自動(dòng)化技術(shù)有助于克服晶圓級封裝面臨的生產(chǎn)效率挑戰

　　隨著(zhù)市場(chǎng)競爭加劇，加之消費者對多功能、輕薄外觀(guān)、電池壽命長(cháng)的手持設備的需求日益上升，組裝和測試服務(wù)外包供應商(OSAT)所面臨的制造復雜程度正急劇增加(圖1)。

　　圖1 封裝技術(shù)正迅速發(fā)展，以適應消費者對延長(cháng)電池壽命、

　　更加輕薄的外觀(guān)、以及提升產(chǎn)品性能和功能性方面的需求。

　　在技術(shù)方面， OSAT工廠(chǎng)面對的是更為復雜的封裝技術(shù)，而晶片處理和封裝之間的界限也逐漸模糊。為滿(mǎn)足2.5D和3D晶圓結構的挑戰，他們的運營(yíng)方式正越來(lái)越接近晶圓加工廠(chǎng)。

　　這就意味著(zhù)傳統的封裝方法在新環(huán)境下已未必有效，而OSAT工廠(chǎng)也必須學(xué)習并采用晶圓制造企業(yè)特有的技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)品生命周期以及生產(chǎn)活動(dòng)。生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)是促成這一轉變的關(guān)鍵因素。

　　事實(shí)上，如今已無(wú)法按照傳統方式將手機和平板電腦等手持設備的生產(chǎn)環(huán)節簡(jiǎn)單地劃分為前道工序(FEOL，即晶體管制造)和后道工序(BEOL，包括互連、封裝和組裝)兩大類(lèi)。

　　取而代之的是一種名為“中道工序”(MEOL)的生產(chǎn)流程(圖2)，它涵蓋了前道工序和后道工序的主要特點(diǎn)。這是因為在穿透硅通孔(TSV)和凸點(diǎn)等垂直結構的互連工藝中，必須使用前道工序中的設備和工藝。

　　圖2 TSV-硅通孔工藝中所采用的中道/后道工序

　　過(guò)去，OSAT企業(yè)主要為后道工序提供低利潤的商業(yè)化測試和封裝服務(wù)。為了在晶圓級封裝時(shí)代保持良好的競爭力，如今他們必須有為客戶(hù)提供高水平的工程資源和與晶圓工廠(chǎng)相媲美的制造能力。

　　此外，先進(jìn)封裝應用比整體半導體行業(yè)的增長(cháng)更為迅猛，其利潤率也相對更高。因此，許多新進(jìn)企業(yè)正憑借強大的實(shí)力加入競爭行列，希望在OSAT市場(chǎng)中分一杯羹[2]。一些領(lǐng)先的晶圓代工廠(chǎng)和集成器件制造商(IDM)瞄準了中道工序帶來(lái)的巨大商機，將其視為現有盈利來(lái)源的延伸，這些企業(yè)中有許多已經(jīng)或正在準備建設類(lèi)似晶圓廠(chǎng)的封裝產(chǎn)能。

　　為應對技術(shù)上的挑戰，從競爭中脫穎而出，OSAT企業(yè)可采取的措施之一是提高生產(chǎn)自動(dòng)化率，以減少誤差和浪費。這也幫助企業(yè)提高生產(chǎn)靈活性和響應能力，從而提升整體產(chǎn)量。

　　晶圓級封裝(WLP)的自動(dòng)化策略

　　幾乎面向所有晶圓尺寸的WLP工廠(chǎng)都面臨著(zhù)類(lèi)似的挑戰，即如何在確保一定良率的基礎上生產(chǎn)多個(gè)產(chǎn)品，同時(shí)應對復雜程度各不相同的工藝和各類(lèi)測試技術(shù)，并根據不同的交貨期按時(shí)交貨。因此，他們在生產(chǎn)結構、運營(yíng)組織和產(chǎn)品性能上都應更接近于晶圓廠(chǎng)商，而非傳統的測試和組裝工廠(chǎng)。

　　WLP工廠(chǎng)需要的設備包括光刻、蝕刻、CMP、電介質(zhì)沉積、濺射、電鍍、清洗、檢查、測量及測試等諸多方面。根據生產(chǎn)要求，這些設備還可被用于單晶片、逐批次或批量加工等不同的加工方式中。除了生產(chǎn)設備，還需要有自動(dòng)化材料處理系統，對300mm晶圓的大批量生產(chǎn)尤其重要。

　　對如此復雜的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行有效的監測和控制已遠遠超越了傳統OSAT工廠(chǎng)的運營(yíng)要求。過(guò)去，他們僅需使用電子表格之類(lèi)的簡(jiǎn)單應用程序就能進(jìn)行生產(chǎn)運營(yíng)。而如今，WLP對統計數據分析以及設備、工藝和運營(yíng)精準的自動(dòng)化控制提出了更高的要求，使OSAT工廠(chǎng)更接近于晶圓加工廠(chǎng)。

　　事實(shí)上，只有采用現代自動(dòng)化和生產(chǎn)控制系統才能實(shí)現這些復雜要求(圖3)。

　　圖3. 應用材料公司的自動(dòng)化解決方案能幫助OSAT工廠(chǎng)管理復雜的生產(chǎn)活動(dòng)，

　　實(shí)現生產(chǎn)目標、滿(mǎn)足交貨時(shí)間。

　　在設備層面，提升WLP競爭力的重要工具之一是自動(dòng)化配方管理(RM)，它能減少人為失誤，提高良率，并集成故障檢測和分類(lèi)(FDC)系統，以提高設備利用率，降低廢品率。

