推向國際舞台。2000年為因應全球SoC風潮，工研院成立系統晶片（SoC）技術中心，結合四十家廠商，成立SoC推動聯盟以建構我國矽智產(Silicon IP)的產生、流通與應用環境，使我國IC產業朝創新導向發展見圖1-5所示。圖1-4 我國IC產業發展階段歷程 工研院經資中心(2001年3月)圖1-5 我國IC產業技術發展策略 工研院經資中心(2001年3月)二 半導體的封裝材料1 概論電子封裝是將半導體芯片結合在一起形成一個以半導體為基礎的電子功能塊器件可以分為芯片封裝組件封裝。芯片封裝是把芯片安裝在一個載體上也可以安裝在電路板或組件上載體常用塑料薄膜。電路板封裝是在環氧樹脂為基板的印制電路板上進行化學蝕刻或鍍銅等工藝。芯片封裝與電路板封裝一般應用于中低檔產品中高性能計算機中則需要採用組件封裝它是將多個高性能集成電路通過多層陶瓷技術封裝成一個整體的器件以利于散熱和減少信號傳輸時的延遲。常用的印制電路板由玻璃纖維增強的環氧樹脂層壓板制成它的缺點是熱穩定性差線脹系數大但對集成電路封裝材料的基本要求是它對電子元器件的熱應力要小因此應通過環氧與有機硅改性制得的高分子合金來達到。在有機硅樹脂中引入羧基,以提高它與環氧樹脂界面間的親和性,來得到分散粒子很小的微相分離型高分子合金其中有機硅樹脂分散粒子的直徑可小到0.1m以下內應力就可顯著下降。此外若採用玻纖/聚亞胺或芳香聚胺纖維/環氧樹脂制成的印制電路板可明顯提高熱穩定性而不降低其線脹系數。所以形成了兩個分明的市場電子零件成型所需要的高性能ETP,和用于PCB與封裝材料的熱固性材料。因為ETP很少用在PCB片層和封裝材料中而只有極小量的熱固性材料用在成型電子元件中所以兩者之間的交叉應用極少。自動化檢測技術 電子金屬元件 電子及機械組件製程監控（製程控制、材料分檢） 工程結構安全檢測（壓力容器、熱交換管） 電子材料及元件設計應用（無鉛銲錫、連接器） 輕量化結構設計（軌道車輛、機車架） 材料強度及可靠度分析（電子構裝） 防蝕及應用電化學 耐久性鋼筋混凝土材料應用 工程結構防蝕技術 應用電化學材料製程技術（銅箔、奈米製程） 電化學監控系統開發（電位、雜訊、交流阻抗） 結構檢監測及安全評估 耐久性RC材料及修復技術 電極材料開發（DSA電極） 多尺度模擬實驗室 制振技術 量子、分子動力、連續體理論耦合計算模擬建立與應用 奈米結構性能及製程計算模擬 探討重點產業之材料與製程技術瓶頸及展望，提供產業技術前瞻發展資訊 制振及吸音複合材料製程加工 制振及吸音產品之動態機構模擬分析及產品開發 音響產品研發 資訊高分子複材 構造複合材料 正溫度係數導電複材（PPTC） 氟系高頻印刷電路基板製程開發 氣體輔助三明治共射出成形整合技術 複合材料補強鋼筋混凝土結構物技術 自行車產品設計、製造技術 碳纖維補強混凝工法 結構陶瓷 電子陶瓷元組件 陶瓷近實形製程技術 光纖連接器陶瓷袖管高壓射出成形 紡織工業用絲導及噴嘴高壓射出成形 氧化鋯高壓低壓射出成形 碳化矽機械軸封圈及紡織剪刀乾壓成形 氧化鋯刀具壓力注漿成形 陶瓷精密研磨加工及檢測技術 粉體粒徑、陶瓷密度、射出料流變性質、抗折強度、硬度、耐磨耗性能 低溫共燒陶瓷材料系統、製程技術及通訊用元組件開發 磁性材料、製程技術與資訊及電源用元組件開發 壓電材料、製程技術與壓電相關元件開發 高界電常數、高值界電材料及微波元件開發 半導化陶瓷材料、製程技術與元件開發 電磁路與元組件模擬與設計技術開發 相關元組件生產之自動化設備與儀器開發 感測器技術 感測技術研究開發 物理和化學感測之模擬、設計、製程、封裝、組裝、測試、應用 感測器應用技術輔導 感測器應用、測試、校正、補償、應用封裝、介面設計 感測器應用產品開發 保健血壓計、汽車胎壓計、氣象氣壓計、智慧吸塵器、壓力控制開關表 開發微影工程技術 開發電著微影法彩色濾光片製程 建立高性能印刷電路板技術 結合塗佈工程技術開發Photo Via 塗佈設備 開發光阻材料技術 建立乾膜式彩色濾光片製程及材料技術 建立TFT-LCD Array用之彩色光阻技術 