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电子封装专用设备

第一部分

1.半导体制造主要工艺流程与设备概述。

图1 半导体制造、封装、测试工艺流程

图2 芯片制造基本工艺流程图

半导体制造工艺是由多种单项工艺组合而成的，主要包括以下四类：薄膜形成工艺；图形转移工艺；掺杂工艺；热处理工艺。

⑴薄膜形成工艺与设备

薄膜工艺包括氧化工艺和薄膜淀积工艺。通过生长或淀积的方法，生成集成电路制造过程中所需的各种材料的薄膜，如金属层、绝缘层等。

氧化(Oxidation)工艺的主要目的是在硅衬底表面形成氧化膜SiO2。

在硅衬底表面形成SiO2氧化膜的方法：化学气相淀积(CVD)和氧化。其中氧化又分为自然氧化（在常温下，硅表面可生长出SiO2氧化层，厚约2nm）和热氧化(Thermal Oxidation)（在高温炉中反应，形成较厚的SiO2氧化层，也称为热生长法）

热氧化法的3种环境：①干氧氧化(O2) ②水蒸气氧化(H2O) ③湿氧氧化(H2O+O2)

图3 热氧化生成二氧化硅设备原理示意图氧化炉主要有高温干式氧化炉和高温湿式氧化炉两种，基本原理

如上图所示。

化学气相淀积(CVD, Chemical Vapor Deposition)是利用气态的先驱反应物，以某种方式激活后，通过原子或分子间化学反应的途径在衬底上淀积生成固态薄膜的技术。利用CVD可获得高纯的晶态或非晶态的金属、半导体、化合物薄膜，能有效控制薄膜化学成分，且设备运转成本低，与其他相关工艺有较好的相容性。CVD技术已有100多年历史，应用领域很广，如轴承的耐磨涂层、核反应堆里的耐高温涂层。

CVD工艺采用的设备为CVD反应炉，有卧式反应炉立式反应炉。

（PECVD）其中PECVD是通过高能射频源获得的等离子体提供能量，

不容易对硅衬底造成损伤。每种工艺方法都有装用设备。

⑵图形转移工艺

图形转移工艺包括光刻工艺和刻蚀工艺。从物理上说，集成电路是由许许多多的半导体元器件组合而成的，对应在硅晶圆片上就是半导体、导体以及各种不同层上的隔离材料的集合。集成电路制造工艺首先将这些结构以图形的形式制作在光刻掩模板上，然后通过图形转移技术将图形转移到硅晶圆片上。

光刻工艺是一种图像复印技术，是集成电路制造工艺中的一项关键工艺。光刻利用光刻胶感光后特性发生改变的原理，将光刻掩模板的图形精确地复印到涂在硅晶圆片上的光刻胶上，然后利用光刻胶作为掩模保护，在晶圆片表面的掩模层上进行选择性加工（刻蚀或注入），从而在晶圆片上获得相应的电路图形结构。

光刻工艺三要素是光刻机，掩膜板和光刻胶。光刻机会在后面星系介绍。光刻掩膜版是集成电路设计与实际晶圆的中间环节，作用相当于将图形印到半导体材料上的膜版。光刻掩膜版的生产与晶圆的生产原理基本相同。在半导体生产早期，光刻掩膜版的生产非常简单。掩膜版上的图形与晶圆上的相同，1：1地从光刻掩膜版传输到晶圆上，并且芯片上芯片模的数量与光刻掩膜版上的相同。光刻胶(Photoresist, Resist)又叫光致抗蚀剂，是一种由碳、氢、氧等元素组成的有机化合物。正胶(Positive Resist)是指曝光前对某些溶剂不可溶，而曝光后变为可溶的一类光刻胶。负胶(Negative Resist)是指曝光前对某些溶剂是可溶的，曝光后硬化成不可溶解的一类光刻胶。光刻工艺

