半导体封装精.docx

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半导体封装精

半导体封装

期末报告

半导体的历史及电子构装技术

目錄

一半導體的歷史回顧……………………………………………….1

1前言…………………….………………………….…………..2

2全球DRAM產業現況………….…………………………….2

3半導體的歷史回顧…………………………….……………..6

二半導體的封裝材料……………………………………………….10

1概論……………………………………………………….…..10

2封裝材料市場市場分析與技術現況…………………….…..18

3半導體及電路板在業界常被使用的材料……………….…..19

4漆包線漆和封裝化合物………………………………………21

三半導體電子構裝技術………………………………………...…..22

1構裝的目的………………………………………………….22

2晶片黏結………………………………………………….…..28

3引腳架的製作…………………………………………….…..31

4構裝之密封…………………………………………………...33

四半導體製成設備的概論………………………………………….38

1概論……………………………………………………………38

2潔淨室………………………………………………………...38

3晶圓製作………………………………………………….…..40

4半導體製程設備………………………………………….…..41

五半導體的未來趨勢與成長速率及晶圓………………….………49

1半導體的未來趨勢………………………………………..….49

2IC測試業……………………………………………….……50

3半導體的成長速率……………………………………………54

4創投看上世紀半導體的經營團隊……………………………56

六參考文獻資料…………………………………………………….61

一半導體的歷史回顧

1前言

半年以來市場普遍預期DRAM的供給將因新設晶圓廠速度減緩、製程微縮越來越困難及PC需求依然強勁等情形下，下游系統及通路商對下半年DRAM產業景氣持樂觀的預期，而大幅囤積庫存。

然而，從今年第三季開始，DRAM的價格由七月中接近9美元的高價跌到近期三美元左右的價位，正表現出這產業高風險、高報酬的特性。

另外來自於專業研究機構或製造廠商對明年的看法也不盡相同，廠商要如何因應未來的發展，DRAM價格未來的走勢又如何將是本文探討的重點。

2全球DRAM產業現況

2-1半導體產業的景氣循環

回顧半導體發展歷史，在1958年積體電路（IC）推出後，取代了傳統真空管的功能。

而真正開啟半導體黃金時代序曲的是1971年後Intel推出一系列功能不斷提升的CPU。

從70年代應用迷你電腦的8位元處理器、70年代末開始應用於工作站的16位元到80年代末逐漸成熟的32位元處理器80386，開啟了個人電腦應用的新里程碑。

而對DRAM的需求也在CPU及微軟作業系統不斷的推新助瀾下而由2Mb、4Mb提升到目前市場主流的64Mb如圖1-1所示。

圖1-1DRAM產品的發展

若進一步從半導體市場規模成長率的變化幅度來看，1971年到1996年為止26年間，平均每4年到6年所經歷的產業景氣循環現象（分別為1971~1975年，1975~1981年，1981~1985年，1985~1990年及1991~1995年），幾乎是伴隨著Intel新產品所衍生出來的每一次的景氣成長高峰如圖1-2所示。

這種藉由不斷創新及推出新一代產品以推展出另一波景氣成長高峰的成長循環模式，完全遵循著摩爾定律每3年在相同面積下，提高為兩倍電晶體容量的製程技術進展，形成一種半導體產業特有的矽週期產業景氣循環現象，主宰著過去近30年全球半導體市場景氣成長趨勢。

圖1-2矽週期產業景氣循環（亞洲證券彙總2000/11）

2-2呈現大者恆大的寡占局勢

在經歷了瘋狂投入設廠所造成惡性降價競爭及總體經濟面的金融風暴影嚮，相較於1990年代初期全球重要DRAM大廠15家而言，目前全球真正仍具影響力的大廠已剩下不到十家。

其中最具代表性的廠商分別以美國的美光、日本的NEC、韓國的三星、現代及德國Infineon為主。

而這五家廠商所擁有的市場佔有率已從去年的六成七提升至今年的八成如表1-1及圖1-3所示，而所擁有的製程技術也居於領先的地位，以美光為例，今年80%的產品是以0.18微米以下製程生產，居業界之冠。