建立顏料分散型彩色光阻技術 開發LCD用光阻材料 有機發光二極體(EL)液晶與配向膜材料 建立EL元件及材料技術 開發EL被動式驅動技術 建立EL元件商品化技術 建立EL材料之量產及純化技術 建立液晶材料設計、合成及配方能力 建立配向膜材料之合成、配方技術 開發LCD用之塑膠基材 開發高亮度膜及廣是角膜塗佈材料 聚亞醯胺材料電子構裝高分子材料 電子用聚亞醯胺相關材料及配方開發 耐高溫樹脂材料開發 低介電樹脂材料開發 感光性聚亞醯胺材料開發 成卷連續式塗佈水性樹脂塗料開發 塗佈基材化性物性評估 電子構裝用高分子封裝材料配方開發 硬化樹脂系統開發 高介電常數高分子材料系統開發 環氧樹脂系介電高分子系統開發 可修復式接著樹脂系統開發 絕緣樹脂材料開發 塗佈工程技術 產品開發塗佈工程支援 塗佈流場模擬分析 乾燥效率及方法研究 連續式貼合製程研究 非連續式大面積塗佈研究 多層塗佈工程研究 多層塗佈模頭設計及發包 2 封裝材料市場市場分析與技術現況隨著半導體產業的高度發展，電子產品在IC元件的設計上朝向高腳數與堆功能化的需求發展，而在元件外觀上亦朝著清、薄、短、小的趨勢演進，因此在封裝製程上亦面臨諸多挑戰，諸如導線架的設計日趨複雜、封裝材料的選用、封裝製程中金線數目的高密度集積化，以及模流充填時所產生的金線拼移與薄形封裝翹曲變形等問題，都是產業界目前所遭遇的課題。 IC封裝材料的原料主要班含環氧樹脂（Epoxy）及無機性的Silica添加劑，一般分為Cresol的Block系（泛用型）及Bisphenol系（高級型），然而隨著IC封裝的小形化及高密度集積化的發展，使得導線架及基板的封裝在耐高溫上的要求變的特別嚴格，便近一度發展至Disphenol係的EMC（固態模封材料，Epoxy Molding Compound:EMC）。未來亦將朝向減少對環境有極大影響的鹵素（Halgen）及銻（Sb）難燃劑使用以及促進液態模封材料的實用化。 在全球模封材料市場中，目前主要的生產廠商皆為日商，市場佔有率高達9成以上，主要的五大廠商依序為住友、日東電工、日立化成、信越化學及松下電子等五家企業，其他尚有日商Toray、東芝及美商Deaxter、Amokor、台灣長春化學等公司。而在液態封止材料上，主要的供應商有Dexter、Hysol、Ciba、Matsushita、Toshiba等公司。 在國內，目前我國EMC約有9成以上需仰賴進口，最大宗的低應力等級產品有住友及日東，低射線產品以日立及信越為代表，值得一提的是目前最熱門的PBGA產品所用的EMC幾乎全是採用Plaskon的產品。雖然目前國內已有新投入的生產廠商，但在利潤空間及技術考量上尚有關卡極待突破。3 半導體及電路板在業界常被使用的材料Nomex芳香族聚醯胺纖維這些芳香族聚醯胺纖維、紙、和絕緣用合成纖維壓板具有耐高溫性能,超強的絕緣特性,和高超的抗拉強度,連同極佳的柔韌性和彈性。Nomex 有帶裝和板裝可供使用,為線圈層板和線圈骨周圍提供卓越的層和面絕緣。CrastinPBT熱塑型聚酯樹脂這些聚對苯二甲酸丁二酯聚酯有極佳的可加工性、剛性、和良好的電器性能。它們用於連接器、線圈骨架、和其它的電器元件。RynitePET熱塑型聚酯樹脂Rynite PET對苯二甲酸乙二酯聚酯樹脂具有熱穩定性、電器性能、尺寸穩定性和剛性等幾方面的極優組合,適合當今的小型及更為複雜的電器和電子元件應用。Rynite PET廣泛用於線圈骨架和塑料封裝上。Zenite LCP液晶高分子樹脂ZeniteLCP樹脂是芳香族的聚酯樹脂,具有較高的熔點(335352C即635666F)。即使在很高的溫度下也具有極優的尺寸穩定性和抗蠕變性。其良好加工性實現了大規模成型凸緣厚度為0.25mm(10mil)的表面黏著式線圈骨架。Zytel 尼龍樹脂在世界上使用的全部線圈骨架中，有超過半數是用無補強的或玻璃補強的聚醯胺(尼龍)樹脂,包括 PA 6、PA 66和PA612。ZytelPA樹脂具良好堅韌性、延伸性、插針保持性、和易於加工等性能，主要應用於變壓器、繼電器、馬達、和其他有關線圈骨架的電器元件。