步骤为（1）表面准备（2）涂胶（3）软烘焙（4）对准和曝光（5）显影（6）硬烘焙（7）显影检查（8）刻蚀（9）去除光刻胶（10）最终检查。

刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶（经过曝光和显影后）覆盖和保护的部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。刻蚀工艺主要有湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀(Wet Etch)是利用溶液与被刻蚀材料之间的化学反应，来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分，从而达到刻蚀目的。化学溶液称为刻蚀剂(Etchant)。设备为湿法刻蚀机。干法刻蚀(Dry Etch)是利用低压放电产生的等离子体(Plasma)中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)，与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用或两者相结合，从而达到刻蚀的目的。干法刻蚀采用的是气体刻蚀剂。设备有等离子体刻蚀机和反应离子刻蚀机等。

（3）掺杂工艺

掺杂工艺包括扩散工艺和离子注入工艺，通过这些工艺将各种杂质按照设计要求掺入晶圆片的特定位置上，形成晶体管的各“极”以及欧姆接触（金属与半导体的接触）等。

扩散(Diffusion)是一种常用的衬底掺杂(Doping)工艺，使可控量的掺杂物(Dopant)进入衬底的选定区域。扩散与离子注入（另一种掺杂工艺）不同，是一个缓慢注入的过程，且发生在高温下。热扩散是最主要、最普遍的掺杂方法。扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备之一，主要用途是对半导体进行掺杂，即在高温条件下将掺杂

材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。

离子注入(Ion Implantation)是一种物理掺杂工艺，用于向衬底中掺杂。将具有很高能量的杂质离子(B, P, As)射入衬底晶片（俗称靶）之中，并通过逐点扫描完成对整块晶片的注入。离子注入现已成为优选的IC掺杂工艺，其工艺设备为离子注入机。离子注入机配有精密的电子仪器和机械装置，晶片掺杂完全处于受控状态，可以精确控制杂质分布。

（4）热处理工艺退火工艺

（5）其他辅助工艺与技术化学机械平坦化工艺，化学机械平坦化(CMP, Chemical Mechanical Planarization)是一种表面全局平坦化技术。CMP设备称为抛光机。清洗工艺，在每一工艺流程环节里都要清除掉附着在硅圆片上的污染物，防止把污染带到下一道工序。目前有全自动硅片清洗机。

2. 芯片封装工艺流程与设备概述。

集成电路封封装设备是指基片上完成制芯工艺之后的所有加工工艺设备。封装对集成电路起支撑和机械保护、传输信号和分配电源、集成电路热耗散和环境保护等作用。芯片封装设备：背面研磨、划片设备、键合设备、塑封设备、老化设备。

（1）研磨、划片工艺与设备

最常用的背面减薄技术有：磨削、CMP（化学机械抛光）、湿法腐蚀、ADPE（常压等离子腐蚀）和干式拋光五种。

芯片封装测试主要工艺流程

背面研磨的两种方式，即缓进式和切人式。

缓进式使晶圆通过一个杯形砂轮的底部进行研磨；晶圆本身不旋转；研磨机有三个轴，分别作粗磨、中度磨、精细磨。

切入式通过将晶圆放置在载台上旋转，同时杯形砂轮逐渐下切来实现研磨；晶圆厚度通过一个接触式在线测量探针来监控；研磨机有两

个轴，分别作粗磨和精细磨。研磨机基本结构示意图

研磨过程：①研磨轴Z1粗磨一结束，晶圆就转到第二根研磨轴Z2进行精细研磨。②研磨轴的关键点在结束前的驻留（消痕）阶段。③杯形砂轮在研磨过程中会产生弹性形变。④消痕指的是杯形砂轮在下切压力解除后在晶圆上短暂驻留。也就是说，一旦测得研磨即将结束（通过在线测量仪的反馈），轴杆停止下切，晶圆载台在此状态下继续旋转数圈。

主要组成：（1）承片台多套承片台分布在360度圆周上。（2）折臂式机械手装置三个伺服电机系统，一个旋转汽缸，三个编码器和一个光电传感器。机械手具有4个自由度。驱动部分采用伺服电机驱动精密滚珠丝杠来实现，定位精度为0.01mm。（3）在线测量系统测量范围：应当包含0-1000微米。测量精度应当不低于1微米，分辨率在0.1微米左右。能在加工过程中进行在线测量件。

