半导体封装.docx

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半导体封装

半导体封装

期末报告

半导体的历史及电子构装技术

指导老师：

林朝慨

班级：

日五专械五乙

学生：

林忠民5873073

张尹勋5873091

王君海5873086

骆敬哲5873058

锺光政5873087

民国九十二年五月十五日

目录

一半导体的历史回顾……………………………………………….1

1前言…………………….………………………….…………..2

2全球DRAM产业现况………….…………………………….2

3半导体的历史回顾…………………………….……………..6

二半导体的封装材料……………………………………………….10

1概论……………………………………………………….…..10

2封装材料市场市场分析与技术现况…………………….…..18

3半导体及电路板在业界常被使用的材料……………….…..19

4漆包线漆和封装化合物………………………………………21

三半导体电子构装技术………………………………………...…..22

1构装的目的………………………………………………….22

2芯片黏结………………………………………………….…..28

3引脚架的制作…………………………………………….…..31

4构装之密封…………………………………………………...33

四半导体制成设备的概论………………………………………….38

1概论……………………………………………………………38

2洁净室………………………………………………………...38

3晶圆制作………………………………………………….…..40

4半导体制程设备………………………………………….…..41

五半导体的未来趋势与成长速率及晶圆………………….………49

1半导体的未来趋势………………………………………..….49

2IC测试业……………………………………………….……50

3半导体的成长速率……………………………………………54

4创投看上世纪半导体的经营团队……………………………56

六参考文献资料…………………………………………………….61

一半导体的历史回顾

1前言

半年以来市场普遍预期DRAM的供给将因新设晶圆厂速度减缓、制程微缩越来越困难及PC需求依然强劲等情形下，下游系统及通路商对下半年DRAM产业景气持乐观的预期，而大幅囤积库存。

然而，从今年第三季开始，DRAM的价格由七月中接近9美元的高价跌到近期三美元左右的价位，正表现出这产业高风险、高报酬的特性。

另外来自于专业研究机构或制造厂商对明年的看法也不尽相同，厂商要如何因应未来的发展，DRAM价格未来的走势又如何将是本文探讨的重点。

2全球DRAM产业现况

2-1半导体产业的景气循环

回顾半导体发展历史，在1958年集成电路（IC）推出后，取代了传统真空管的功能。

而真正开启半导体黄金时代序曲的是1971年后Intel推出一系列功能不断提升的CPU。

从70年代应用迷你计算机的8位处理器、70年代末开始应用于工作站的16位到80年代末逐渐成熟的32位处理器80386，开启了个人计算机应用的新里程碑。

而对DRAM的需求也在CPU及微软操作系统不断的推新助澜下而由2Mb、4Mb提升到目前市场主流的64Mb如图1-1所示。

图1-1DRAM产品的发展

若进一步从半导体市场规模成长率的变化幅度来看，1971年到1996年为止26年间，平均每4年到6年所经历的产业景气循环现象（分别为1971~1975年，1975~1981年，1981~1985年，1985~1990年及1991~1995年），几乎是伴随着Intel新产品所衍生出来的每一次的景气成长高峰如图1-2所示。

这种藉由不断创新及推出新一代产品以推展出另一波景气成长高峰的成长循环模式，完全遵循着摩尔定律每3年在相同面积下，提高为两倍晶体管容量的制程技术进展，形成一种半导体产业特有的硅周期产业景气循环现象，主宰着过去近30年全球半导体市场景气成长趋势。

图1-2硅周期产业景气循环（亚洲证券汇总2000/11）

2-2呈现大者恒大的寡占局势

在经历了疯狂投入设厂所造成恶性降价竞争及总体经济面的金融风暴影向，相较于1990年代初期全球重要DRAM大厂15家而言，目前全球真正仍具影响力的大厂已剩下不到十家。

其中最具代表性的厂商分别以美国的美光、日本的NEC、韩国的三星、现代及德国Infineon为主。

而这五家厂商所拥有的市场占有率已从去年的六成七提升至今年的八成如表1-1及图1-3所示，而所拥有的制程技术也居于领先的地位，以美光为例，今年80%的产品是以0.18微米以下制程生产，居业界之冠。

