從IC的封測層面看客戶(hù)質(zhì)量工程師(CQE)的重要性

摘要：傳統的芯片銷(xiāo)售方式是銷(xiāo)售、現場(chǎng)應用工程師 (FAE) 介紹芯片會(huì )實(shí)現什么樣的電性功能。但是對于客戶(hù)來(lái)說(shuō), 這時(shí)芯片更像一個(gè)黑盒子，它具體是通過(guò)內部什么樣的物理層架構得以實(shí)現外部的這些電性功能，客戶(hù)并不十分了解。除此之外客戶(hù)還關(guān)心產(chǎn)品在特定環(huán)境下的應用條件, 以及在此條件下的可靠性、一致性以及產(chǎn)品規模生產(chǎn)的可制造性。這就需要客戶(hù)質(zhì)量工程師(CQE)與客戶(hù)溝通，了解到這些需求， 并通過(guò)對制造方法的控制，實(shí)現雙贏(yíng)。本文通過(guò)對Qorvo亞太區客戶(hù)質(zhì)量工程總監周寅的訪(fǎng)談，介紹了其RF、Filter等芯片的制程以及質(zhì)量保證方法。

IC封裝工藝

　　一個(gè)典型的IC制作過(guò)程主要分為三部分：第一步：SMT工序，就是被動(dòng)元件(電容、電阻等)用SMT(表面貼裝技術(shù))的方法焊接在芯片的基板上;第二步：Die Attach(晶圓貼裝)，即把主要的電路單元Die (晶圓) 貼裝到基板上;第三步：Wire Bond(引線(xiàn)鍵合)，是用金線(xiàn)等鍵合的方式把電路連接起來(lái)。這樣就形成了一個(gè)功能性IC。最后對芯片進(jìn)行塑封以起到可靠性的作用。

　　值得說(shuō)明的是，隨著(zhù)芯片集成度要求的不斷提高，封裝技術(shù)也在快速發(fā)展，今后IC用到金線(xiàn)鍵合的方式會(huì )逐漸減少，更多會(huì )用Flip Chip (晶圓倒貼技術(shù))，這樣會(huì )更好地滿(mǎn)足芯片多頻多模，高集成度的發(fā)展趨勢。被動(dòng)元件電容電阻等除了傳統的分布方式外，還會(huì )用到微帶線(xiàn)模擬技術(shù)、分立組件嵌入式技術(shù)等以獲得更小尺寸和更多功能。

　　Flip Chip (晶圓倒貼)也會(huì )用到不同的技術(shù)形式。有些設計用Solder Bump (錫球倒裝)，有些設計用Copper Pillar(銅柱倒裝)，具體設計方式取決于不同產(chǎn)品的設計要求。Copper Pillar Layout(引腳布局)可以做得更密、更小。例如，當前業(yè)界最新的處理器芯片，可能一個(gè)Flip Chip Die設計會(huì )有幾千個(gè)Pillar引腳設計，以實(shí)現它的多I/O接口需求。同時(shí)芯片的Spacing(間距)設計密度要求也很高，這對封裝技術(shù)是很大的考驗。

　　另外封裝技術(shù)的演進(jìn)方向就是高集成度以實(shí)現頻段復雜和多頻多模的要求。 當前Qorvo主流的射頻芯片都是高集成度的解決方案。例如，Qorvo最新的High Band PAD (高頻段功率放大器模塊)集成了PA (功率放大器)、 Switch (射頻開(kāi)關(guān))、CMOS Controller (模擬控制器)、 Filter (濾波器)、Duplicer (雙工器)等多種射頻電路于一體，單顆芯片內集成有十幾顆至幾十顆Die。這種封裝叫SIP(System In Package 系統級封裝)。當前主流的手機廠(chǎng)商的旗艦機型多會(huì )采用此技術(shù)。

　　到此為止，IC封裝的一個(gè)最基本的原理就已經(jīng)實(shí)現了。還有一些傳統工序，比如在芯片上用激光刻蝕Marking(標簽)，以確保對芯片有Traceability(可溯性)，用以追溯每顆芯片的生產(chǎn)記錄。 最后把完成的芯片進(jìn)行切割，卷帶包裝，最終就是客戶(hù)看到的成品。