Zytel 樹脂還被廣泛用作線圈封裝材料。ZytelHTN高性能聚酯樹脂ZytelHTN樹脂是高性能尼龍共聚物,熔點超過(300C即572F),玻璃轉化溫度(乾性)為(90140C即194284F)。ZytelHTN 應用於那些需要高強度和高溫度性能的產品中。Kapton聚醯亞胺薄膜超韌性的聚醯亞胺薄膜,具有抗極端溫度(400C即752F)和壓力的能力。它不受大多數化學物質的影響。作為一種絕緣材料,Kapton具有無可比擬的絕緣性能和出色的抗拉強度,這樣就可採用較薄的壁結構增加性能和成本效率。Mylar聚酯薄膜這種格外堅韌的聚酯薄膜可提供在化學、電器、物理和熱性能等方面的獨特平衡。很適合作電器、電子及工業用途。Mylar提供電線、電纜與線圈之間的阻隔和絕緣能力。Kaladex薄膜Kaladex薄膜在聚酯及聚醯亞胺薄膜的價格和性能之間架起了一座橋梁。4 漆包線漆和封裝化合物優質的漆包線漆和眾多的封裝化合物可供使用於那些需要達到UL和IEC標準的電器產品。三 半導體電子構裝技術1 構裝的目的 以薄膜製程技術在矽或砷化鎵等晶圓上製成的IC元件尺寸極為微小，結構也極其脆弱，因此必須使用一套方法把它們“包裝”起來，以防止在輸送與取置過程中外力或環境因素的破壞；此外，積體電路元件也必須與電阻、電容等被動元件組合成為一個系統才可以發揮既定的功能。電子構裝即在建立IC元件的保護與組織架構，它始於IC晶片製成之後，包括IC晶片的黏結固定、電路連線、結構密封、與電路板之接合、系統組合、以至於產品完成之間的所有製程，其目的為完成IC晶片與其它必要之電路零件的組合，以傳遞電能與電路訊號、提供散熱途徑、承載與結構保護等功能，如圖3-1。圖3-1 半導體構裝功能1-1 構裝的技術層次區分 從IC晶片的黏結固定開始到產品的完成，電子構裝的製程技術常以圖3-2所示的四個不同的層次(Level)區分之，第一層次係指將IC晶片黏結於一構裝殼體中並完成其中的電路連線與密封保護之製程，又常稱為模組(Module)或晶片層次構裝；第二層次構裝係指將第一層次構裝完成的元件組合於一電路卡(Card)上的製程；第三層次則指將數個電路板組合於一主機板(Board)上成為一次系統的製程；第圖3-2 構裝的層次區分四層次則為將數個次系統組合成為一完整的電子產品(Gate)的製程。IC晶片上的連線製程也被稱為第零層次的構裝，故電子構裝的製程有時又以五個不同的層次區分之。 電子構裝是一門跨學門的工程技術，它是產品電性、熱傳導、可靠度、可應用的材料與製程技術、以及成本價格等因素最佳化的整合，因此構裝的製程中知識技術與材料的運用有相當的彈性，例如，混成電路(Hybrid Circuits)是混合第一層次與第二層次技術的構裝方法；晶片直接組裝(Chip-on-Board，COB)省略第一層次構裝，直接將IC晶片接合在屬於第二層次構裝的電路板上。隨著製程技術與新型材料不斷地被開發出來，電子構裝技術也呈現多樣之變化，故前述的技術層次區分亦非一成不變的準則。 構裝的分類 依構裝中組合的IC晶片數目，電子構裝可區分為單晶片構裝(Single Chip Packages，SCP)與多晶片構裝(Multichip Packages，MCP)兩大類，多晶片構裝也包括多晶片模組構裝(Multichip Module，MCM)。依密封的材料區分，塑膠與陶瓷為主要的種類，這兩種構裝的製程基本步驟如圖3-3所示。陶瓷構裝(Ceramic Packages)熱傳導性質優良，可靠度佳，塑膠構裝(Plastic Packages)的熱性質與可靠度雖遜於陶瓷構裝，但它具有製程自動化、低成本、薄型化構裝等優點，而且隨著製程技術與材料的進步，其可靠度已有相當之改善，塑膠構裝為目前市場的大宗。 