實用IC封裝
作  者╱
蕭献賦著
出版社別╱
五南
出版日期╱
2017/11/17   (1版 2刷)
  

I  S  B  N ╱
978-957-11-8112-7
書  號╱
5DJ0
頁  數╱
336
開  數╱
20K
定  價╱
450


  本書係針對入門者編寫的IC封裝專業書籍,目的在於推廣基礎IC封裝知識。書中除收錄和IC封裝相關的基本概念和理論外,也包括作者在職場上累積的實用經驗及心得。      
  書中討論的IC封裝以塑膠封裝為主,主要包含常見IC封裝的材料、製程和相關的認證方式,除介紹各類封裝產品的構造和製造程序之外,也對其背後隱藏的原理加以說明。此外,本書也簡單介紹IC封裝的演變及部分封裝產品之設計概念,讓讀者能知其然,也知其所以然。本書適合作為半導體製程相關課程或是IC封裝相關訓練之參考書籍。由於書中收納常用認證程序,也同時將許多常用數據整理於附表中,對於在工作中需具備基本IC封裝知識的IC設計工程師、外包工程師、QA工程師、及可靠度工程師來說,也適合作為工具書使用。
※推薦文
推薦序
臺灣IC產業產值排名全球第二,僅次於美國,其中IC設計排名全球第二,而晶圓代工與IC封測產值都是全球第一。依工研院經資中心公布資料顯示,2013年臺灣IC產業產值達新台幣1.89兆元,為國內製造業總產值13.4%,占我整體出口產值20%以上,這個產值也超過全球半導體市場五分之一,半導體產業可謂是「臺灣之光」,也是臺灣經濟命脈。書中提及的IC封裝是半導體產業鏈必要且重要的一環,臺灣的IC封測產業產值占全球比重逾50%,也穩居全球專業委外IC封測(OSAT)龍頭地位。這些產業出色的表現,主要繫因於產業善用人才及不斷創新而獲致的結果,也是國內產業先進共同努力的成績。
本書作者蕭獻賦博士數年前加入穩懋半導體的行列,協助公司在現有晶圓廠內增加晶圓凸塊製造技術及建立IC封裝之基礎能力。有感於IC產業對臺灣經濟的重要性,然而國內大學校院鮮少開設相關課程,系統性介紹IC封裝知識及培育人才,坊間亦少有相關領域中文參考書籍,將他在業界十餘年累積的實務經驗及工作心得,以深入淺出方式撰寫本書,希望能幫助新進從業人員儘快獲得IC封裝相關知識,解決工作上所遭遇的問題。蕭博士以其所學所知分享有志於此的青年朋友,吸引更多優秀人才投入IC產業,為產業貢獻一己之力,同為國內半導體產業的一分子,本人特別為序以表支持及鼓勵。

王郁琦 博士
穩懋半導體股份有限公司 總經理

蕭献賦
畢業於成功大學,在清華大學取得碩士學位後赴美進修獲得俄亥俄州立大學工程博士學位,並曾前往美國喬治亞理工學院進行博士後研究。2000年進入日月光半導體公司,先後在RD及晶圓凸塊部門工作,服務期間曾負責晶圓凸塊生產線之建廠及營運。2009年加入穩懋半導體公司,負責建立亞洲第一條位於III-V族晶圓廠內的晶圓凸塊生產線,並在晶圓廠內建立IC封裝能力。

第一章 簡介:IC封裝和半導體   
1. IC封裝在國內的產值
2. 電子產品與IC
3. 什麼是IC封裝
4. IC封裝的目的和功能
5. 封裝的層次
6. 半導體和電晶體
第二章 IC封裝的演變、種類和趨勢   
7. 早期開發的IC封裝
8. 導線架封裝
9. 塑膠載板封裝
10. 覆晶封裝與凸塊
11. WLP與WLCSP
12. 3DIC與SiP
第三章 封裝材料與製程   
13. 封裝製程主要材料
14. 導線架封裝製程
15. 塑膠載板封裝製程
16. 覆晶封裝製程
17. 晶圓凸塊製程
18. WLCSP
19. 密合封裝與氣腔封裝
第四章 封裝產品的可靠度和失效分析   
20. 可靠度與常見名詞
21. 常見產品壽命分布模型
22. 浴缸曲線