至于台湾的DRAM大厂由于无法掌握核心技术，因而纷纷与世界大厂策略合作，一方面获得技术提升，另一方面则可确保一定的订单。

另外，若再加入一些新进的竞争者，可进一步的将DRAM厂商划分为领导者、追随者及后进者三类。

表1-1全球DRAM大厂1999年营收及市场占有率

（亚洲证券汇总2000/11）

图1-3全球前五大全球市场占有率

3半导体的历史回顾

半导体在台湾发展有下列几个时期：

3-1萌芽期（1964年~1974年）

1964年国立交通大学成立半导体实验室，将半导体课程列为主要教学重点，其所培养出的人才，是日后我国IC工业得以顺利发展的重要关键。

1966年美商通用仪器（GeneralInstruments）在高雄设厂，从事晶体管之构装，开启了我国封装产业。

尔后，陆续有外商如德州仪器、飞利浦建元电子等在台设厂，引进IC的封装、测试及品管技术，为我国IC封装业奠定了基础。

技术引进期（1974年~1979年）

1974年，政府为使国内电子工业的发展，能持续且逐渐朝技术密集方向转型，经多方评估研究与筹划后，乃成立电子工业研究中心（工研院电子工业研究所前身），设置IC示范工厂，选择美国RCA公司为技术引进的对象，建立了7.0微米CMOS技术，并与美国IMR（InternationalMaterialsResearch）公司合作，引进光罩制作技术，开启了我国IC自主技术的序幕。

1976年当时行政院政务委员李国鼎先生担任应用科技研究发展小组的召集人，负责协助推动我国工业升级。

其后在孙运璇担任行政院长时，李国鼎获其支持推动了科学技术发展方案，而科技发展方案的具体作为之一则是在1981年成立了新竹科学园区，日后成为国内的「硅谷」，亦为全球IC产业体系中的重要角色。

3-2技术自立及扩散期（1979年~现在）

历经工研院电子所之电子工业第一期IC示范工厂设置计划（1975~1979年）、电子工业第二期发展计划（1979~1983年）、及超大规模集成电路发展计划（1983~1988年）后，已将我国半导体技术推向超大规模集成电路的舞台。

1980年工研院电子所正式衍生成立联华电子公司，成为国内第一家IC制造业者，并以四吋厂开始生产IC后，我国才正式跨足到集成电路前段商业化制造工程阶段。

1987年工研院电子所再度衍生六吋晶圆超大规模集成电路制程技术的台湾集成电路制造公司（TSMC）、以及1988年衍生之国内第一家专业光罩厂商─台湾光罩公司，使得我国IC产业体系的雏型于焉成形。

我国IC产业的发展，在最初的前15年是靠后段的封装、测试作为产业的发展主轴；之后的15年则因陆续建立不少四吋、五吋及六吋晶圆厂，遂逐步由后段向前段发展。

至1990年初期，在众多六吋厂陆续成立运转后，国内IC工业才开始蓬勃发展起来。

1993～1995年间全球IC市场在热络景气带动下，更兴起了八吋厂的投资热潮，在1994年工研院电子所衍生成立世界先进公司（为我国第一座DRAM八吋晶圆厂）之带动下，国内十八座以上的八吋晶圆厂亦陆续投入见图1-4所示。

厂商带来的高获利又吸引了更多的IC公司前仆后继地投入。

在IC制造业的带动下，IC外围相关产业也因而蓬勃发展。

而除了国内的IC业内或业外厂商的积极参与外，国际级的相关大厂，亦开始积极投入台湾市场，为我国IC产业开创了前所未有的灿烂岁月，更将我国IC产业推向国际舞台。

2000年为因应全球SoC风潮，工研院成立系统芯片（SoC）技术中心，结合四十家厂商，成立SoC推动联盟以建构我国硅智产（SiliconIP）的产生、流通与应用环境，使我国IC产业朝创新导向发展见图1-5所示 。