至於台灣的DRAM大廠由於無法掌握核心技術，因而紛紛與世界大廠策略合作，一方面獲得技術提升，另一方面則可確保一定的訂單。

另外，若再加入一些新進的競爭者，可進一步的將DRAM廠商劃分為領導者、追隨者及後進者三類。

表1-1全球DRAM大廠1999年營收及市場佔有率

（亞洲證券彙總2000/11）

圖1-3全球前五大全球市場占有率

3半導體的歷史回顧

半導體在台灣發展有下列幾個時期：

3-1萌芽期（1964年~1974年）

1964年國立交通大學成立半導體實驗室，將半導體課程列為主要教學重點，其所培養出的人才，是日後我國IC工業得以順利發展的重要關鍵。

1966年美商通用儀器（GeneralInstruments）在高雄設廠，從事電晶體之構裝，開啟了我國封裝產業。

爾後，陸續有外商如德州儀器、飛利浦建元電子等在台設廠，引進IC的封裝、測試及品管技術，為我國IC封裝業奠定了基礎。

技術引進期（1974年~1979年）

1974年，政府為使國內電子工業的發展，能持續且逐漸朝技術密集方向轉型，經多方評估研究與籌劃後，乃成立電子工業研究中心（工研院電子工業研究所前身），設置IC示範工廠，選擇美國RCA公司為技術引進的對象，建立了7.0微米CMOS技術，並與美國IMR（InternationalMaterialsResearch）公司合作，引進光罩製作技術，開啟了我國IC自主技術的序幕。

1976年當時行政院政務委員李國鼎先生擔任應用科技研究發展小組的召集人，負責協助推動我國工業升級。

其後在孫運璿擔任行政院長時，李國鼎獲其支持推動了科學技術發展方案，而科技發展方案的具體作為之一則是在1981年成立了新竹科學園區，日後成為國內的「矽谷」，亦為全球IC產業體系中的重要角色。

3-2技術自立及擴散期（1979年~現在）

歷經工研院電子所之電子工業第一期IC示範工廠設置計畫（1975~1979年）、電子工業第二期發展計畫（1979~1983年）、及超大型積體電路發展計畫（1983~1988年）後，已將我國半導體技術推向超大型積體電路的舞台。

1980年工研院電子所正式衍生成立聯華電子公司，成為國內第一家IC製造業者，並以四吋廠開始生產IC後，我國才正式跨足到積體電路前段商業化製造工程階段。

1987年工研院電子所再度衍生六吋晶圓超大型積體電路製程技術的台灣積體電路製造公司（TSMC）、以及1988年衍生之國內第一家專業光罩廠商─台灣光罩公司，使得我國IC產業體系的雛型於焉成形。

我國IC產業的發展，在最初的前15年是靠後段的封裝、測試作為產業的發展主軸；之後的15年則因陸續建立不少四吋、五吋及六吋晶圓廠，遂逐步由後段向前段發展。

至1990年初期，在眾多六吋廠陸續成立運轉後，國內IC工業才開始蓬勃發展起來。

1993～1995年間全球IC市場在熱絡景氣帶動下，更興起了八吋廠的投資熱潮，在1994年工研院電子所衍生成立世界先進公司（為我國第一座DRAM八吋晶圓廠）之帶動下，國內十八座以上的八吋晶圓廠亦陸續投入見圖1-4所示。

廠商帶來的高獲利又吸引了更多的IC公司前仆後繼地投入。

在IC製造業的帶動下，IC週邊相關產業也因而蓬勃發展。

而除了國內的IC業內或業外廠商的積極參與外，國際級的相關大廠，亦開始積極投入台灣市場，為我國IC產業開創了前所未有的燦爛歲月，更將我國IC產業推向國際舞台。

2000年為因應全球SoC風潮，工研院成立系統晶片（SoC）技術中心，結合四十家廠商，成立SoC推動聯盟以建構我國矽智產（SiliconIP）的產生、流通與應用環境，使我國IC產業朝創新導向發展見圖1-5所示 。

圖1-4我國IC產業發展階段歷程

[工研院經資中心（2001年3月）]

圖1-5我國IC產業技術發展策略

[工研院經資中心（2001年3月）]

