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第五章IC構裝製程技術發展趨勢5−1版權所有,翻印必究第五章IC構裝技術發展趨勢第一節IC構裝技術發展趨勢一、前言台灣IC構裝代工業已名列全球之首,以2000年為例,營業額估計約有311,500萬美元,佔全球的34.1%,整體半導體產業亦佔全球的13.5%,位居全球第3位,規模僅次於美、日兩國。由於台灣IC構裝產業在全球半導體產業生態中的重要性逐漸加重,因此經由分析台灣相關廠商之動作,即可窺出全球構裝技術發展的趨勢。以近二年舉辦的TaiwanICPackagingandTestingWorkshop(2000/08)及TSIAQuarterlyWorkshop:AssemblyandPackaging(2001/07)來看,相關參與廠商所發表之技術藍圖,便有顯著差異,而這些差異正符合今日構裝技術之演進趨勢,2000年時各參與廠商分別在低間距打線技術、覆晶與晶圓級構裝、堆疊式構裝、及散熱增益型PBGA、無鉛化提出其需求與期望。而2001年的研討會中,各參與廠商除仍提出上述需求外,應用於新產業之光電構裝(Opto-electronicPackage)、微機電構裝(MEMSPackage)亦分別被列於其技術發展規畫之中。顯見我國構裝業已開始構思逐漸走出與PC或行動通訊相關之資訊產業,另闢戰場之企圖心。而這種改變,將是未來值得密切觀察的重點之一。對IC構裝技術而言,這幾年來最大及最重要的趨勢就是「新興的IC構裝至今尚無一統天下者。而所謂的標準,就是還沒完全形成可以認同的標準」。雖然上述說法有點誇大,但事實上也確實反應出現今IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查5−2版權所有,翻印必究存在於IC構裝產業的”混沌”現象。自從Motorola與CitizenWatch在1989年開發出OMPAC(OverMoldedPlasticCarrier)(註:本文所提及之廠商名稱與產品名稱其商標等均為該相關廠商所擁有,以下同)之後,球柵面陣列式構裝(BallGridArray;BGA)一辭便佔據了構裝業者的心思。由於陣列式構裝具有輕、薄、短、小的功能,自此之後,IC構裝便進入百花齊放的階段。至今,晶方尺度構裝(ChipScalePackage;CSP)及覆晶技術(FlipChiptechnology)已逐漸地在人們口中朗朗上口,而如前所述,一些如3D構裝、光電構裝、微機電構裝等新興構裝已悄悄地引人注目。以下分別介紹無鉛化、球格陣列構裝、覆晶構裝、晶圓級構裝、3D堆疊構裝、光電構裝、與微機電構裝等技術之發展趨勢。二、台灣的無鉛化規畫無鉛化在政治與市場雙重因素,為一必然的發展趨勢。台灣各相關廠商為因應世界潮流發展,基於服務顧客與市場競爭的需求,無不積極尋求各種無鉛化方法,以符合國際標準之要求。工研院電子所2001年5月曾邀請我國廠商於”先進構裝技術聯盟”說明各公司無鉛化之進度,經統計後可大略整理出如圖5-1所示之結果。目前台灣筆記型電腦與伺服器無鉛化客戶的要求期限是在2001年第3季前要完成生產準備;而BGA或CSP等主要IC構裝之無鉛化則計畫於2002年第2季前完成;PCB無鹵化生產也將於2001年第2季前完成。第五章IC構裝製程技術發展趨勢5−3版權所有,翻印必究SystemComponentPCB(HalogenFree)Q1Q4Q1Q420012002Sometotallead-freeatQ4’042003Q2Q1Q2Notebook/serverreadyAllreadyBGA/CSPreadyAllreadyReadyProduction資料來源:工研院電子所圖5-1台灣無鉛化構裝實施時程規畫三、球格陣列構裝經過多年的努力與推廣,對構裝業者而言,球柵面陣列構裝(BallGridArray,BGA)已是業者相當熟悉的技術。球格陣列構裝一般用於構裝高腳數(約300腳以上者)或高效能之IC,如晶片組、繪圖晶片、ASIC、微處理器等。