图1-4我国IC产业发展阶段历程

[工研院经资中心（2001年3月）]

图1-5我国IC产业技术发展策略

[工研院经资中心（2001年3月）]

二半导体的封装材料

1概论

电子封装是将半导体芯片结合在一起形成一个以半导体为基础的电子功能块器件﹐可以分为芯片封装﹑组件封装。

芯片封装是把芯片安装在一个载体上﹐也可以安装在电路板或组件上﹐载体常用塑料薄膜。

电路板封装是在环氧树脂为基板的印制电路板上进行化学蚀刻或镀铜等工艺。

芯片封装与电路板封装一般应用于中低档产品中﹐高性能计算器中则需要采用组件封装﹐它是将多个高性能集成电路通过多层陶瓷技术封装成一个整体的器件﹐以利于散热和减少信号传输时的延迟。

常用的印制电路板由玻璃纤维增强的环氧树脂层压板制成﹐它的缺点是热稳定性差﹑线胀系数大﹐但对集成电路封装材料的基本要求是它对电子元器件的热应力要小﹐因此应通过环氧与有机硅改性制得的高分子合金来达到。

在有机硅树脂中引入羧基,以提高它与环氧树脂界面间的亲和性,来得到分散粒子很小的微相分离型高分子合金﹐其中有机硅树脂分散粒子的直径可小到0.1μm以下﹐内应力就可显著下降。