在线测量系统原理

划片是将经过背面研磨工艺磨薄的晶圆切割成单个芯片的工艺制程。

常用划片方法：砂轮划片机，干式激光划片机，微水导激光划片机。划片机构成特点:划片机包括：切刃具支撑（金刚刀支架、主轴或激光器等）、Z向划切深度控制、Y向分度定位、X向划切进给以及晶向平行调整结构；都具备X、Y、Z、晶向四维基本运动；根据类型及自动化程度不同，分别配有空气静压主轴、激光器以及位置对准显微镜、自动上下片和自动清洗甩干等辅助功能单元。

划片机功能构成：1) 对准在晶圆被划片之前，切割部位必须对准。

2) 刀片破损探测器3）非接触设置这项功能非常重要。知道刀片和晶圆载台的相对位置对于划片机的控制是非常重要的。划片机必须将切割精度控制在几个微米之内。4）划痕检查划痕是指在划片过程中，街区上实际被切除的材料尺寸，通常为刀片的厚度。在划片进行中通过划痕检查来检查划片的质量。5）二氧化碳混入器

硅晶圆划片时使用去离子水用做冷却液。将二氧化碳溶入去离子水中，形成微弱的碳酸，从而将去离子水中的电阻率降到1MΩ.cm。这样起到降低刀片冷却液表面张力、清除颗粒沾污物以及延长刀片使用寿命的作用。6）转台清洗这个设备在划片后清洗和干燥晶圆。7）紫外光照射设备划片工艺使用UV胶带时，这个设备在划片后的晶圆放入框架匣内之前用紫外光照射来降低胶带黏性，以便在划片工艺结束后直接进行贴片工艺。

（2）键合工艺与设备芯片封装形式主要有三种：引线键合、TAB（载带自动安装）、倒装芯片

上相对应的焊盘连接起来的芯片封装互连技术，每次连接一根。

引线键合设备的精度在微米级水平，而芯片键合设备的定位精度在

10-100μm之间。芯片键合设备组成：承片台、点胶系统、键合头、视觉系统、物料传输系、基座等。点胶系统在封装基底上涂覆一定量的芯片附着于封装上所需的黏合剂。点胶系统分为点蘸式和喷涂式两种。键合头与承片台相互配合，从蓝膜上准确地拾取芯片，然后与物料传输系统相互配合准确地把芯片放置在封装基底涂覆了黏合剂的位置上。接着对芯片施加压力，在芯片和封装基底之间形成厚度均匀的黏合剂层。视觉系统由光路、照明和摄像头组成。光路是常规的显微镜光学系统。照明采用LED光源，分为直光（也叫同轴光）和侧光两部分。直光由位于光路物镜正上方的一个LED构成，提供成像所需的基本照明。侧光由多个LED围绕物镜呈环形分布而成，是图像具有识别功能所需的足够反差的基本保证。物料传输系统负责芯片键合工艺中料条（引线框架或PCB基板）的自动操作，包括上料机构、进给／夹持机构和下料机构。

载带自动安装载带自动安装（TAB)是一种将IC组装和互连到金属化柔性聚合物载带上的IC组装技术。采用这一新技术的目的是以低成本的高度自动卷带式“群键合”技术取代引线键合技术，用于大批量、低I/O数器件的封装。

倒装芯片倒装芯片互连技术是将集成电路芯片的有源面朝向基板，与载体或基板相连接。倒装芯片键合方法主要是钎焊，通过钎焊来实现芯片与载体间的电连接和机械连接，但也有采用导电胶等其他材料来实现连接的。