依元件與電路板接合方式，構裝可區分為引腳插入型(Pin-Through-Hole，PTH，也稱為插件型)與表面黏著型(Surface Mount Technology，SMT)兩大類，PTH元件的引腳為細針狀或薄板狀金屬，以供插入腳座(Socket)或電路板的導孔(Via)中進行銲接固定；SMT元件則先黏貼於電路板上後再以銲接固定，圖3-3 構裝的分類它具有海鷗翅型(Gull Wing或L-lead)、鉤型(J-lead)、直柄型(Butt或I-lead)之金屬引腳，或電極凸塊引腳(也稱為無引腳化元件) 見圖3-4；捨棄第一層次構裝直接將IC晶片黏結到基板上，再進行電路連線與塗封保護的裸晶型(Bare Chip)構裝亦被歸類於SMT 接合的一種，此種構裝也被稱為晶片直接粘結(Direct Chip Attach，DCA)構裝，它更能符合“輕、薄、短、小”的趨向，因此成為新型構裝技術研究的熱門題目之一。 圖3-4 各種引腳的種類 以引腳分布形態區分，構裝元件有單邊引腳、雙邊引腳、四邊引腳與底部引腳等四種。常見的單邊引腳元件有單列式構裝(Single Inline Packages，SIP)與交叉引腳構裝(Zig-zag Inline Packages，ZIP)；雙邊引腳元件有雙列式構裝(Dual Inline Packages，DIP)、小型化構裝(Small Outline Packages，SOP或SOIC)等；四邊引腳元件有四邊扁平構裝(Quad Flat Packages，QFP)，QFP構裝也稱為晶粒承載器或晶片載體(Chip Carrier)；底部引腳元件有金屬罐式(Metal Can Packages)與針格式構裝(Pin Grid Array，PGA，也稱為針腳陣列構裝)。 1-2 構裝技術簡介 IC晶片的構裝有各種不同型態，構裝的形態以及該用何種製程技術與材料去完成由產品電性、熱傳導、可靠度之需求、材料與製程技術、成本價格等因素所決定。形態相同的構裝可以應用不同的製程技術與材料完成，所述及的製程技術內容包括：晶片黏結(Die Mount或Die Attachment)、連線技術(Interconnection)、引腳架(Leadframe)、薄膜/厚膜(Thin/Thick Film)技術、陶瓷構裝、密封(Sealing)、塑膠構裝、印刷電路板(Printed Circuit Boards，PCB)、銲錫與錫膏(Solder/Solder Paste)、元件與電路板之接合、清潔與塗封以及新型構裝技術等。2 晶片黏結 晶片黏結也簡稱為黏晶，它係指IC晶片被固定於構裝基板或引腳架的晶片承載座上之製程步驟。陶瓷構裝以金-矽共晶(Eutectic)黏結法最常被使用；塑膠構裝則以高分子黏著劑黏結法為主，常見的黏結方式有共晶黏結法、玻璃膠黏結法、高分子膠黏結法、銲接黏結法等四種。2-1 共晶黏結法 共晶黏結法利用金-矽合金在3wt%矽，363時產生的共晶反應特性進行IC晶片的黏結固著。常見的方法為將IC晶片置於已鍍有金膜的基板晶片座上，再加熱至約425藉金-矽之交互擴散作用而形成接合，共晶黏結通常在熱氮氣遮護的環境中進行以防止矽之高溫氧化，基板與晶片在反應前亦須施予一交互磨擦(Scrubbing)的動作以除去矽氧化表層，增加反應液面的潤濕性。潤溼不良的接合將導致孔洞(Voids)的產生而使接合強度與熱傳導性降低，同時也會造成應力分布不均勻而導致IC晶片破裂損壞。 為了獲得最佳的黏結效果，IC晶片背面常先鍍有一薄層的金並在基板的晶片承載座上植入預型片(Preform)，預型片一般為約25mm厚，其面積約為晶片三分之一的金-2wt%矽合金薄片，使用預型片可以弭補基板孔洞平整度不佳時所造成的接合不完全，因此在大面積IC晶片之黏結時常被使用。因為預型片並非金矽成分完全互溶的合金，其中的矽團塊仍然會發生氧化的現象，故黏結過程中仍須進行交互摩擦的動作並以熱氮氣遮護之；預型片亦不得過量使用，否則所造成材料溢流對構裝的可靠度有害。預型片亦可使用不易氧化的純金片，但接合時所需的溫度較高。 2-2玻璃膠黏結法 玻璃膠黏結法為僅適用於陶瓷構裝之低成本晶片黏結技術，其係以戳印(Stamping)、網印(Screen Printing)、或點膠(Syringe Dispensing)的方法將填有銀的玻璃膠塗於基板的晶片座上，置妥IC晶片後再加熱除去膠中的有機成分，並使玻璃熔融接合。