二半導體的封裝材料

1概論

電子封裝是將半導體芯片結合在一起形成一個以半導體為基礎的電子功能塊器件﹐可以分為芯片封裝﹑組件封裝。

芯片封裝是把芯片安裝在一個載體上﹐也可以安裝在電路板或組件上﹐載體常用塑料薄膜。

電路板封裝是在環氧樹脂為基板的印制電路板上進行化學蝕刻或鍍銅等工藝。

芯片封裝與電路板封裝一般應用于中低檔產品中﹐高性能計算機中則需要採用組件封裝﹐它是將多個高性能集成電路通過多層陶瓷技術封裝成一個整體的器件﹐以利于散熱和減少信號傳輸時的延遲。

常用的印制電路板由玻璃纖維增強的環氧樹脂層壓板制成﹐它的缺點是熱穩定性差﹑線脹系數大﹐但對集成電路封裝材料的基本要求是它對電子元器件的熱應力要小﹐因此應通過環氧與有機硅改性制得的高分子合金來達到。

在有機硅樹脂中引入羧基,以提高它與環氧樹脂界面間的親和性,來得到分散粒子很小的微相分離型高分子合金﹐其中有機硅樹脂分散粒子的直徑可小到0.1μm以下﹐內應力就可顯著下降。

此外若採用玻纖/聚亞胺或芳香聚胺纖維/環氧樹脂制成的印制電路板﹐可明顯提高熱穩定性﹐而不降低其線脹系數。

所以形成了兩個分明的市場─電子零件成型所需要的高性能ETP,和用于PCB與封裝材料的熱固性材料。

因為ETP很少用在PCB片層和封裝材料中﹐而只有極小量的熱固性材料用在成型電子元件中﹐所以兩者之間的交叉應用極少。

自動化檢測技術

電子金屬元件

∙電子及機械組件製程監控（製程控制、材料分檢）

∙工程結構安全檢測（壓力容器、熱交換管）

∙電子材料及元件設計應用（無鉛銲錫、連接器）

∙輕量化結構設計（軌道車輛、機車架）

∙材料強度及可靠度分析（電子構裝）

防蝕及應用電化學

耐久性鋼筋混凝土材料應用

∙工程結構防蝕技術

∙應用電化學材料製程技術（銅箔、奈米製程）

∙電化學監控系統開發（電位、雜訊、交流阻抗）

∙ＲＣ結構檢監測及安全評估

∙耐久性RC材料及修復技術

∙電極材料開發（DSA電極）

多尺度模擬實驗室

制振技術

∙量子、分子動力、連續體理論耦合計算模擬建立與應用

∙奈米結構性能及製程計算模擬

∙探討重點產業之材料與製程技術瓶頸及展望，提供產業技術前瞻發展資訊

∙制振及吸音複合材料製程加工

∙制振及吸音產品之動態機構模擬分析及產品開發

∙音響產品研發

資訊高分子複材

構造複合材料

∙正溫度係數導電複材（PPTC）

∙氟系高頻印刷電路基板製程開發

∙氣體輔助三明治共射出成形整合技術

∙複合材料補強鋼筋混凝土結構物技術

∙自行車產品設計、製造技術

∙碳纖維補強混凝工法

結構陶瓷

電子陶瓷元組件

陶瓷近實形製程技術

∙光纖連接器陶瓷袖管高壓射出成形

∙紡織工業用絲導及噴嘴高壓射出成形

∙氧化鋯高壓／低壓射出成形

∙碳化矽機械軸封圈及紡織剪刀乾壓成形

∙氧化鋯刀具壓力注漿成形

∙陶瓷精密研磨加工及檢測技術

∙粉體粒徑、陶瓷密度、射出料流變性質、抗折強度、硬度、耐磨耗性能

∙低溫共燒陶瓷材料系統、製程技術及通訊用元組件開發

∙磁性材料、製程技術與資訊及電源用元組件開發

∙壓電材料、製程技術與壓電相關元件開發

∙高界電常數、高Ｑ值界電材料及微波元件開發

∙半導化陶瓷材料、製程技術與元件開發

∙電磁路與元組件模擬與設計技術開發

∙相關元組件生產之自動化設備與儀器開發

感測器技術