倒装芯片键合工艺流程

倒装芯片键合工艺主要设备：UBM制作：投影光刻机、接触／接近光刻机、蚀刻机、溅射台、CVD、电镀设备。凸点生成：投影光刻机、接触／接近光刻机、蚀刻机、溅射台、CVD、电镀设备、丝网／模印刷机、改进金丝球焊机、回流炉。倒装键合：倒装芯片键合机、回流炉、固化炉。底部填充：涂覆设备（通常集成为倒装芯片键合机的一部分）、固化炉。倒装芯片键合机组成：①倒装芯片的运动平台②对倒装芯片与基板实施精确定位的视觉系统③对倒装芯片进行键合的超声换能系统④在键合过程中完成芯片的自动拾取的真空吸附系统及加热键合工作台⑤使工作台保持恒定温度的温控系统组成。

3. 电子组装工艺流程与设备概述。

电子组装基本工艺包括涂覆（点胶和印刷）、贴片和焊接（波峰焊和再流焊），辅助工艺包括清洗、检测和返修。

（1）波峰焊与再流焊工艺与设备尽管目前波峰焊工艺一部分应用正在被再流焊逐渐取而代之，不过波峰焊还是电子组装焊接的重要方法之一。再流焊工艺是贴装技术的主流工艺。再流焊（亦称回流焊）是预先在PCB焊接部位（焊盘）施放适量和适当形式的焊料，然后贴放表面组装元器件，经固化（在采用焊膏时）后，再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。

波峰焊工艺流程

（2）焊膏涂覆与胶黏剂涂覆技术与设备印刷机主要分手动、半自动印刷机和全自动印刷机。半自动印刷机：操作简单，印刷速度快，结构简单，缺点是印刷工艺参数可控点较少，印刷对中精度不高，锡膏脱模差，一般适用于0603（英制）以上元件、引脚间距大于1.27mm 的PCB印刷工艺。全自动印刷机：印刷对中精度高，

锡膏脱模效果好，印刷工艺较稳定，适用密间距元件的印刷，缺点是维护成本高，对作业员的知识水平要求较高。全自动焊膏印刷机机构组成：PCB导入机构，PCB导出机构，PCB定位与固定机构，PCB与网板标识识别机构，网板固定与驱动机构，刮刀驱动机构，网板清洗系统，控制系统，基座，辅助系统。印刷模板有丝网版和金属模板，为使基板在工作台面准确定位，一般需设置2处以上图像识别基准标记，用于光学摄像对位。在摄像头（CCD）识别基板位置时，可以和印刷网板的位置识别重合进行，操作时可以采用由摄像头移动识别等识别方法。网板识别CCD和基板识别CCD的位置关系十分重要，应作为内部测定参数给予保存。实际印刷时的位置精度是基板、网板相对制作精度的叠加。位置的重合精度还与确定位置精度时所使用的运动坐标轴数有关，通常在确定位置精度时使用的坐标组合轴数较少时，可以提高位置的重合精度。常采用刮刀头部的浮动机构来实现对网板实施均匀压力的印刷，利用这种浮动机构，还可以使基板中心和刮刀中心具有一致性。如果基板中心和刮刀中心发生偏错时，刮刀将倾斜，由此产生的“存入不良”会在网板表面留有焊膏残留物，进而造成印刷性能的劣化。浮动机构及时调整与基板的平行度，以保持良好的印刷状态。脱板过程通常采用低速控制，使基板与网板顺利分离，焊膏完好地复制到基板焊区。可以通过精密控制的伺服电机和脉冲电机来完成脱板速度控制。

焊膏喷印时焊膏储藏在可更换的管状容器中，通过微型螺旋杆将焊膏定量输送到一个密封的压力舱，然后由一个压杆压出定量的焊膏微滴

并高速喷射在焊盘上。在程序控制下实现焊盘上规定的焊膏堆积面积和堆积高度。焊膏喷印技术无点涂与印刷方式的缺陷，而且与传统的网板印刷相比，具有不需要调整刮刀压力、速度或其它丝网印刷参数的特点。通过计算机控制，其喷印程序可以完全控制每一个焊盘上的喷印细节，喷印次数和焊膏的堆积量，实现完全一致的焊膏喷印，极大地提高了焊膏喷印质量和保证了随后贴片与回流过程的可控性与焊点的质量。MYDATA 公司推出的首款MY500，借鉴了计算机喷墨打印机的原理，采用获得专利保护的喷印技术，由喷印机主机、喷印头和焊膏盒、计算机控制系统3部分组成。可以根据计算机设定的程序，以500点/s（180万点/h）的最高速度在电路板上喷射焊膏。MY500焊膏喷印机可喷印的最大的电路板为508mm×508mm，电路板厚度介于0.4mm-0.7mm。MY500的基座由大理石制作而成，基板传送采用线性马达驱动，通过激光测量定位基板高度。