此外若采用玻纤/聚亚胺或芳香聚胺纤维/环氧树脂制成的印制电路板﹐可明显提高热稳定性﹐而不降低其线胀系数。

所以形成了两个分明的市场─电子零件成型所需要的高性能ETP,和用于PCB与封装材料的热固性材料。

因为ETP很少用在PCB片层和封装材料中﹐而只有极小量的热固性材料用在成型电子组件中﹐所以两者之间的交叉应用极少。

自动化检测技术

电子金属组件

∙电子及机械组件制程监控（制程控制、材料分检）

∙工程结构安全检测（压力容器、热交换管）

∙电子材料及组件设计应用（无铅焊锡、连接器）

∙轻量化结构设计（轨道车辆、机车架）

∙材料强度及可靠度分析（电子构装）

防蚀及应用电化学

耐久性钢筋混凝土材料应用

∙工程结构防蚀技术

∙应用电化学材料制程技术（铜箔、奈米制程）

∙电化学监控系统开发（电位、噪声、交流阻抗）

∙ＲＣ结构检监测及安全评估

∙耐久性RC材料及修复技术

∙电极材料开发（DSA电极）

多尺度模拟实验室

制振技术

∙量子、分子动力、连续体理论耦合计算模拟建立与应用

∙奈米结构性能及制程计算仿真

∙探讨重点产业之材料与制程技术瓶颈及展望，提供产业技术前瞻发展信息

∙制振及吸音复合材料制程加工

∙制振及吸音产品之动态机构仿真分析及产品开发

∙音响产品研发

信息高分子复材

构造复合材料

∙正温度系数导电复材（PPTC）

∙氟系高频印刷电路基板制程开发

∙气体辅助三明治共射出成形整合技术

∙复合材料补强钢筋混凝土结构物技术

∙自行车产品设计、制造技术

∙碳纤维补强混凝工法

结构陶瓷

电子陶瓷元组件

陶瓷近实形制程技术

∙光纤连接器陶瓷袖管高压射出成形

∙纺织工业用丝导及喷嘴高压射出成形

∙氧化锆高压／低压射出成形

∙碳化硅机械轴封圈及纺织剪刀干压成形

∙氧化锆刀具压力注浆成形

∙陶瓷精密研磨加工及检测技术

∙粉体粒径、陶瓷密度、射出料流变性质、抗折强度、硬度、耐磨耗性能

∙低温共烧陶瓷材料系统、制程技术及通讯用元组件开发

∙磁性材料、制程技术与信息及电源用元组件开发

∙压电材料、制程技术与压电相关组件开发

∙高界电常数、高Ｑ值界电材料及微波组件开发

∙半导化陶瓷材料、制程技术与组件开发

∙电磁路与元组件仿真与设计技术开发

∙相关元组件生产之自动化设备与仪器开发

传感器技术

感测技术研究开发

∙物理和化学感测之仿真、设计、制程、封装、组装、测试、应用

传感器应用技术辅导

∙传感器应用、测试、校正、补偿、应用封装、界面设计

传感器应用产品开发

∙保健血压计、汽车胎压计、气象气压计、智慧吸尘器、压力控制开关表

∙开发微影工程技术

∙开发电着微影法彩色滤光片制程

∙建立高性能印刷电路板技术

∙结合涂布工程技术开发PhotoVia涂布设备

∙开发光阻材料技术

∙建立干膜式彩色滤光片制程及材料技术

∙建立TFT-LCDArray用之彩色光阻技术

∙建立颜料分散型彩色光阻技术

∙开发LCD用光阻材料

有机发光二极管（EL）

液晶与配向膜材料

∙建立EL组件及材料技术

∙开发EL被动式驱动技术

∙建立EL组件商品化技术

∙建立EL材料之量产及纯化技术

∙建立液晶材料设计、合成及配方能力

∙建立配向膜材料之合成、配方技术

∙开发LCD用之塑料基材

∙开发高亮度膜及广是角膜涂布材料

聚亚酰胺材料

电子构装高分子材料

∙电子用聚亚酰胺相关材料及配方开发

∙耐高温树脂材料开发

∙低介电树脂材料开发

∙感旋光性聚亚酰胺材料开发

∙成卷连续式涂布水性树脂涂料开发

∙涂布基材化性／物性评估

∙电子构装用高分子封装材料配方开发

∙ＵＶ硬化树脂系统开发

∙高介电常数高分子材料系统开发

∙环氧树脂系介电高分子系统开发

∙可修复式接着树脂系统开发

∙绝缘树脂材料开发

涂布工程技术

∙产品开发涂布工程支持

∙涂布流场模拟分析

∙干燥效率及方法研究

∙连续式贴合制程研究

∙非连续式大面积涂布研究

∙多层涂布工程研究

∙多层涂布模头设计及发包

2封装材料市场市场分析与技术现况

随着半导体产业的高度发展，电子产品在IC组件的设计上朝向高脚数与堆功能化的需求发展，而在组件外观上亦朝着清、薄、短、小的趋势演进，因此在封装制程上亦面临诸多挑战，诸如导线架的设计日趋复杂、封装材料的选用、封装制程中金线数目的高密度集积化，以及模流充填时所产生的金线拼移与薄形封装翘曲变形等问题，都是产业界目前所遭遇的课题。

IC封装材料的原料主要班含环氧树脂（Epoxy）及无机性的Silica添加剂，一般分为Cresol的Block系（泛用型）及Bisphenol系（高级型），然而随着IC封装的小形化及高密度集积化的发展，使得导线架及基板的封装在耐高温上的要求变的特别严格，便近一度发展至Disphenol系的EMC（固态模封材料，EpoxyMoldingCompound:

EMC）。

未来亦将朝向减少对环境有极大影响的卤素（Halgen）及锑（Sb）难燃剂使用以及促进液态模封材料的实用化。

在全球模封材料市场中，目前主要的生产厂商皆为日商，市场占有率高达9成以上，主要的五大厂商依序为住友、日东电工、日立化成、信越化学及松下电子等五家企业，其它尚有日商Toray、东芝及美商Deaxter、Amokor、台湾长春化学等公司。

而在液态封止材料上，主要的供货商有Dexter、Hysol、Ciba、Matsushita、Toshiba等公司。

在国内，目前我国EMC约有9成以上需仰赖进口，最大宗的低应力等级产品有住友及日东，低α射线产品以日立及信越为代表，值得一提的是目前最热门的PBGA产品所用的EMC几乎全是采用Plaskon的产品。