IC測試的演變

　　在Wafer (晶圓)進(jìn)行封裝之前，首先要進(jìn)行第一步的Die Sort(晶圓級測試)，用以確保封裝到芯片內的每顆Die的功能性。接下來(lái)就是對封裝之后的芯片進(jìn)行終測。傳統意義上的終測就是把芯片單體放入Clamp Fixture(夾具)里進(jìn)行測試，用以確保其電性功能。隨著(zhù)業(yè)界對測試效率要求的不斷提高，Qorvo也開(kāi)發(fā)出了不同測試解決方案以滿(mǎn)足客戶(hù)的多樣化需求。例如，當前Qorvo公司自主開(kāi)發(fā)的的Strip Test(基板測試)技術(shù)，就是在基板上根據芯片Mapping(圖譜)同時(shí)測試多顆芯片以提升測試效率及測試精度。也有針對于WLCSP (晶圓級芯片)產(chǎn)品的Wafer Probe(晶圓探針測試)，這個(gè)測試是結合了直流測試、射頻測試等于一體，直接在Wafer(晶圓)上用探針平臺進(jìn)行測試，然后把測試后的晶圓成品直接發(fā)給客戶(hù)，用以實(shí)現下一步的設計要求。

　　在封測技術(shù)上，Qorvo也有一些獨特的專(zhuān)利技術(shù)，比如Qorvo MicroShiled? 技術(shù)。傳統的工藝是客戶(hù)在貼裝完芯片之后還要加一個(gè)屏蔽蓋，以防止外部電磁干擾(EMI)。Qorvo MicroShiled? 技術(shù)是直接把屏蔽電鍍在芯片表面，這樣在手機的設計和生產(chǎn)中就不需要額外的屏蔽。該技術(shù)來(lái)自Qorvo合并前的RFMD公司的專(zhuān)利技術(shù)(注：Qorvo由RFMD和Triquent公司于2015年合并而成)，Qorvo北京和山東德州工廠(chǎng)都掌握此生產(chǎn)技術(shù)。當前業(yè)界領(lǐng)先的手機廠(chǎng)商大多采用了此技術(shù)，好處是芯片可做得很薄，而且整個(gè)射頻指標測試的一致性也會(huì )很好， 同時(shí)也優(yōu)化了客戶(hù)端的工藝和成本。

　　IC發(fā)展是兩個(gè)層面的。在前道半導體晶圓的層面的發(fā)展就是頻率越來(lái)越高，頻譜越來(lái)越復雜，同時(shí)要求半導體線(xiàn)徑越來(lái)越小，從微米級演進(jìn)到納米級，當前的主流手機芯片處理器已達到14納米，并且會(huì )隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展不斷演進(jìn);另外在后道封裝層面，Die之間的結合會(huì )越來(lái)越緊密，Die以及其它元件的集成度也會(huì )越來(lái)越高，這對封裝技術(shù)也是很大的挑戰。 Qorvo目前也在研發(fā)用于未來(lái)幾年的半導體及封裝技術(shù)。例如高頻高功率GaN(氮化鎵)、寬頻帶BAW (體聲波濾波器)、 Stacked Die (晶圓疊加技術(shù))、 ETIC (晶圓嵌入式技術(shù))、TSV(硅通孔技術(shù))、High Density Substrate (多層超薄基板技術(shù))等?？梢?jiàn)封裝是一個(gè)很重要的技術(shù)領(lǐng)域，如果封裝技術(shù)跟不上的話(huà)，前道晶圓工藝的技術(shù)演進(jìn)也就變得沒(méi)有意義了。

In-house工廠(chǎng)的意義

　　Qorvo的主要晶圓設計與制造是在美國，其中砷化鎵晶圓設計制造中心位于美國北卡羅來(lái)納州和俄勒岡州;氮化鎵晶圓設計及制造中心位于德克薩斯州;聲表濾波器及體聲波濾波器設計制造中心分別位于佛羅里達州和德克薩斯州，北京和山東德州主要是封測。