以2000年為例,全球BGA產量估計約125,000萬顆,而此數字將隨著技術之成熟與成本的降低而急速上昇,估計將於2005年達到430,300萬顆,此其中,使用兩層基板之塑膠球格陣列構裝(PlasticBGA;PBGA)約佔有70%,而高價的覆晶式球格陣列構裝(FlipChipBGA),則仍因基板尚掌控於少數基板廠商,市場佔有率僅由2000年的12.4%,估計至2005年小幅成長到18.6%。由於BGA主要應用產品以高效能IC為主,因此散熱能力是其相IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查5−4版權所有,翻印必究當重要技術指標與發展趨勢。目前Enhanced-BGA有相當多不同的設計,如Amkor之SuperBGA(圖5-2)、及工研院電子所自行研發成功,並技術移轉國內各大廠(日月光、矽品、華泰、鑫成、上寶)之TE-PBGA(thermally-andelectricallyenhancedPBGA)(圖5-3)均為其代表作。以國人自行研發成功之TE-PBGA為例,該設計製程幾乎不變更原有PBGA製程,僅增加將散熱片(heatspreader)或散熱塊(heatslug)置入PBGA內,在成本增加非常有限的條件下,除使得散熱能力提昇40%外,並經由該散熱片之特殊設計亦可獲得約15%之電性增益。資料來源:Amkor圖5-2SuperBGA示意圖第五章IC構裝製程技術發展趨勢5−5版權所有,翻印必究資料來源:工研院電子所圖5-3TE-PBGA示意圖四、覆晶構裝覆晶(FlipChip)技術起源於1960年代,當時IBM開發出所謂之C4(ControlledCollapseChipConnection)技術,以取代傳統打線接合(WireBonding)而應用於大型電腦組裝上。近年來,由於專利保護期限已逐漸到期,再加上半導體技術與產品的蓬勃發展,以及對尺寸、速度及成本下降的需求之下,人們逐漸地對覆晶技術開始恢復記憶,並進行一連串與覆晶技術相關之材料、製程、設備等研發與應用,使得覆晶構裝躍昇為今日構裝產業之明日之星,而覆晶植球(FlipChipBumping)代工廠也順勢成立,以台灣為例,目前約有10家廠商已經成立,台積電等IC廠亦名列其中。廣義的覆晶技術泛指將晶片翻轉後,以面朝下的方式透過金屬導體與基板(Substrate)進行接合。一般而言,金屬導體包含有金屬凸塊(MetalBump)、捲帶接合(Tape-AutomatedBonding)、異方性導電膠(AnisotropicConductiveAdhesives)、高分子凸塊(PolymerBump)、打線成球(StudBump)等,這其中以金屬凸塊技術最為成熟,亦被廣泛應IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查5−6版權所有,翻印必究用於量產之產品上。覆晶凸塊的成型方法很多,常見者有蒸鍍、濺鍍、電鍍、印刷、打線成型、噴射成型等。凸塊的材料依不同的需求,有高溫錫鉛、低溫錫鉛、金、鎳、銅等。圖5-4所示即為電鍍式覆晶植球技術之流程。圖5-4電鍍式覆晶植球流程圖大體上,低I/O數及高I/O數IC其使用覆晶接合技術的驅動力稍有不同。對低I/O數的IC而言,低廉成本、小型構裝尺寸、可靠性、低電感等需求為其主要驅動力。但對高I/O數的IC來說,驅動力則主要為晶片尺寸的縮小、低電感、以及突破銲墊間距(Padpitch)限制等。第五章IC構裝製程技術發展趨勢5−7版權所有,翻印必究一般而言,由於成本與製程因素,使用覆晶接合之產品通常可分為兩種形式,分別為使用於低I/O數IC之覆晶式組裝(FlipChiponBoard,FCOB)及使用於高I/O數IC的覆晶式構裝(FlipChipinPackage,FCIP),其中FCOB為直接晶片接合(DirectChipAttachment;DCA)技術之一。依據Prismark估計,如圖5-5所示,於2000年預估使用覆晶接合(含WL-CSP)之數量約為184,500萬個單位,其中FCIP約佔28,200萬單位左右,但在2005年覆晶接合急速增加至1,173,000萬個單位,其中FCIP佔有250,500萬個單位,總數約為2000年之8.9倍。