浅谈集成电路封装过程中的风险评估
来源:内容来自半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:Evan Zhong,谢谢!
毕业进入集成电路封装这个行业马上15年了,工作地点换了三个:张江、青浦、江阴,企业也换了三个台资、外资和民营。从维修工程师、初级制程工程师到制程工程师,再到新产品导入经理,转入客服工程部门做经理;从自己给客户调试产品,到教工程师给客户做产品,再到跨部门协调大家给客户导入产品。所谓“久病成医”吧,我非常乐意分享一点自己对封装过程中风险评估的浅显理解,希望对有需要的公司、朋友提供一点帮助,希望祖国的的半导体产业早日强大。
大体而言集成电路产业可分为三个阶段:电路设计,晶圆制造,封装测试。电路设计大体是一群电路系统毕业的学霸搞出来的(因为学霸,所以高薪),他们把设计好电路给晶圆制造厂(台积电、联电、中芯国际……),最后圆片从晶圆厂发货到封装测试厂(日月光、安靠、长电科技……)。简而言之的流程就这样啦,如果想知道更加详细的可以去咨询下度娘。
图 1
刚入行的时候,师傅就告诫说:千万别把圆片摔坏了,一片等于一辆宝马。现在知道圆片本身的价格只是百万分之一,最低端的芯片工艺从设计出来到成功流片至少百万人民币,而高端的5纳米工艺,那就是天文数字据说到了4~5亿美金。试想如果芯片流片成功,不能正常封装、量产、没法按计划推向市场,那将是多么悲剧的一件事情,轻则伤筋动骨掉几斤肉,重则公司关门大吉、人去楼空。市场的事情让市场去说,技术的事情让搞技术的人来谈。作为封装厂客服部门的工作人员,建议设计公司在项目启动之初就要和封装厂进行系统的TRA技术风险评估(TRA:Technical Risk Assessment)对接工作,防患于未然。
图 2
一般来说,设计公司与封装工厂做TRA对接的最佳节点有4个:封装选型、项目启动之初,封装定版、样品制作、Pre-Qual.阶段,Formal Qual.封装测试和可靠性阶段,预量产阶段。
1.封装选型、项目启动之初的TRA
通常而言,初创设计公司都会去照抄竞争对手的样品封装,形成Pin-To-Pin的替换关系,便于打开终端市场,掘取第一桶金。而但凡有想法的设计公司,自己会去找到终端客户提供客制化芯片设计服务(比如功能、形状、特性)。这时设计公司就会面临封装选型的问题,比较什么类型封装、封装3D尺寸、管脚的数量/间距甚至封装材质。如果封装选型正确,可以不用开发新框架、新基板,不用买封装模具,可以省去大概2-3个月左右的时间;如果选型错误,需要设计、购买新框架或基板,甚至需要购买封装模具,这会耗用大概3-5个月时间和约10-50万的资金投入。另外一个,芯片的Bond Pad尺寸设计、Test Pad设计、Bond Pad布局也会影响到封装,比如芯片的Bond Pad设计为40um,而芯片性能需要用25um的焊线,这就会超封装设计规范(因为焊球的尺寸一般为2-3倍焊线直径,不得超出Bond Pad);又如Bond Pad布局不合理导致焊线交叉,甚至在超薄封装中做交叉焊线,这就面临封装难度增加甚至喊停;测试Pad只是给晶圆厂 Chip Probe用的,跟封装无关?No No No,因为如果测试Pad放在切割道中间,会导致封装厂必须使用激光开槽技术为刀切开路,使得封装成本增加。所以在封装选型、项目启动之初,就要跟封装厂初步定好封装方案,和基本的项目进度表,双方在统一的平台上使用统一的语言顺畅沟通,我们可以暂且给这个阶段的技术风险评估取名为TRA1。
2. 封装图初定、样品制作、Pre-Qual.阶段的TRA
我们可以把封装图初定、样品制作和Pre-Qual.这个阶段比喻成设计公司的孩子在学习“站立”。孩子站稳当了,后面才能学走路和跑步。封装图初定的时候,小的封装工厂可能靠单个工程师的经验做风险评估,专业的封装工厂会找一群工程师做风险评估,也许未来的封装工厂会用系统做风险评估。根据封装工厂提供的风险评估结果,一般而言封装工厂会自我风险闭环,确保识别出来的风险能被监控到位,不带病进入正式Qual.。如果某个站别的风险比较高,通常封装厂会建议客户投小量芯片进行DOE验证(Design Of Experiment),确定封装工艺参数区间。样品制作阶段就意味这流程、原材料都已经初定了,工厂按照Qual的、量产的流程进行生产,这一步完成后大家可以拿到封装良率、样品性能数据、测试良率三个数据,数据由设计公司和封装厂双方核对、判读,确认是否需要做出工艺、原材料甚至打线图的调整,为正式Qual.的工作做好准备工作。这项工作结束之后,可以请封装厂出具第二版技术风险评估报告,可简称为TRA2。