　　其實(shí)In-house的目的是要有自己的核心技術(shù)，即引領(lǐng)最新的研發(fā)技術(shù)、生產(chǎn)工藝及質(zhì)量標準，在設計制造上占有主導優(yōu)勢。除了In-house外，Qorvo同時(shí)擁有多家封測合作伙伴，與外界隨時(shí)保持溝通與合作，與業(yè)界共同發(fā)展，為全球客戶(hù)提供多元化解決方案。

客戶(hù)質(zhì)量工程師的重要性

　　其實(shí)CQE大概是在五六年前由RFMD公司(注：2015年RFMD與Triquent合并為Qorvo公司)細分出來(lái)的職責。以往我們在向客戶(hù)推廣射頻產(chǎn)品的時(shí)候，傳統上是銷(xiāo)售和應用工程師來(lái)進(jìn)行技術(shù)支持。例如，推廣一個(gè)PA(功率放大器)，以往更多的是向客戶(hù)介紹電性方面的指標，例如功率是多少?諧波指標如何?應用層面有哪些匹配要求等。這是一個(gè)傳統的服務(wù)方式，這種情況下，這款芯片更像是一個(gè)黑盒子，它具體是通過(guò)內部什么樣的物理層架構得以實(shí)現外部的這些電性功能，以及這些功能的可靠性是如何保證的，客戶(hù)并不十分了解。

　　隨著(zhù)半導體和封裝技術(shù)的快速發(fā)展，以及電子產(chǎn)品市場(chǎng)競爭的日趨加劇，客戶(hù)現為了做出差異化的電子產(chǎn)品，開(kāi)始更加關(guān)注芯片物理層的架構?？蛻?hù)需要了解芯片是通過(guò)什么樣的物理層結構和設計實(shí)現它的功能性、可靠性和一致性，以及這些特性是通過(guò)什么樣的工業(yè)標準測試來(lái)得以保障的。對于客戶(hù)這方面的需求，CQE需要去了解和溝通，然后把基于客戶(hù)具體的定制需求反饋到生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)行有針對性的設計制造，以滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

　　質(zhì)量其實(shí)是一個(gè)廣義的概念，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是產(chǎn)品需要滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。具體而言，一般客戶(hù)對于質(zhì)量的要求分為三個(gè)層面: 第一是要通過(guò)設計制造去實(shí)現它的功能性，這個(gè)功能性更多是指它的電性方面指標;第二是產(chǎn)品可靠性，是產(chǎn)品在終端市場(chǎng)環(huán)境下長(cháng)期使用過(guò)程中的可靠性性能;第三是產(chǎn)品的可規?；圃煨?，就是芯片生產(chǎn)不只是制造一顆或幾顆器件樣品，它應該可延展到規?；圃?，并且應該有優(yōu)秀的產(chǎn)品良率，以及均勻穩定的一致性指標。 這就是質(zhì)量工程部門(mén)的任務(wù)，就是要保證射頻產(chǎn)品的功能性、可靠性和一致性。例如手機開(kāi)發(fā)，可能更多客戶(hù)在前期研發(fā)時(shí)會(huì )基于3GPP、JEDEC、美軍標等標準。但實(shí)際的應用條件可能會(huì )有差異，例如，有的產(chǎn)品用在恒溫恒濕基站應用環(huán)境，有的可能用在室外山上的Pico Cell(微蜂窩)上，有可能環(huán)境溫度正常是75℃，特殊的環(huán)境條件要達到95℃，這就要對該產(chǎn)品的殼溫結溫進(jìn)行有針對性的設計。再比如，現在的智能手機電池的容量要求越來(lái)越大，在電池材料技術(shù)沒(méi)有突破時(shí)，目前的方法是通過(guò)提高電池電壓以增加待機時(shí)間。傳統的手機電池電壓是4.3V，今后慢慢會(huì )做到4.5V，甚至到4.7V以上，這些都是客戶(hù)的一些特殊的應用需求。但如果前期不了解這些需求，原有的設計如果按照4.3V的電池供電設計，最后客戶(hù)使用了更高的電壓應用，就會(huì )導致芯片過(guò)壓擊穿。但這時(shí)再返回重新更改設計已經(jīng)來(lái)不及了，只有通過(guò)一些生產(chǎn)的堵截方式，包括采用犧牲良率的方式把偏下限的芯片篩選出去，但是這是亡羊補牢的措施。