資料來源:PrismarkPartnerLLC;資料整理:ERSO/ITRI圖5-5全球覆晶產品市場預測圖五、晶圓級構裝對陣列式構裝而言,目前普遍可接受之分類為球距(BallPitch)小於1.0mm(通常為0.8mm、0.75mm、0.5mm)者稱之為晶方尺度構裝IC構裝材料技術及市場發展趨勢專題調查5−8版權所有,翻印必究(ChipScalePackage;CSP),而大於或等於1.0mm者則稱為球格陣列構裝(BGA)。由於構裝尺寸幾乎接近於晶片之原尺寸,因此目前CSP構裝之設計完全為各憑本事,盡情發揮,導致出現百花齊放之現況。CSP通常可分為硬式基板型(Rigidsubstrate)、軟式基板型(Flexsubstrate)、導線架型(Leadframe)、及晶圓級(Waferlevel)等四種分法,其中晶圓級構裝(WaferlevelCSP;WL-CSP)由於其將對構裝產業架構產生影響,因此值得注意。晶圓級構裝基本觀念是以晶圓為構裝處理對象,而非如傳統構裝製程是以單顆晶片為主。因此,在進行切割前,便已在晶圓上完成構裝動作。目前較有名者如K&S之UltraCSP、ShellCase之Shell-PACK與Shell-BGA、Chipscale之MicroSMT、Sandia之miniBGA(mBGA)、Fujitsu之SuperCSP等。基本上,其架構通常是有一層埠端重佈層(I/Oredistributionlayer;RDL)、一層應力緩衝層(stressbufferlayer)、一層護層(passivationlayer)及最後之植球或引腳部份。由於具備低成本及小尺寸之優勢,一般認為以集積化被動元件(integratedpassives)、高階記憶體、及低腳數元件(如微控制器)等為其主要訴求,由於WL-CSP為新型之構裝型態且製程具獨特性,短期內市場佔有率不高,以PrismarkPartnersLLC預測,2000年約有184,500萬顆晶片以覆晶型式構裝(約佔所有構裝IC之2%),其中14%使用晶圓級構裝,估計2005年也僅有344,000萬顆晶片使用晶圓級構裝。可想而知,此數量在全部CSP或IC產量中只佔相當低的比例。雖如此,但作者仍欲於此另闢一節討論,其原因在於提醒讀者WL-CSP對IC、構裝、測試產業架構與生態之改變。如圖5-6所示,WL-CSP製程一般會用到薄膜沉積(Thinfilmdeposition)、微影(Photolithography)、蝕刻(Etching)、電第五章IC構裝製程技術發展趨勢5−9版權所有,翻印必究鍍、印刷等製程,這些製程,前面幾個屬黃光製程者並不是傳統構裝業者所擁有與熟知的。但相反地,這些技術大部份均與覆晶植球(FlipChipbumping)技術相通,亦與IC製程類似。因此後兩者(覆晶植球者與IC生產者)要進入此領域將較傳統構裝業者快而直接。再者,由於是直接對整片晶圓進行加工,因此理論上,將這些步驟視為IC製程之一部份應屬可行且合理。假若此推論為正確,那構裝產業的架構於未來將面臨極大之變革,即晶圓於IC廠出廠時便已構裝完畢,於測試後便可直接送到客戶手中,而無需再透過構裝廠之加工程序。WL-CSP雖然有許多優點,但也面臨挑戰,例如在價格方面,由於主要競爭對象為CSP與TSOP產品,如何經由材料與架構的選擇,達到低成本需求為一重要課題。再者,隨著晶片尺寸的縮小化,則其線路亦需重新設計,此亦為成本之一大考量。其他如可靠性、waferlevelburn-in與testing也是尚待解決的問題。SolderBallBCB1BCB1MetalTraceBCB1BCB2步驟1:BCB1層成型步驟2:埠端重佈步驟3:BCB2層成型(護層)步驟4:錫鉛球置放資料來源:FlipChipTechnology圖5-6典型WL-CSP製程(以UltraCSP為例)IC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