玻璃膠黏結法可以得到無孔洞、熱穩定性優良、低殘餘應力與低溼氣含量的接合，但在黏結熱處理過程中，冷卻溫度須謹慎控制以防接合破裂；膠中的有機成分亦須完全除去，否則將有害構裝的結構穩定與可靠度。 2-3 高分子膠黏結法 由於高分子材料與銅引腳架材料的的熱膨脹係數相近，高分子膠黏結法因此成為塑膠構裝常用的晶片黏結法，其亦利用戳印、網印或點膠等方法將環氧樹酯(Epoxy)或聚亞醯胺等高分子膠塗佈於引腳架的晶片承載座上，置妥IC晶片後再加熱使完成黏接。高分子膠中亦可填入銀等金屬以提高其熱傳導性；膠材可以製成固體膜狀再施予熱壓接合。低成本且能配合自動化生產製程是高分子膠黏結法廣為採用的原因，熱穩定性不良與易致有機成分洩漏而影響構裝可靠度則為此一方法的缺點。 2-4 銲接黏結法 銲接黏結法為另一種利用合金反應進行晶片黏結的方法，能形成熱傳導性優良的黏結為其主要的優點。銲接黏結法也必須在熱氮氣遮護的環境中進行以防止銲錫氧化及孔洞的形成，常見的銲料有金-矽、金-錫、金-鍺等硬質合金與鉛-錫、鉛-銀-銦等軟質合金，使用硬質銲料可以獲得良好抗疲勞(Fatigue)與抗潛變(Creep)特性的黏結，但它有因熱膨脹係數差異引致的應力破壞問題；使用軟質銲料可以改善此一缺點，但使用前須在IC晶片背面先鍍上多層金屬薄膜以促進銲料的潤濕。3 引腳架的製作 引腳架也稱為引線架或導線架，它是構裝元件電、熱傳導的途徑，元件重量亦賴其支撐，引腳架材料也是所有構裝材料中需求量最大者。 3-1 引腳架的材料 引腳架材料有鎳鐵合金、複合或披覆(Clad)金屬、銅合金等三大類。 Alloy 42(42%鎳-58%鐵)為使用歷史最悠久的引腳架材料，它原是真空管的針腳材料，有與矽及氧化鋁相近的熱膨脹係數、良好的強度與韌性、毋須鍍鎳即可進行電鍍與銲錫沉浸製程等優點，因此在電子構裝中使用廣泛。最大的缺點為低熱傳導率，因此比較不適合使用於高功率或長時間操作元件的構裝中。複合金屬材料通常以高壓將銅箔滾軋在不銹鋼片上再進行固溶熱處理接合而成，複合金屬材料與Alloy 42的機械性質相近，但有更優良的熱傳導率。 3-2 引腳架的製作 電子構裝所用的引腳依其形狀可區分為薄板狀與針狀兩種。薄板狀引腳材料的製備由合金原料準備，經鑄造、鍛造或滾壓，切割、熱處理、車銑、研磨拋光、電鍍等步驟製成厚度約為0.1mm至0.25mm，表面品質平整光滑的薄片。銅合金也可以利用連續鑄造(Continuous Casting)技術直接鑄成12.5mm的薄片，再以冷滾壓成所需厚度的薄片。引腳架材料均須施予熱處理以使具有適當的強度與韌性並除去殘餘應力，所得的金屬薄片再以沖模或蝕刻方法成引腳架。 沖模製程利用累進式模具(Progressive Dies)逐次將金屬薄片沖製成所需形狀的引腳架，它有速度快、產量高、單位成本低的優點，缺點則為需要精密、昂貴模具，起始成本高，不適用於小量生產。蝕刻製程則先以微影成像技術在金屬薄片上定出引腳架的形狀，再以氯化銅、三氯化鐵或高硫酸銨蝕刻液除去不必要的金屬部份製成所需的引腳架，蝕刻製程起始成本低，設備較為簡單，適合形狀複雜與研發中的引腳架製作，缺點則為產能低與單位成本高。引腳架製成後，其表面通常須再鍍上鎳、金或銀以配合後續的製程應用，銀可直接鍍於鎳鐵合金引腳架上，但因成本的考量，通常僅在IC晶片承載座與打線的位置鍍銀；銅合金引腳架在鍍銀之前須先鍍上鎳。 針狀引腳的應用可以PGA構裝為代表，由於引腳插入式接合對引腳強度的需求較高，因此針狀引腳通常使用Alloy 42或Kovar合金製成，再以金-錫硬銲(Brazing)方法固定在構裝基板上。針狀引腳的表面處理視元件與電路板接合的方式而定，銲接接合用針腳表面依序鍍有鎳與金；以插入彈簧腳座進行接合的針腳表面則鍍有鈀與金。 在塑膠構裝中引腳架為鑄模基地的骨架，也是主要的散熱途徑，故引腳架的設計也是塑膠構裝中重要的一環，設計時應注意的項目包括引腳形狀、間距、寬度、長度、厚度等之配置。