感測技術研究開發

∙物理和化學感測之模擬、設計、製程、封裝、組裝、測試、應用

感測器應用技術輔導

∙感測器應用、測試、校正、補償、應用封裝、介面設計

感測器應用產品開發

∙保健血壓計、汽車胎壓計、氣象氣壓計、智慧吸塵器、壓力控制開關表

∙開發微影工程技術

∙開發電著微影法彩色濾光片製程

∙建立高性能印刷電路板技術

∙結合塗佈工程技術開發PhotoVia塗佈設備

∙開發光阻材料技術

∙建立乾膜式彩色濾光片製程及材料技術

∙建立TFT-LCDArray用之彩色光阻技術

∙建立顏料分散型彩色光阻技術

∙開發LCD用光阻材料

有機發光二極體（EL）

液晶與配向膜材料

∙建立EL元件及材料技術

∙開發EL被動式驅動技術

∙建立EL元件商品化技術

∙建立EL材料之量產及純化技術

∙建立液晶材料設計、合成及配方能力

∙建立配向膜材料之合成、配方技術

∙開發LCD用之塑膠基材

∙開發高亮度膜及廣是角膜塗佈材料

聚亞醯胺材料

電子構裝高分子材料

∙電子用聚亞醯胺相關材料及配方開發

∙耐高溫樹脂材料開發

∙低介電樹脂材料開發

∙感光性聚亞醯胺材料開發

∙成卷連續式塗佈水性樹脂塗料開發

∙塗佈基材化性／物性評估

∙電子構裝用高分子封裝材料配方開發

∙ＵＶ硬化樹脂系統開發

∙高介電常數高分子材料系統開發

∙環氧樹脂系介電高分子系統開發

∙可修復式接著樹脂系統開發

∙絕緣樹脂材料開發

塗佈工程技術

∙產品開發塗佈工程支援

∙塗佈流場模擬分析

∙乾燥效率及方法研究

∙連續式貼合製程研究

∙非連續式大面積塗佈研究

∙多層塗佈工程研究

∙多層塗佈模頭設計及發包

2封裝材料市場市場分析與技術現況

隨著半導體產業的高度發展，電子產品在IC元件的設計上朝向高腳數與堆功能化的需求發展，而在元件外觀上亦朝著清、薄、短、小的趨勢演進，因此在封裝製程上亦面臨諸多挑戰，諸如導線架的設計日趨複雜、封裝材料的選用、封裝製程中金線數目的高密度集積化，以及模流充填時所產生的金線拼移與薄形封裝翹曲變形等問題，都是產業界目前所遭遇的課題。

IC封裝材料的原料主要班含環氧樹脂（Epoxy）及無機性的Silica添加劑，一般分為Cresol的Block系（泛用型）及Bisphenol系（高級型），然而隨著IC封裝的小形化及高密度集積化的發展，使得導線架及基板的封裝在耐高溫上的要求變的特別嚴格，便近一度發展至Disphenol係的EMC（固態模封材料，EpoxyMoldingCompound:

EMC）。

未來亦將朝向減少對環境有極大影響的鹵素（Halgen）及銻（Sb）難燃劑使用以及促進液態模封材料的實用化。

在全球模封材料市場中，目前主要的生產廠商皆為日商，市場佔有率高達9成以上，主要的五大廠商依序為住友、日東電工、日立化成、信越化學及松下電子等五家企業，其他尚有日商Toray、東芝及美商Deaxter、Amokor、台灣長春化學等公司。

而在液態封止材料上，主要的供應商有Dexter、Hysol、Ciba、Matsushita、Toshiba等公司。

在國內，目前我國EMC約有9成以上需仰賴進口，最大宗的低應力等級產品有住友及日東，低α射線產品以日立及信越為代表，值得一提的是目前最熱門的PBGA產品所用的EMC幾乎全是採用Plaskon的產品。