23. 韋柏分布
24. IC封裝的可靠度
25. 上板前環境條件
26. 熱應力
27. 溫度循環試驗
28. 壓力鍋測試
29. 高溫儲存試驗
30. 濕度耐受試驗
31. 高速濕度耐受試驗
32. IC封裝可靠度驗證計畫
33. 失效分析誤判的可能
第五章 熱和應力與IC封裝設計   
34. 溫度對IC的影響
35. 熱阻和散熱設計的基礎概念
36. 實用封裝熱阻定義與應用
37. 以數值方法模擬產品中的溫度和應力
38. 利用ANSYS模擬軟體進行BGA焊點失效位置預測
參考資料   
索引   

光學設計達人必
修的九堂課
光機電系統設計
與製作
視光學概論
共舞雷射
自動化控制元件
設計與應用:台
達PLC/HM
I/SERVO
應用開發
半導體製程設備




1.IC封裝在國內的產值
臺灣土地面積及人口數雖然小而無法與大多數的已開發國家相比,不過,在這塊土地上有為數不少的產業曾經或一直居世界領導地位,值得我們感到自豪及驕傲,半導體產業就是一個很好的例子。例如:台積電單一公司掌握全世界45%以上的晶圓代工市場;穩懋半導體生產的III-V族晶圓,則占有全世界60%以上的砷化鎵晶圓代工市場。此外,全球50%以上的IC封裝代工服務來自臺灣的公司。2006年,臺灣IC封測產值約新臺幣2,700億,這個天文數字對一般人而言或許沒有太大感覺,如果拿來和2006年臺灣全年國民生產毛額(GDP)11.5兆相比,可以發現這項產業產值高達GDP的2.3%,也就是說,2006年臺灣人均收入中,每100元就有2.3元直接來自封裝代工產業,由此可見,IC封測產業對臺灣的重要性。
近幾十年,IC封裝代工產業和其他半導體工業一樣,各家公司生產規模依循「大者恆大」的自然法則,少有劇烈變化。2000年至今全世界前四大IC封測公司排名很少出現變化,2003年日月光集團(ASE Group) 以15%的市占率,成為全球最大IC封測公司,年營業額為17億美元。到了2012年日月光集團仍以43億美元的營業額達到18%市占率,並穩居龍頭地位。不過,若從2006和2011兩個年度的IC封測代工產業市場分析,可以看出已有許多二線(second tier)的中型公司嶄露頭角。
隨著半導體產業成長以及整合元件製造商IDM(Integrated Device Manufacturier)增加封測業務委外代工比例,我們可以預期全球IC封測代工市場產值將持續增加,成長率更可望高於全球經濟成長率。以2011年臺灣IC封測產業為例,產值約新臺幣3,700億,占當年度國民生產毛額2.7%,和2006年相比,臺灣IC封測產業成長速度,高過整體國民生產毛額成長率。
早期電子零件裡的晶片成本和封裝成本屬於不同等級的數字,晶片占據絕大部分的成本,封裝只占很小的一部分,所以半導體製造業下游的封裝在幾十年前並未受到太多的重視。不過如果觀察長期的趨勢可以發現,晶圓尺寸持續在增大當中,同時單位面積裡電晶體密度也一直增加,這讓單一晶片的尺寸縮小也讓每一片晶圓上的晶片數目呈現級數倍增,所以縱使每片晶圓成本稍微上升,仍然能讓單一晶片的成本下降。雖然長期的趨勢顯示封裝成本也持續下降,但由於單一晶圓上的晶片數目增加得更為顯著,這讓每片晶圓所對應的封裝成本在長期趨勢線上持續上升,加上全球的晶圓產出數目每年都在增加,這印證我們看到的市場規模成長。IC封裝除了有持續增加的市場規模之外,它在電子零件裡的成本占比也持續增加,有些體積小的IC零件花費在封裝的成本已經和花費在晶圓製造的成本相當,甚至某些特殊應用的電子零件花費在封裝上的成本高過於內部晶片的成本。
2. 電子產品與IC