由於引腳架將完全被樹酯鑄模材料包圍，金屬部份面積愈大，鑄模材料冷卻收縮的程度愈大，對水分子的滲透阻絕能力愈高，但金屬部份面積過大時，鑄模材料相互黏結部份的面積將呈不足，構裝上、下部份裂開分離的機會也愈大，因此設計時應在這兩個需求中求取平衡，通常的設計原則為金屬部份面積應小於塑膠鑄模材料黏結部份的面積。塑膠鑄模材料與引腳架材料間的熱膨脹係數差異同時也是應力破壞產生的原因之一，因此應用於塑膠構裝中的引腳架晶片承載座部份往往製成一凹陷的形狀以使IC晶片表面與構裝的彎曲中點在同一平面，此一設計同時也有防止塑膠鑄模過程中發生倒線短路的機率；製作引腳架時，晶片承載座的邊緣也應除去沖模殘餘的突邊，以免形成應力破壞裂隙的起源，底部也可以製出週期性排列的凹槽以增進與鑄模材料的黏接。 4 構裝之密封 電子構裝的目的之一為提供IC晶片之保護，以免受不當的外力破壞。外在的環境因素中，水氣是IC晶片破壞最主要的因素。水氣會侵入元件中使絕緣材料的表面電阻降低；由於IC晶片中導線電路的間距極小，故導線間很容易建立一強大的電場，水氣侵入時在相同導體金屬間會引發電解反應，使陽極金屬溶解，陰極金屬產生鍍著；在不同導體金屬間，水氣會引發電池反應而產生腐蝕，這些反應都會造成IC元件的劣化與損壞。 電子構裝製程使用了各式各樣的材料。圖.3-5所示為各種構裝材料的水氣滲透性。依據材料的水分子滲透特性區分之，能達成所謂氣密性密封(Hermetic Sealing)的材料僅有金屬、陶瓷與玻璃，故金屬構裝與陶瓷構裝同被歸類於高可靠度的構裝。 4-1 金屬密封構裝 金屬具有最優良的水分子阻絕能力、熱傳導特性與電遮蔽性，在分立式元件與高功率元件的構裝中，金屬構裝仍然佔有相當的市場，在高可靠度需求的軍用電子構裝其應用尤其廣泛。金屬構裝通常有一罐狀或盒狀的金屬基台，內墊一層能緩衝IC晶片與金屬熱膨脹係數差異的金屬層，針狀的引腳係以玻璃材料固定在基台的鑽孔中，IC晶片與基台的黏結以金或錫銲完成，以打線接合將針腳與IC晶片電路連接後，再以熔接、硬銲、錫銲將金屬封蓋與基台密封接合。 圖3-5 各種材料的水氣滲透性 陶瓷構裝也可以利用金屬材料進行密封，一般是利用厚膜技術在基板周圍鍍上一層鉬或鎢的金屬環，其表面再鍍上鎳或金，然後使用熔接或錫銲的方法將金屬封蓋接合而形成密封。 使用熔接的方法不使用銲料，而直接以放電加工、電子束熔接或雷射熔接的方法使封蓋與基板金屬部份產生局部之熔融而形成接合，它的優點為接合面平整程度對接合品質的影響不大、可以獲得最優良的產品生產速度、良率與可靠度，它的缺點則為不能移去封蓋進行修復。錫銲與硬銲為可進行修復的密封方法，它們皆使用銲料進行封蓋與構裝基板的接合，前者常用的材料為鉛-錫、鉛-錫-銀、鉍-錫等材料，後者則使用金-錫共晶合金(80%金-20%錫，共晶溫度為28)。這兩種密封方法通常將密封材料製成預形片，置妥封蓋後再將構裝元件移入熱處理爐中加熱而完成接合。錫銲的方法通常須使用助銲劑(Flux)，故使用時應注意其可能造成腐蝕或銲錫的溢流短路，此外錫銲所得的接合強度較低，也較容易形成介金屬化合物而導致脆性破壞。硬銲的方法應防止基板或封蓋上的鍍金層溶入銲料中而造成熔融接合的溫度升高，因此對接合面的平整度與熱處理溫度及氣氛應謹慎控制，以免發生接合不完整的缺陷。 4-2 玻璃密封材料 玻璃為微電子工業重要的材料之一，它是IC元件絕緣及鈍態保護層常見的材料，具有優良的化學穩定性、抗氧化性、電絕緣性與緻密性，也可以藉成分的調整改變其性質而應用於各種不同需求的製程中。在金屬與陶瓷構裝中，玻璃為為主要的密封性材料。 一般而言，玻璃與陶瓷之間有良好的黏著性，但熔融玻璃在金屬上必須產生最大潤濕時才能建立良好的接合，研究顯示溶有飽和金屬氧化物的玻璃與乾淨的金屬表面接觸時有最佳的潤濕特性；許多工業應用也證實金屬氧化物的溶解為金屬與玻璃密封接合的關鍵步驟。玻璃在無氧化物的金屬表面不能形成接合，因此如何調整材料中的合金成分與表面處理以長成緻密且與母材鍵結強度高的氧化物層是引腳架製程重要的一環。