　　Qorvo更多的是希望在前期Design-in這個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，把客戶(hù)對于產(chǎn)品的可靠性要求、應用環(huán)境、測試標準等能夠事先了解清楚，然后把這些具體要求反饋到產(chǎn)品線(xiàn)，對這些要求有針對性地進(jìn)行設計、制造、測試。當最終把產(chǎn)品交付給客戶(hù)時(shí)，CQE需要和客戶(hù)共同驗證他們的要求是否得到滿(mǎn)足。如果某些指標不能達到要求，就需要反饋回來(lái)，在接下來(lái)的產(chǎn)品中進(jìn)行修正，形成一個(gè)持續改進(jìn)的閉環(huán)系統。 這些都需要專(zhuān)業(yè)的團隊進(jìn)行支持，這也是Qorvo CQE部門(mén)的職責。

CQE最關(guān)注什么樣的客戶(hù)

　　業(yè)界領(lǐng)先的手機廠(chǎng)商多數芯片是定制的。定制產(chǎn)品就涉及到前期指標的定義。首先是電性指標需要滿(mǎn)足什么樣的功能性，這些功能要在什么樣的環(huán)境下去實(shí)現，以及什么樣的物理層架構來(lái)實(shí)現這些功能。針對定制化的器件設計與生產(chǎn)，Qorvo內部主要分為三個(gè)階段。第一階段是市場(chǎng)指標定義，這個(gè)階段需要定義設計一款什么指標的產(chǎn)品，并且通過(guò)什么樣的物理層架構實(shí)現;第二個(gè)階段是設計及認證，在這個(gè)階段需要確定產(chǎn)品設計方案并完成可靠性驗證;第三個(gè)階段就是產(chǎn)品量產(chǎn)階段，在這個(gè)階段需要一套完整的質(zhì)量體系來(lái)確保產(chǎn)品的一致性。所以對于這類(lèi)定制的客戶(hù)，CQE在前期一定要參與進(jìn)去，了解產(chǎn)品的特殊需求并予以保障。

　　在產(chǎn)品設計層面，某個(gè)客戶(hù)對靜電標準根據它的生產(chǎn)環(huán)境和應用環(huán)境提出了需求，我們就要考慮客戶(hù)所應用的射頻器件的靜電參數。例如HBM、CDM、IEC模式指標需求是多少?這些指標如何轉化為物理層設計得以實(shí)現?對于客戶(hù)應用產(chǎn)品的環(huán)境、溫度和濕度，芯片的結溫、殼溫、熱阻等有怎樣的特殊要求等。諸如此類(lèi)問(wèn)題，CQE都需要和客戶(hù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行充分溝通理解，并把這些要求帶到產(chǎn)品的設計生產(chǎn)中得以實(shí)現。

　　在可靠性層面，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品如何確保是否達到了上述的設計指標，也需要通過(guò)一整套完整的測試標準來(lái)進(jìn)行驗證。例如，客戶(hù)的手機設計為快速充電模式，有的只需幾分鐘的急速充電，那么我們在產(chǎn)品認證中，就要針對客戶(hù)的這種特殊應用，進(jìn)行有針對性的測試。比如進(jìn)行浪涌沖擊等測試，以確保其可靠性。還有針對客戶(hù)的不同應用條件的可靠性測試。比如高溫高濕老化、溫度循環(huán)及沖擊、靜電等級測試、振動(dòng)跌落實(shí)驗等。這些測試方法需要參考業(yè)界的不同標準，并針對于產(chǎn)品應用的具體點(diǎn)進(jìn)行量身定制。