雖然目前國內已有新投入的生產廠商，但在利潤空間及技術考量上尚有關卡極待突破。

3半導體及電路板在業界常被使用的材料

Nomex芳香族聚醯胺纖維

這些芳香族聚醯胺纖維、紙、和絕緣用合成纖維壓板具有耐高溫性能,超強的絕緣特性,和高超的抗拉強度,連同極佳的柔韌性和彈性。

Nomex®有帶裝和板裝可供使用,為線圈層板和線圈骨周圍提供卓越的層和面絕緣。

CrastinPBT熱塑型聚酯樹脂

這些聚對苯二甲酸丁二酯聚酯有極佳的可加工性、剛性、和良好的電器性能。

它們用於連接器、線圈骨架、和其它的電器元件。

RynitePET熱塑型聚酯樹脂

Rynite®PET對苯二甲酸乙二酯聚酯樹脂具有熱穩定性、電器性能、尺寸穩定性和剛性等幾方面的極優組合,適合當今的小型及更為複雜的電器和電子元件應用。

Rynite®PET廣泛用於線圈骨架和塑料封裝上。

ZeniteLCP液晶高分子樹脂

Zenite®LCP樹脂是芳香族的聚酯樹脂,具有較高的熔點（335–352°C即635–666°F）。

即使在很高的溫度下也具有極優的尺寸穩定性和抗蠕變性。

其良好加工性實現了大規模成型凸緣厚度為0.25mm（10mil）的表面黏著式線圈骨架。

Zytel尼龍樹脂

在世界上使用的全部線圈骨架中，有超過半數是用無補強的或玻璃補強的聚醯胺（尼龍）樹脂,包括PA6、PA66和PA612。

Zytel®PA樹脂具良好堅韌性、延伸性、插針保持性、和易於加工等性能，主要應用於變壓器、繼電器、馬達、和其他有關線圈骨架的電器元件。

Zytel®樹脂還被廣泛用作線圈封裝材料。

ZytelHTN高性能聚酯樹脂

Zytel®HTN樹脂是高性能尼龍共聚物,熔點超過（300°C即572°F）,玻璃轉化溫度（乾性）為（90–140°C即194–284°F）。

Zytel®HTN應用於那些需要高強度和高溫度性能的產品中。

Kapton聚醯亞胺薄膜

超韌性的聚醯亞胺薄膜,具有抗極端溫度（400°C即752°F）和壓力的能力。

它不受大多數化學物質的影響。

作為一種絕緣材料,Kapton®具有無可比擬的絕緣性能和出色的抗拉強度,這樣就可採用較薄的壁結構增加性能和成本效率。

Mylar聚酯薄膜

這種格外堅韌的聚酯薄膜可提供在化學、電器、物理和熱性能等方面的獨特平衡。

很適合作電器、電子及工業用途。

Mylar®提供電線、電纜與線圈之間的阻隔和絕緣能力。

Kaladex®薄膜

Kaladex®薄膜在聚酯及聚醯亞胺薄膜的價格和性能之間架起了一座橋梁。

4漆包線漆和封裝化合物

優質的漆包線漆和眾多的封裝化合物可供使用於那些需要達到UL和IEC標準的電器產品。

三半導體電子構裝技術

1構裝的目的

以薄膜製程技術在矽或砷化鎵等晶圓上製成的IC元件尺寸極為微小，結構也極其脆弱，因此必須使用一套方法把它們“包裝”起來，以防止在輸送與取置過程中外力或環境因素的破壞；此外，積體電路元件也必須與電阻、電容等被動元件組合成為一個系統才可以發揮既定的功能。

電子構裝即在建立IC元件的保護與組織架構，它始於IC晶片製成之後，包括IC晶片的黏結固定、電路連線、結構密封、與電路板之接合、系統組合、以至於產品完成之間的所有製程，其目的為完成IC晶片與其它必要之電路零件的組合，以傳遞電能與電路訊號、提供散熱途徑、承載與結構保護等功能，如圖3-1。

圖3-1半導體構裝功能

1-1構裝的技術層次區分

從IC晶片的黏結固定開始到產品的完成，電子構裝的製程技術常以圖3-2所示的四個不同的層次（Level）區分之，第一層次係指將IC晶片黏結於一構裝殼體中並完成其中的電路連線與密封保護之製程，又常稱為模組（Module）或晶片層次構裝；第二層次構裝係指將第一層次構裝完成的元件組合於一電路卡（Card）上的製程；第三層次則指將數個電路板組合於一主機板（Board）上成為一次系統的製程；第