（3）贴装技术与工艺设备贴装技术是表面组装技术中的必不可少的基本技术之一。贴装技术的特点:贴装对象是表面贴装元器件，涵盖了传统电子元器件的全部；目前每个元器件贴装的时间已经缩短到0.06 s左右（片式元件），已经几乎达到机械结构运动速度的极限。采用机、光、电和软硬件综合技术，使现在贴装精确度已经可以达到3 Sigma 下75μm的精度，一部分细小元件和细节距IC贴装精度甚至达到4 Sigma下50 μm ；承载贴装元器件的电路板与贴装技术相关的主要是几何尺寸和板厚方向的刚度；

贴片机的工作流程：

（1）待贴装的PCB进入传送轨道，在轨道入口处的传感器发现PCB，系统通知传送带电机工作，将PCB送入下一位置。

（2）PCB进入工作区起点，传送装置将PCB送入贴片位置，在即将到位时触发装配位置的传感器，系统控制相应机构使PCB停留在预定贴装位置上。机械定位装置工作，将PCB固定在预定位置。夹紧装置工作，将PCB夹紧固定，避免PCB移动。

（3）PCB定位装置工作，确定PCB的位置是在预定的位置上，否则对PCB的位置坐标参照系统坐标系进行修正。

（4）按照程序设定对加工光学判别标志点(Mark)进行检查，确定PCB 位置。

（5）包装在专用供料器中的元器件按照程序设定的位置被运送或准备到预定的位置。

（6）贴片头吸嘴移动到拾取元件位置，真空打开，吸嘴下降吸取元件。

（7）通过真空压力传感器或光电传感器检测是否吸到元件。

（8）通过摄像头或光电传感器检测元件高度（垂直方向）。

（9）通过摄像头或光电传感器检测元件转角（水平方向），并识别元件特征，然后读取元件数据库中预先设置的元件特征值，将实际值与检测值相比较，从而对元件特征进行判断。当特征值不符时则判别拾取元件错误，重新拾取。如相符则对元件目前的中心位置和转角进行计算。

（10）将错误的元件抛到废料收集盒中。

（11）按照程序设定，通过贴片头的旋转调整元件角度；通过贴装头的移动，或PCB的移动调整X/Y方向坐标到程序设定的位置，使元件中心与贴装位置点重合。

（12）吸嘴下降到预先设定的高度，真空关闭，元件落下，完成贴装。（13）从（5）步开始循环，直到贴装完毕。

（14）贴片部分移动到卸载位置，将贴装好的PCB传送到卸载轨道。

卸载轨道开始位置的传感器被触发，控制系统通知传送带电机工作，将PCB送入下一位置，直到送出机器。

精度、速度和适应性是贴片机的3个最重要的特性。精度决定贴装机能贴装的元器件种类和它能适用的领域，精度低的贴装机只能贴装SMC和极少数的SMD，适用于消费类电子产品领域用的电路组装，而精度高的贴装机，能贴装SOIC和QFP等多引线细间距器件，适用于产业电子设备和军用电子装备领域的电路组装。速度决定贴装机的生产效率和能力。适应性决定贴装机能贴装的元器件类型和能满足各种不同贴装要求，贴装性差的贴装机只能满足单一品种的电路组件的贴装要求，当对多品种电路组件组装时，就须增加专用贴装机才能满足不同的贴装要求。