在日常生活中使用的電子產品,大都有一個或數個由半導體元件構成的核心零件。以常見的數位相機為例,其內含一微處理器,可依使用者指示處理各項動作,外部的光學鏡頭則將所要擷取的影像聚焦投影至CMOS感光元件,然後再由相機裡的影像處理器或是圖像處理器GPU (graphic processing unit)過濾影像雜訊,將其轉化成數位影像,最後再依使用者指定的格式,把數位影像存入記憶體。除了光學鏡頭外,數位相機裡的微處理器晶片、CMOS感光元件、影像處理器和記憶體等,都是利用半導體材料製成的核心零件,也是半導體工業的典型產品。手機(mobil phone)裡也有許多經由半導體材料製作的核心零件,包括整合各項功能的微處理器,處理圖像的影像處理器、處理音訊的晶片、記憶體和無線通訊模組(RF module)。除了數位相機和手機之外,生活中使用的其他電子產品所需的核心零件,也都會包含半導體材料製作的零件。
IC就是「積體電路」,是integrated circuit的縮寫,也稱作「集成電路」,它是各類半導體主動元件和被動元件如電晶體、二極體、電阻、電容、電感等單元,依功能需要及特性組合而構成一有特定功能的電路。一般利用類似版畫製作的平版印刷技術(lithography)將IC製作在半導體晶圓表面上。IC特點在於,一片小小晶片上可以擁有由許多電晶體、電阻、電容等元件所組成的龐大電路系統,除了可以大量複製生產外,也能確保品質一致,單位生產成本更遠低於等效的傳統電路。
時序拉回到六十多年前,1946年夏克萊(W. Schockley)等人在貝爾實驗室(Bell Lab)發明電晶體(transistor),取代真空管(vacuum tube)進行訊號放大功能。電晶體可以說是近代歷史最偉大發明之一,它打開現代電子產品發展的大門,其重要性和對現代生活的影響不亞於印刷術、電話和汽車的發明。電晶體也是所有現代電子產品的關鍵元件,可以用來控制電流或做為訊號的開關,或提供放大、穩壓、過濾及調整等功能。夏克萊發明電晶體時,正好遇上計算機(電腦)發展的時代,拿電晶體來構築計算機正好提供電晶體一個龐大的市場,也吸引龐大資源投入電晶體研究。從另一個角度看,電晶體出現後也加快了計算機工業的成長,電晶體和計算機兩者可說是相輔相成。
1945年第一部以真空管為主要零件的計算機被製造出來時,它的長度約15公尺,寬度約10公尺,重量約30噸,總計使用一萬八千個真空管。這個第一代計算機不但體積大,耗電量高,據說穩定性也不好。然而,不到10年,1954年第一個以電晶體代替真空管的計算機被製造出來,體積約為第一代計算機的二十分之一左右,耗電量及散熱量也都少了很多。IC具有大量複製生產、品質穩定及成本低廉等優勢,相較於手工組裝離散電晶體所構成的電路,將更有利導入各種應用。除了前述的優勢之外,IC更具有體積小的優勢,到了1970年代,摩托羅拉生產的微處理器Motorola 68000已經可以放在手掌中。事實上,現在讀者手上的智慧型手機,其運算效能已遠勝於50年前幫助阿波羅太空船登陸月球所使用的那些占據幾個房間的大電腦。
IC在大量生產情況下仍能保有穩定一致的品質,而使用IC製作的電子元件在功能、尺寸及應用上,亦能兼顧標準化特性。可以被IC取代的各類零件,不管是從成本或效能角度來看,幾乎都已面臨挑戰,而絕大多數的等效傳統電路也已被市場淘汰。不過幾十年光景,IC幾乎已經無所不在,現在真空管或傳統電晶體只出現在特殊應用方面,日常生活使用的電器中要找到不使用IC的產品,似乎已不是容易的事。