　　可見(jiàn)，手機競爭現在越來(lái)越激烈，手機要沒(méi)有一些特殊的賣(mài)點(diǎn)很難具有差異化。實(shí)際上，應用層的賣(mài)點(diǎn)是基于物理層實(shí)現的。所以最終回到核心層面就是它的物理層怎么實(shí)現，這個(gè)黑盒子里邊是什么樣的，所以CQE更多的是關(guān)注這個(gè)黑盒子里面的架構及可靠性。

CQE的價(jià)值體現

　　對于Qorvo來(lái)說(shuō)，FAE可能更多的是學(xué)通信、射頻的人，CQE大多數的專(zhuān)業(yè)應該是半導體和微電子專(zhuān)業(yè)，所以CQE對產(chǎn)品物理層有更深的了解。

　　其實(shí)Qorvo建立CQE這個(gè)部門(mén)也是基于很多的經(jīng)驗教訓。 例如，靜電指標有很多種，有HBM (人體模式)、MM(機械模式)、CDM模式(充電設備模式)、手機天線(xiàn)端IEC模式等?？蛻?hù)對于每種模式的設計和使用環(huán)境的不同要求，就要求廠(chǎng)商基于客戶(hù)的具體需求進(jìn)行保障。HBM的設計模型是模擬100pF的人體電容和1500Ω的人體電阻，在此架構上去設計建模和測試;MM模型是模擬一個(gè)更大的機械電容模式，比如200pF的電容器瞬間的電荷釋放，這時(shí)的電壓波形在時(shí)域內很陡，但在頻域卻很寬，對于這種模式需要單獨模擬測試;CDM模式主要是針對生產(chǎn)線(xiàn)的控制。芯片在生產(chǎn)過(guò)程中，它周?chē)鷷?huì )有很多的電場(chǎng)，這時(shí)芯片的表面也會(huì )積累很多電荷，當對這個(gè)芯片進(jìn)行屏蔽焊接時(shí)(屏蔽過(guò)程就是一個(gè)接地的過(guò)程)，芯片內充滿(mǎn)的電荷會(huì )瞬間被導到地上，芯片從內到外會(huì )有一個(gè)瞬間的壓差將其損壞。這種Charge Device Model又要用另一種模型去模擬、設計和測試，來(lái)實(shí)現對這種具體ESD模式的電路保護。對HBM、MM和CDM模式，以及手機天線(xiàn)端IEC模式，用到的設計保護電路也是不同的。傳統模式可能是二極管的反向并聯(lián)保護電路，也可能用達靈頓、肖特基電路等保護方式，這取決于設計的具體要求和應用條件。

　　除此之外，還有許多其它的可靠性要求，也都需要根據不同的工業(yè)標準進(jìn)行有針對性的設計與測試認證。所以Qorvo的客戶(hù)支持團隊的架構是市場(chǎng)、銷(xiāo)售、FAE、CQE這樣的組隊，部門(mén)各司其責，分工合作，以滿(mǎn)足客戶(hù)對于產(chǎn)品應用中的不同需求。

　　中國本地通訊市場(chǎng)增長(cháng)很快，像深圳已經(jīng)成為全球重要的手機與基站的生產(chǎn)設計基地，很多民族品牌產(chǎn)品目前已經(jīng)處于業(yè)界領(lǐng)先水平。因此，Qorvo在中國也獲得了很好的業(yè)務(wù)發(fā)展。Qorvo希望多年積累的經(jīng)驗與技術(shù)，以及更精細化的專(zhuān)業(yè)團隊分工，能夠更好地服務(wù)于本地市場(chǎng)，與中國優(yōu)秀的企業(yè)共同成長(cháng)。(本文由電子產(chǎn)品世界王瑩采訪(fǎng)整理)

參考文獻：

　　[1]王瑩.上下聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)IC產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2013(1)：28

　　[2]王瑩.本土IC設計業(yè)：成長(cháng)喜人，下一步更需智慧[J].電子產(chǎn)品世界,2013(3)：31

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第18頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。