虽然目前国内已有新投入的生产厂商，但在利润空间及技术考虑上尚有关卡极待突破。

3半导体及电路板在业界常被使用的材料

Nomex芳香族聚酰胺纤维

这些芳香族聚酰胺纤维、纸、和绝缘用合成纤维压板具有耐高温性能,超强的绝缘特性,和高超的抗拉强度,连同极佳的柔韧性和弹性。

Nomex®有带装和板装可供使用,为线圈层板和线圈骨周围提供卓越的层和面绝缘。

CrastinPBT热塑型聚酯树脂

这些聚对苯二甲酸丁二酯聚酯有极佳的可加工性、刚性、和良好的电器性能。

它们用于连接器、线圈骨架、和其它的电器组件。

RynitePET热塑型聚酯树脂

Rynite®PET对苯二甲酸乙二酯聚酯树脂具有热稳定性、电器性能、尺寸稳定性和刚性等几方面的极优组合,适合当今的小型及更为复杂的电器和电子组件应用。

Rynite®PET广泛用于线圈骨架和塑料封装上。

ZeniteLCP液晶高分子树脂

Zenite®LCP树脂是芳香族的聚酯树脂,具有较高的熔点（335–352°C即635–666°F）。

即使在很高的温度下也具有极优的尺寸稳定性和抗蠕变性。

其良好加工性实现了大规模成型凸缘厚度为0.25mm（10mil）的表面黏着式线圈骨架。

Zytel尼龙树脂

在世界上使用的全部线圈骨架中，有超过半数是用无补强的或玻璃补强的聚酰胺（尼龙）树脂,包括PA6、PA66和PA612。

Zytel®PA树脂具良好坚韧性、延伸性、插针保持性、和易于加工等性能，主要应用于变压器、继电器、马达、和其它有关线圈骨架的电器组件。

Zytel®树脂还被广泛用作线圈封装材料。

ZytelHTN高性能聚酯树脂

Zytel®HTN树脂是高性能尼龙共聚物,熔点超过（300°C即572°F）,玻璃转化温度（干性）为（90–140°C即194–284°F）。

Zytel®HTN应用于那些需要高强度和高温度性能的产品中。

Kapton聚酰亚胺薄膜

超韧性的聚酰亚胺薄膜,具有抗极端温度（400°C即752°F）和压力的能力。

它不受大多数化学物质的影响。

作为一种绝缘材料,Kapton®具有无可比拟的绝缘性能和出色的抗拉强度,这样就可采用较薄的壁结构增加性能和成本效率。

Mylar聚酯薄膜

这种格外坚韧的聚酯薄膜可提供在化学、电器、物理和热性能等方面的独特平衡。

很适合作电器、电子及工业用途。

Mylar®提供电线、电缆与线圈之间的阻隔和绝缘能力。

Kaladex®薄膜

Kaladex®薄膜在聚酯及聚酰亚胺薄膜的价格和性能之间架起了一座桥梁。

4漆包线漆和封装化合物

优质的漆包线漆和众多的封装化合物可供使用于那些需要达到UL和IEC标准的电器产品。

三半导体电子构装技术

1构装的目的

以薄膜制程技术在硅或砷化镓等晶圆上制成的IC组件尺寸极为微小，结构也极其脆弱，因此必须使用一套方法把它们“包装”起来，以防止在输送与取置过程中外力或环境因素的破坏；此外，集成电路组件也必须与电阻、电容等被动组件组合成为一个系统才可以发挥既定的功能。

电子构装即在建立IC组件的保护与组织架构，它始于IC芯片制成之后，包括IC芯片的黏结固定、电路联机、结构密封、与电路板之接合、系统组合、以至于产品完成之间的所有制程，其目的为完成IC芯片与其它必要之电路零件的组合，以传递电能与电路讯号、提供散热途径、承载与结构保护等功能，如图3-1。