現代IC是由一個分工非常細密的工業群組生產,依上下游及分工特性,大致可以分成四個主要階段:(1) IC設計(integrated circuit design),(2)晶圓製造(wafer manufacturing),(3) IC封裝(IC packaging)以及(4)測試(Testing)。在IC設計階段,工程師在晶圓製造技術所及範圍內,把半導體主動元件和被動元件整合在電路中,以便達到特定功能,這個電路就是IC。從空間上來看,IC是一個3D的立體結構,IC設計工程師把主動元件和被動元件的基本結構分解,並且分別放置在幾個不同的x-y平面上,同時在各平面之間加入垂直方向的聯結電路,接著把各個平面的結構分解或製造過程中的各種構造,依尺寸比例刻畫在光罩(mask)上,然後交給晶圓廠(foundry)進行生產。光罩把產品構造實現在晶圓上的過程很類似傳統照相機的使用經驗,在洗黑白相片時,我們在暗房中把底片的影像聚焦投影在相紙上,經過顯影等步驟就可以把底片中的影像複製到相紙上。光罩好比傳統照相機的底片,晶圓廠把光罩上的電路圖形聚焦投影在半導體基板(substrate)上的顯影材料,然後再利用各種物理和化學反應,把光罩上的電路設計建構在半導體基板上。
IC的電路設計在z方向上被分解成許多層,所以一個產品有許多對應的光罩,各層電路被對應的光罩準確堆疊在半導體基板上。把光罩上的電路設計實現在半導體基板上,就好比版畫製作具有重覆性,製作時,把圖形一層一層的印在半導體基板上,因此能重覆的大量生產相同的產品。常用的半導體基板如矽或砷化鎵,都屬於易碎材料,而IC的構造非常細微且精密,有時IC產品會被放置在惡劣環境中使用,若沒有適當保護,IC很難維持功能,所以我們必須使用適當材料來包覆和保護IC,這個包覆和保護過程就是「IC封裝」。IC製造過程中難免會出現瑕疵品,在送達客戶前或送到下游生產線前,我們可以利用適當的電性量測方法篩除不良品,半導體工業把這個電性量測的步驟稱做「測試」。測試又分成「針測(wafer probing)」和「終測(final testing)」,針測在IC封裝前實施,可確定晶圓上每一個晶片的品質,終測則是在封裝後作業,用來確認每一個完成封裝的IC零件是否具有達到設計預期的品質。IC封裝和測試工作雖可各自獨立進行,不過為節省交通成本、時間以及可能衍生的關稅或貨物稅等,「封裝」及「測試」這兩個工作流程往往被安排在同一個廠區以提高服務效率,所以我們常常聽到「封測」這個名稱。有些規模夠大的公司可同時具備IC設計,晶圓製造,IC封裝及測試等四個階段的能力,我們稱它們為「整合元件製造商(IDM, integrated device manufacturer)」,例如:韓國三星電子與美國英特爾公司(Intel)。
3. 什麼是IC封裝
IC的結構非常細微且精密,導線或元件間距離可能是幾個微米,也有可能是比微米(μm, 10-6m)還要小的長度,因此只要有些許粉塵或水分出現,都可能改變整個IC的性能,甚至造成短路。IC被製作在易碎的半導體基板上,例如矽(Si, silicon)或是砷化鎵(GaAs, gallium arsenide)等,剛完成晶圓製造階段時,IC表面通常只有一層很薄的玻璃狀材料和外界隔絕。若缺乏適當保護,IC很難在實驗室外發揮功能,因此我們把IC固定在載板上,再利用適當材料包覆達到保護並方便使用的目的,這個過程就是我們所說「IC封裝」的概念。經過幾十年發展,現在的IC封裝已不僅僅是保護IC,更被要求須具有幫助散熱或其他功能,甚至被期待來幫助延續「莫爾定律」的有效期限。
「封裝」可說是替IC量身訂做一個外殼,這個外殼不僅要保護晶片不受外力傷害,還需固定晶片,以便後續應用。這個外殼需提供適當密封和防水能力,以及滿足IC散熱需求,還需有固定的外形方便進行自動化組裝。在精確安排下,IC內部元件可透過這個外殼上的接腳和外部的其他IC進行訊號或電力的往返交流。如果從不同的觀點出發,我們可以對IC封裝做出不同定義。例如我們可以看到這個定義:
1.狹義的「封裝」是指利用晶片固著及細維連接技術,將半導體元件(指的是晶片)和其他構成要素在載板上佈置、固定及連接,引出接腳,並利用可塑性絕緣高分子材料予以包覆固定。
2. 「封裝」建立IC和系統(主機板)間橋樑,讓這個IC和其他IC能有效聯結協力達到電子產品所預期發揮的功能。(“Packaging” is defined as the bridge that interconnects the ICs and other components into a system-level board to form electronic products.)
這個定義並沒有從結構或功能說明IC封裝,但指出封裝是IC和電子系統裡其他IC間的橋樑。我們也可以從維基百科上看到這樣的定義:
3. 「IC封裝」是在IC測試之前的步驟,也是半導體製造的最後一個加工步驟。在半導體製造產業中就叫它「封裝(packaging)」,也稱為「半導體元件組裝(semiconductor device assembly)」或是「組裝(assembly)」,有時也叫做「密封(encapsulation or seal)」。(Integrated circuit packaging is the final stage of semiconductor device fabrication, followed by IC testing. In the integrated circuit industry it is called simply packaging and sometimes semiconductor device assembly, or simply assembly. Also, sometimes it is called encapsulation or seal, by the name of its last step, which might lead to confusion, because the term packaging generally comprises the steps or the technology of mounting and interconnecting of devices.)
維基百科的這個定義就好像在替我們描述圖4裡「IC封裝」在半導體製造產業鏈中的位置,但是並沒有具體對「封裝」進行描述,不過由被它帶出的各種IC封裝的別名裡,我們隱約能看到IC封裝的各種面向。
上述的幾個定義雖然都符合我們現在看到的「封裝」,但卻有「瞎子摸象」的味道。這幾個描述都沒錯,但是都僅作局部描述,未能完整說明什麼是IC封裝。第1個定義講的是利用導線架做出的塑膠封裝,像是QFP(quad flat package)或SOIC(small outline integrated circuit)之類的封裝。第2個和第3個定義分別說明「封裝」在一個電子系統的電路板上,或半導體產業鏈中的一個相對位置,似乎忽略進行封裝的主要目的是為了保護IC,也沒有說明進行IC封裝時的加工過程。不過IC封裝的確很難定義,隨著時間演進,IC封裝應用也一直演變,以前封裝是先將晶圓分割成一個個單獨的晶粒,然後才把單獨的晶粒放在保護構造中。現在「晶圓級封裝」(wafer level packaging)已是現在進行式,晶圓級封裝不必先將晶粒從晶圓中取出,直接對整個晶圓進行加工,使得第1個定義明顯不適用。或許我們可以參考第2個和第3個描述,將IC封裝定義為在完成晶圓廠標準製程後,為了要保護積體電路,同時要產生引腳,而對積體電路進行的加工,都叫做「IC封裝」。