圖3-2構裝的層次區分

四層次則為將數個次系統組合成為一完整的電子產品（Gate）的製程。

IC晶片上的連線製程也被稱為第零層次的構裝，故電子構裝的製程有時又以五個不同的層次區分之。

電子構裝是一門跨學門的工程技術，它是產品電性、熱傳導、可靠度、可應用的材料與製程技術、以及成本價格等因素最佳化的整合，因此構裝的製程中知識技術與材料的運用有相當的彈性，例如，混成電路（HybridCircuits）是混合第一層次與第二層次技術的構裝方法；晶片直接組裝（Chip-on-Board，COB）省略第一層次構裝，直接將IC晶片接合在屬於第二層次構裝的電路板上。

隨著製程技術與新型材料不斷地被開發出來，電子構裝技術也呈現多樣之變化，故前述的技術層次區分亦非一成不變的準則。

構裝的分類

依構裝中組合的IC晶片數目，電子構裝可區分為單晶片構裝（SingleChipPackages，SCP）與多晶片構裝（MultichipPackages，MCP）兩大類，多晶片構裝也包括多晶片模組構裝（MultichipModule，MCM）。

依密封的材料區分，塑膠與陶瓷為主要的種類，這兩種構裝的製程基本步驟如圖3-3所示。

陶瓷構裝（CeramicPackages）熱傳導性質優良，可靠度佳，塑膠構裝（PlasticPackages）的熱性質與可靠度雖遜於陶瓷構裝，但它具有製程自動化、低成本、薄型化構裝等優點，而且隨著製程技術與材料的進步，其可靠度已有相當之改善，塑膠構裝為目前市場的大宗。

依元件與電路板接合方式，構裝可區分為引腳插入型（Pin-Through-Hole，PTH，也稱為插件型）與表面黏著型（SurfaceMountTechnology，SMT）兩大類，PTH元件的引腳為細針狀或薄板狀金屬，以供插入腳座（Socket）或電路板的導孔（Via）中進行銲接固定；SMT元件則先黏貼於電路板上後再以銲接固定，

圖3-3構裝的分類

它具有海鷗翅型（GullWing或L-lead）、鉤型（J-lead）、直柄型（Butt或I-lead）之金屬引腳，或電極凸塊引腳（也稱為無引腳化元件）見圖3-4；捨棄第一層次構裝直接將IC晶片黏結到基板上，再進行電路連線與塗封保護的裸晶型（BareChip）構裝亦被歸類於SMT接合的一種，此種構裝也被稱為晶片直接粘結（DirectChipAttach，DCA）構裝，它更能符合“輕、薄、短、小”的趨向，因此成為新型構裝技術研究的熱門題目之一。

圖3-4各種引腳的種類

以引腳分布形態區分，構裝元件有單邊引腳、雙邊引腳、四邊引腳與底部引腳等四種。

常見的單邊引腳元件有單列式構裝（SingleInlinePackages，SIP）與交叉引腳構裝（Zig-zagInlinePackages，ZIP）；雙邊引腳元件有雙列式構裝（DualInlinePackages，DIP）、小型化構裝（SmallOutlinePackages，SOP或SOIC）等；四邊引腳元件有四邊扁平構裝（QuadFlatPackages，QFP），QFP構裝也稱為晶粒承載器或晶片載體（ChipCarrier）；底部引腳元件有金屬罐式（MetalCanPackages）與針格式構裝（PinGridArray，PGA，也稱為針腳陣列構裝）。

1-2構裝技術簡介

IC晶片的構裝有各種不同型態，構裝的形態以及該用何種製程技術與材料去完成由產品電性、熱傳導、可靠度之需求、材料與製程技術、成本價格等因素所決定。

形態相同的構裝可以應用不同的製程技術與材料完成，所述及的製程技術內容包括：

晶片黏結（DieMount或DieAttachment）、連線技術（Interconnection）、引腳架（Leadframe）、薄膜/厚膜（Thin/ThickFilm）技術、陶瓷構裝、密封（Sealing）、塑膠構裝、印刷電路板（PrintedCircuitBoards，PCB）、銲錫與錫膏（Solder/SolderPaste）、元件與電路板之接合、清潔與塗封