玻璃材料的選擇與引腳架材料的種類有關，在金屬與玻璃的匹配封合(Matched Seals)中，兩種材料應有非常相近的熱膨脹係數，且金屬表層氧化物必須十分緻密且不易剝落；在壓縮封合(Compression Seals)中，玻璃比金屬有更低的熱膨脹係數，在密封完成冷卻後，金屬有較大的收縮而壓迫玻璃形成密封，而毋需金屬氧化物的輔助；壓縮封合的密封性較佳，但接點的熱穩定性遜於匹配封合。 玻璃材料最主要的缺點為其低機械強度及易脆的材質，因此在應用時須對密封結構、玻璃材料種類與製程技術等做一整體的考量，以避免應力破壞的發生。 四 半導體製成設備的概論1概論微機電製作技術，尤其是最大宗以矽半導體為基礎的微細加工技術，原本就源於半導體元件的製程技術，所以以下必須先介紹清楚這類製程2 潔淨室 一般的機械加工是不需要潔淨室的，因為加工解析度在數十微米以上，遠比日常環境的微塵顆粒為大。但進入半導體元件或微細加工的世界，空間單位都是以微米計算，因此微塵顆粒沾附在製作半導體元件的晶圓上，便有可能影響到其上精密導線的樣式，造成電性短路或斷路圖4-1 無菌室與人員穿著為營造潔淨室的環境，有專業的建造廠家，及其相關的技術與使用管理辦法如下：一、內部要保持大於一大氣壓的環境，以確保粉塵只出不進。二、為保持溫度與濕度的恆定，大型空調設備須搭配於前述之鼓風加壓系統中。三、所有氣流方向均由上往下為主，儘量減少突兀之室內空間設計或機台擺放調配，使粉塵在潔淨室內迴旋停滯的機會與時間減少四、所有建材均以不易產生靜電吸附的材質為主。五、所有人事物進出，都必須經過空氣吹浴的程序，將表面粉塵先行去除。六、人體及衣物的毛屑是一項主要粉塵來源，為此務必嚴格要求進出使用人員穿戴無塵衣，除了眼睛部位外，均需與外界隔絕接觸 當然，化妝是在禁絕之內，鉛筆等也禁止使用。七、除了空氣外，水的使用也只能限用去離子水。一則防止水中粉粒污染晶圓，二則防止水中重金屬離子，如鉀、鈉離子污染金氧半電晶體結構之帶電載子通道，影響半導體元件的工作特性。八、潔淨室所有用得到的氣源，包括吹乾晶圓及機台空壓所需要的，都得使用氮氣 (98%)，吹乾晶圓的氮氣甚至要求99.8%以上的高純氮以上八點說明是最基本的要求，另還有污水處理、廢氣排放的環保問題3 晶圓製作 矽晶圓是一切積體電路晶片的製作母材。既然說到晶體，顯然是經過純煉與結晶的程序。目前晶體化的製程，大多是採柴可拉斯基拉晶CZ法。拉晶時，將特定晶向的晶種seed，浸入過飽和的純矽熔湯中，並同時旋轉拉出，矽原子便依照晶種晶向，乖乖地一層層成長上去，而得出所謂的晶棒。晶棒的阻值如果太低，代表其中導電雜質太多，還需經過FZ法的再結晶，將雜質逐出，提高純度與阻值。 如圖4-2所示圖4-2 常用之矽晶圓之切邊方向4 半導體製程設備 半導體製程概分為三類：(1)薄膜成長，(2)微影罩幕，(3)蝕刻成型。設備也跟著分為四類：(a)高溫爐管，(b)微影機台，(c)化學清洗蝕刻台，(d)電漿真空腔室。4-1 氧化（爐） 對矽半導體而言，只要在高於或等於1050的爐管中，如圖所示，通入氧氣或水汽，自然可以將矽晶的表面予以氧化，生長所謂乾氧層或溼氧層，當作電子元件電性絕緣或製程掩膜之用。如圖4-3所示 圖4-3 氧化高溫爐管4-2 擴散(爐) 一、擴散攙雜半導體材料可攙雜n型或p型導電雜質來調變阻值，卻不影響其機械物理性質的特點，是進一步創造出p-n接合面、二極體、電晶體、以至於積體電路（IC）世界之基礎。而擴散是達成導電雜質攙染的初期重要製程。二、前擴散第一種定濃度邊界條件的濃度解析解是所謂的互補誤差函數，其對應之擴散步驟稱為前擴散 三、後驅入第二種定攙雜量的邊界條件，具有高斯分佈的濃度解析解。對應之擴散處理程序叫做後驅入，即一般之高溫退火程序,基本上只維持爐管的驅入工作溫度，擴散源卻不再釋放 5 微影5-1 正負光阻 原理即利用對紫外線敏感之聚合物，或所謂光阻之受曝照與否，來定義該光阻在顯影液中是否被蝕除，而最終留下與遮掩罩幕，即光罩相同或明暗互補之圖形；相同者稱之正光阻，明暗互補者稱之負光阻。