下面简单介绍几种贴片机：

（1）高速贴片机从功能上划分，专门高速贴装中小元器件的贴片机也叫做高速机；一些专门高速贴装中小元器件的中速贴片机和超高速贴片机在功能上也属于高速机。高速贴片机具有以下特点：转塔式结构贴片机曾经是大规模生产中高速机的主力，现在高速机可以采用各种结构。高速机的元件贴装范围一般较窄，所能贴装的元件一般从01005(0.4 mm×0.2 mm)-24 mm×24 mm，元件的高度一般最多为6.5 mm。大的元件需要换装贴片元件范围更大的贴装头，或者在吸取元件时跳过一些吸嘴，但贴装速度会因此降低。元件的包装方式：一般只能为卷带装和散料盒装，也有小部分高速贴片机可以接受管装和盘装物料，但在速度上会作出一些牺牲。大部分的高速贴装头在吸

取和贴装小型元器件（小于4 mm×4 mm）时可以全速贴装，在吸取、贴装更大元件时，由于旋转的速度过快、吸嘴的刚性接触、照相机识别复及真空吸力不足够等原因，需要在元件吸取、识别、校正及贴装环节降速，从而影响了整台机器的产能。高速贴片机的吸嘴一般只有真空吸嘴。大部分的高速贴片机都是牺牲了一定的贴装精度和功能来实现高速贴装的。现在新型的复合式和平行式高速贴片机可以兼顾贴装的速度和精度。

（2）多功能贴片机多功片机也叫泛用机或者高精度贴片机，可以贴装高精度的大型、异型元器件，一般也能贴装小型片状元件，几乎可以涵盖所有的元件范围，故称为多功能贴片机，又因大型器件封装节距很小，对贴片机精度要求高，因此也称为高精度机。多功能贴片机的特点如下：多功能贴片机的结构大多采用拱架式结构，具有精度高、灵活性好的特点；在X和Y定位系统中大多采用全闭环伺服电动机驱动，用线性光栅尺编码器来进行直接位置反馈，避免因丝杆扭曲变形的误差；有的在Y轴采用双电动机和双丝杆在平台的两边驱动，并用双线性光栅尺进行反馈，可以有效地减小因贴装头静止造成的等待，减少了横梁的不同步变形而造成的误差；有更先进的采用线性磁悬浮电动机，除了具备双驱等技术特点外，还具有驱动直接、机械结构少磨损、反馈快、安静、易保养和精度高等特点。多功能贴片机大多采用线路板固定式，用贴装头的移动来实现X和Y定位，不会因为台面的移动而使大型或较重的元件因为惯性而移位。能接受所有的物料包装方式，如卷带装、管装、盒装和盘装；在物料吸取时除了可以采用

传统的真空吸嘴外，对于异型较难吸取的元件可采用专用吸嘴，另外，对于用真空吸嘴无法吸取的元件可使用气动夹爪；元件在校正时一般采用上视相机，具有前光、侧光、背光和在线光等功能，可以识别各种不同的元件。

（3）高速多功能贴片机目前有的复合式贴片机和平行式贴片机能安装多功能贴装头或者多功能模组，从而实现既能同时高速贴装小型片状元件，又能贴装高精度、大型、异型元件；可以接受几乎所有的元件包装方式，包括可以加装盘装元件送料器。代表产品：松下的CM602C，西门子的HF3或者D3平台。

4. 电子制造工艺中精确对准的实现方法

（1）视觉对位系统当一块新的待贴装PCB通过送板机构传送到指定位置固定起来时，安装在贴片头上的基准（MARK点）照相机CCD在相应的区域通过图像识别算法搜寻出MARK点，并由系统软件计算出其在坐标系中的坐标，同时将相应的元器件应贴装的位置数据送给主控计算机。当相应的贴装元器件拾取后，经过元件照相机时，照相机对元器件进行检测，得到其在拾取后位置坐标并送给主控计算机，与目标位置比较，得到贴装头应移动的位置和转角，在贴装前进行位置和转角的调整，从而达到视觉对中的目的。（2）激光检测是指从光源产生一适中的光束照射在元件上来测量元件投射的影响。激光对位允许“飞行中”修正，飞行对中是指将激光检测系统或照相机直接安装在贴片头上，在贴片头拾取元件移到指定位置的过程中，完成对元件的检测和对中的方式。