　　在工藝層面，需采用統計工藝控制(SPC)來(lái)快速進(jìn)行數據分析，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。先進(jìn)工藝控制(APC)解決方案能有效提升良率、降低廢品率。

　　在工廠(chǎng)運營(yíng)層面，自動(dòng)化的實(shí)時(shí)產(chǎn)品調度系統是實(shí)現批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素(圖4)。當設備可用、且有許多批次等待處理時(shí)，就應使用實(shí)時(shí)調度系統。

　　通過(guò)使用一系列自動(dòng)化軟件，如應用材料公司的APF實(shí)時(shí)調度軟件，可以決定優(yōu)先處理哪些批次，從而獲得最高的整體產(chǎn)出。這類(lèi)系統考量了設備產(chǎn)能、產(chǎn)品交付日期和優(yōu)先性、理想生產(chǎn)周期、設備安裝和維護要求以及掩膜版等配材的可用性。

　　圖4 實(shí)時(shí)調度系統的使用及好處

　　生產(chǎn)間隔較短的自動(dòng)化調度策略可以幫助OSAT工廠(chǎng)進(jìn)一步提升整體生產(chǎn)效率，消除所謂“生產(chǎn)空白期”帶來(lái)的工藝和設備利用率不足等問(wèn)題?！吧a(chǎn)空白期”是指在生產(chǎn)流程中的短期生產(chǎn)間隔，多個(gè)短期生產(chǎn)間隔的累積就會(huì )影響工廠(chǎng)整體生產(chǎn)效率。

　　為了消除空白期，必須對可預見(jiàn)的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行全面、現實(shí)的考量。短間隔的調度策略即可實(shí)現這一點(diǎn)。這種調度方法基于大量的有效數據，模擬工廠(chǎng)運營(yíng)情況進(jìn)行數學(xué)建模，并假設任務(wù)在規定時(shí)間內完成。

　　為未來(lái)應用奠定基礎

　　自動(dòng)化解決方案不僅為OSAT企業(yè)提供了靈活、高質(zhì)量、高產(chǎn)出以及高利潤的生產(chǎn)系統，更是為迎接未來(lái)在生產(chǎn)戰略方面的變化奠定了基礎。

　　舉例而言，許多WLP工廠(chǎng)通過(guò)引入移動(dòng)技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。應用材料公司的某家客戶(hù)是全球領(lǐng)先的閃存解決方案供應商，其產(chǎn)品廣泛用于一系列應用和設備中。該公司在其亞洲一家組裝和測試工廠(chǎng)中使用移動(dòng)解決方案后，有效提高了工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和運營(yíng)可靠性。

　　該公司的產(chǎn)品中大部分采用2.5D和3D封裝技術(shù)，并引入了制造執行系統(MES)、統計和先進(jìn)過(guò)程控制、設備自動(dòng)化以及先進(jìn)調度解決方案等工廠(chǎng)自動(dòng)化解決方案。然而，對于人工和流程的依賴(lài)阻礙了這些技術(shù)的有效應用。而在復雜的生產(chǎn)活動(dòng)中，這可能會(huì )導致生產(chǎn)流程執行中出現程序錯誤，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量和報廢率等問(wèn)題。

　　在這家工廠(chǎng)中，客戶(hù)的制造活動(dòng)涉及在不同條件、多臺機器上處理數百個(gè)零件。每項操作和每種類(lèi)型的零件的參數均整合于同一個(gè)工藝配方中，每臺機器均可處理數百種不同的配方。使用不正確的配方會(huì )不可避免地造成產(chǎn)品報廢，從而導致制造成本上升，并可能對客戶(hù)滿(mǎn)意度帶來(lái)負面影響。

　　因此，使用能擴展到移動(dòng)端的自動(dòng)化配方管理系統(RMS)成為降低廢品率、提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，有助于避免因使用不正確流程配方而造成的人為失誤。該應用可安裝于平板電腦和智能手機。

　　該系統上的用戶(hù)界面能捕捉自動(dòng)和手動(dòng)任務(wù)的順序，最初這一功能僅為系統配置和診斷而設計，但由于其具有的價(jià)值，最終成為了通用操作界面，有助于實(shí)現快速用戶(hù)培訓。

　　報警管理是該應用程序的重要組成部分。在使用RMS系統前，操作者通常會(huì )執行一些不必要的步驟。RMS的報警管理功能會(huì )捕捉所有此類(lèi)事件及它們的頻率。這些信息可在培訓中作為教育資料，提醒操作者剔除不必要的操作步驟。

　　該項目一期階段已取得的成果包括：

　　·有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)能;

　　·簡(jiǎn)化設備監控和警報管理流程;

　　·大幅降低與設備相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題;

　　·由于可通過(guò)移動(dòng)設備在機器旁隨時(shí)獲得關(guān)鍵操作信息，因而顯著(zhù)提高了運營(yíng)效率。

　　此外，僅通過(guò)提高產(chǎn)能和實(shí)現MES處理自動(dòng)化，就每臺設備而言該工廠(chǎng)僅在數月內就已收回了一期項目的投資。

　　結論

　　隨著(zhù)晶圓級封裝需求的不斷上升，OSAT工廠(chǎng)的運營(yíng)復雜程度也顯著(zhù)增加。為成功應對這一挑戰，OSAT工廠(chǎng)必須運用創(chuàng )新自動(dòng)化策略，增加生產(chǎn)的靈活性，提高運營(yíng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而滿(mǎn)足客戶(hù)不斷變化的需求，保持自身在行業(yè)內的競爭力。