如圖4-4所示圖4-4 正光阻與負光阻之製備程序5-2光罩光罩製作，是微影之關鍵技術。其製作方式經幾十年之演進，已由解析度差的縮影機 (由數百倍大的紅膠紙技術，改良為直接以電腦輔助設計製造軟體控制的雷射束或電子束書寫機5-3 對準機/步進機在學術或研發單位中之電路佈局較為簡易，一套電路佈局可全部寫在一片光罩中，或甚至多重複製。加上使用之矽晶圓尺寸較小，配合使用之光罩本來就不大。所以搭配使用之矽晶圓曝光機台為一般的光罩對準機。一片晶圓只需一次對準曝光，便可進行之後的顯影及烤乾程序。 如圖4-5所示圖4-5 雙面對準曝光對準系統(國科會北區機電系統研究中心)5-4 光阻塗佈 晶圓上微米厚度等級的光阻，是採用旋轉離心的方式塗佈上去。如圖4-6所示圖4-6 光阻塗佈機5-5 厚光阻在於強調可減少一半的光阻用量，且得出更均厚的光阻分佈。其原理極為單純：只是在真空轉台上加裝了跟著同步旋轉的蓋子。如此一來，等於強迫晶圓與蓋子之間的空氣跟著旋轉，那麼光阻上便無高轉速差的粘性旋轉拖曳作用。如圖4-7所示圖4-7 厚光阻塗佈機 (國科會北區微機電系統研究中心)6 蝕刻 6-1 濕蝕刻 最普遍、也是設備成本最低的蝕刻方法，。其影響被蝕刻物之蝕刻速率的因素有三：蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。定性而言，增加蝕刻溫度與加入攪拌，均能有效提高蝕刻速率6-2 乾蝕刻乾蝕刻是一類較新型，但迅速為半導體工業所採用的技術。其利用電漿來進行半導體薄膜材料的蝕刻加工。7 離子植入離子植入法是將III族或IV族之雜質，以離子的型式，經加速後衝擊進入晶圓表面，經過一段距離後，大部份停於離晶圓表面0.1微米左右之深度8 化學氣相沉積 到目前為止，只談到以高溫爐管來進行二氧化矽層之成長。至於其他如多晶矽、氮化矽 、鎢或銅金屬等薄膜材料，要成長堆疊至矽晶圓上基本上仍是採用高溫爐管，只是因著不同的化學沉積過程，有著不同之工作溫度、壓力與反應氣體，統稱為化學氣相沉積9 金屬鍍膜 又稱物理鍍膜，依原理分為蒸鍍與濺鍍兩種。基本上都需要抽真空：前者在10-610-7Torr的環境中蒸著金屬；後者則須在激發電漿前，將氣室內殘餘空氣抽除，也是要抽到10-6 10-7Torr的程度。五 半導體的未來趨勢與成長速率及晶圓1 半導體的未來趨勢國內第一家以提供半導體自動化設備及相關系統整合為主的公司鐠德科技，有鑑於目前國內半導體設備大部分仍需仰賴進口，對於我國半導體工業的發展將有所阻礙。鐠德科技之研發方向，除了有助於大幅提昇本土之自動化整合技術外，更可逐年達成重要零組件自製，有效帶動國內相關產業的層次升級與業務拓展，並提供台灣及全球客戶新世代高效率之半導體自動化設備。 鐠德科技董事長黃啟智表示，為因應時勢所趨，該公司於日前取得經濟部工業局核准為重要科技事業的核准函，以爭取潛在商機。以鐠德科技的產品及服務而言，可分為半導體廠內自動化設備（包含八吋及十二吋晶圓傳送盒、設備前端晶圓緩衝及傳送機、機械手臂、晶圓承載介面、晶圓分檢機、Wafer ID辨識機）及半導體廠內自動化系統整合技術（SECS I / II 、Intranet/Internet、HSMS）。另外，也承接執行經濟部鼓勵新興中小企業開發新技術計畫，並與工業技術研究院、中山科學技術研究院技術合作計畫。 對於目前半導體產能及景氣看法，黃啟智表示，目前半導體產業對於設備需求仍殷切，這一波不景氣對鐠德的影響不大，反倒是不景氣時，會有更多客戶趁機開發新產品或調整產品成本結構，鐠德就會發揮首選的優勢。且該公司所新研發十二吋晶圓盒，於今年六月可進入量產，預估今年業績將有爆發性的成長。 黃啟智指出目前半導體晶圓廠雖以八吋晶圓為主，然而十二吋晶圓面積約為八吋的二五倍，生產成本估計約可減少三至四成，勢必成為未來主流產品。未來半導體產業新廠之設立將以十二吋晶圓為主，而隨著晶圓IC線寬的微細化與積集度的增高、潔淨環境等級的需求，因此國際半導體設備暨材料協會已將標準機械介面SMIF系統做為十二吋晶圓廠的規劃標準，所