图3-1半导体构装功能

1-1构装的技术层次区分

从IC芯片的黏结固定开始到产品的完成，电子构装的制程技术常以图3-2所示的四个不同的层次（Level）区分之，第一层次系指将IC芯片黏结于一构装壳体中并完成其中的电路联机与密封保护之制程，又常称为模块（Module）或芯片层次构装；第二层次构装系指将第一层次构装完成的组件组合于一电路卡（Card）上的制程；第三层次则指将数个电路板组合于一主机板（Board）上成为一次系统的制程；第

图3-2构装的层次区分

四层次则为将数个次系统组合成为一完整的电子产品（Gate）的制程。

IC芯片上的联机制程也被称为第零层次的构装，故电子构装的制程有时又以五个不同的层次区分之。

电子构装是一门跨学门的工程技术，它是产品电性、热传导、可靠度、可应用的材料与制程技术、以及成本价格等因素最佳化的整合，因此构装的制程中知识技术与材料的运用有相当的弹性，例如，混成电路（HybridCircuits）是混合第一层次与第二层次技术的构装方法；芯片直接组装（Chip-on-Board，COB）省略第一层次构装，直接将IC芯片接合在属于第二层次构装的电路板上。

随着制程技术与新型材料不断地被开发出来，电子构装技术也呈现多样之变化，故前述的技术层次区分亦非一成不变的准则。

构装的分类

依构装中组合的IC芯片数目，电子构装可区分为单芯片构装（SingleChipPackages，SCP）与多芯片构装（MultichipPackages，MCP）两大类，多芯片构装也包括多芯片模块构装（MultichipModule，MCM）。

依密封的材料区分，塑料与陶瓷为主要的种类，这两种构装的制程基本步骤如图3-3所示。

陶瓷构装（CeramicPackages）热传导性质优良，可靠度佳，塑料构装（PlasticPackages）的热性质与可靠度虽逊于陶瓷构装，但它具有制程自动化、低成本、薄型化构装等优点，而且随着制程技术与材料的进步，其可靠度已有相当之改善，塑料构装为目前市场的大宗。

依组件与电路板接合方式，构装可区分为引脚插入型（Pin-Through-Hole，PTH，也称为插件型）与表面黏着型（SurfaceMountTechnology，SMT）两大类，PTH组件的引脚为细针状或薄板状金属，以供插入脚座（Socket）或电路板的导孔（Via）中进行焊接固定；SMT组件则先黏贴于电路板上后再以焊接固定，

图3-3构装的分类

它具有海鸥翅型（GullWing或L-lead）、钩型（J-lead）、直柄型（Butt或I-lead）之金属引脚，或电极凸块引脚（也称为无引脚化组件）见图3-4；舍弃第一层次构装直接将IC芯片黏结到基板上，再进行电路联机与涂封保护的裸晶型（BareChip）构装亦被归类于SMT接合的一种，此种构装也被称为芯片直接粘结（DirectChipAttach，DCA）构装，它更能符合“轻、薄、短、小”的趋向，因此成为新型构装技术研究的热门题目之一。

图3-4各种引脚的种类

以引脚分布形态区分，构装组件有单边引脚、双边引脚、四边引脚与底部引脚等四种。

常见的单边引脚组件有单列式构装（SingleInlinePackages，SIP）与交叉引脚构装（Zig-zagInlinePackages，ZIP）；双边引脚组件有双列式构装（DualInlinePackages，DIP）、小型化构装（SmallOutlinePackages，SOP或SOIC）等；四边引脚组件有四边扁平构装（QuadFlatPackages，QFP），QFP构装也称为晶粒承载器或芯片载体（ChipCarrier）；底部引脚组件有金属罐式（MetalCanPackages）与针格式构装（PinGridArray，PGA，也称为针脚数组构装）。

1-2构装技术简介

IC芯片的构装有各种不同型态，构装的形态以及该用何种制程技术与材料去完成由产品电性、热传导、可靠度之需求、材料与制程技术、成本价格等因素所决定。

形态相同的构装可以应用不同的制程技术与材料完成，所述及的制程技术内容包括：

芯片黏结（DieMount或DieAttachment）、联机技术（Interconnection）、引脚架（Leadframe）、薄膜/厚膜（Thin/Thic