先進(jìn)制程發(fā)展潛力佳　設備/材料商競相出擊

　　半導體先進(jìn)制程發(fā)展持續升溫，相關(guān)封裝、材料及設備需求也跟著(zhù)水漲船高。為因應先進(jìn)制程技術(shù)發(fā)展趨勢，半導體業(yè)者紛紛祭出新型機臺、設備或化學(xué)材料解決方案，藉以強化自身競爭優(yōu)勢，并搶占龐大的先進(jìn)制程需求大餅。

　　2016 年Semicon Taiwan展的攤位數量達一千六百個(gè)攤位，預估參觀(guān)人數則上看4.3萬(wàn)人，展會(huì )規模將創(chuàng )歷年之最。從本次Semicon Taiwan展會(huì )盛況可看出，整體而言，半導體產(chǎn)業(yè)未來(lái)仍具有相當大的發(fā)展潛力，特別是10奈米以下先進(jìn)制程，更是推動(dòng)半導體材料、設備需求的關(guān)鍵因素。 為滿(mǎn)足先進(jìn)制程技術(shù)研發(fā)需求，半導體業(yè)者無(wú)不積極推出各式創(chuàng )新產(chǎn)品及解決方案，搶占市場(chǎng)商機。

　　扇出封裝技術(shù)向下滲透有譜

　　扇 出封裝技術(shù)(Fan-out)依舊為本屆Semicon Taiwan展的焦點(diǎn)。扇出封裝具備超薄、高I/O腳數等優(yōu)勢，是行動(dòng)應用處理器非常理想的封裝技術(shù)選擇，但其成本較高也是不爭的事實(shí)。所幸終端產(chǎn)品追求 輕薄短小與多功能整合的趨勢幾乎擴散到電子業(yè)內的每個(gè)次領(lǐng)域，未來(lái)系統封裝(SiP)可望成為扇出技術(shù)向下滲透的開(kāi)路先鋒。

　　矽 品工程中心資深處長(cháng)藍章益(圖1)表示，目前半導體產(chǎn)品的應用有四大熱門(mén)領(lǐng)域，分別是網(wǎng)路通訊、智慧型手機、物聯(lián)網(wǎng)/穿戴式裝置與汽車(chē)電子。就晶片封裝的 角度來(lái)看，除了網(wǎng)路通訊以及汽車(chē)動(dòng)力總成(Powertrain)相關(guān)晶片有其特殊需求，在可預見(jiàn)的未來(lái)還會(huì )走自己的路之外，鎖定其他應用領(lǐng)域的晶片都跟 手機晶片越來(lái)越像。

　　整體來(lái)說(shuō)，半導體產(chǎn)業(yè)的趨勢一直是晶片越做越小，但性能跟功能卻要不斷增加。

　　從封裝的角度來(lái)看，這其實(shí)是有矛盾的，因為晶片面積縮小后，能夠放置I/O的面積也會(huì )跟著(zhù)縮小，但更強的運算效能與多功能整合，卻會(huì )增加I/O的數量。因此，封裝技術(shù)勢必會(huì )遇到I/O密度難以進(jìn)一步提升的瓶頸，而扇出技術(shù)就是解決這個(gè)問(wèn)題的方法。

　　不 過(guò)，目前最新的扇出封裝技術(shù)不只是I/O擴展而已，同時(shí)還以高分子聚合物薄膜來(lái)取代傳統IC封裝基板，使封裝厚度大幅降低。因此，精確地說(shuō)，目前業(yè)界 討論最熱烈的扇出封裝，應該稱(chēng)為模塑化合物晶圓級晶片封裝(Mold Compound WLCSP, mWLCSP)，其裸晶跟聚合物薄膜外面會(huì )有一層黑膠體來(lái)保護脆弱的內層結構。

　　藍章益指出，為了減少封裝厚度而改用高分子聚合物薄 膜，對晶片封裝制程來(lái)說(shuō)造成很大的挑戰，因為裸晶在封裝前都會(huì )經(jīng)過(guò)研磨，已經(jīng)相當柔軟而脆弱，高分子聚合物薄膜本身又容易翹曲變形，因此可靠度構成相當大 的挑戰。不過(guò)，目前業(yè)界已經(jīng)找到合適的材料與加工方法，可以確保封裝可靠度，還可以進(jìn)一步在薄膜上嵌入被動(dòng)元件，實(shí)現更高的整合度。

　　整 體來(lái)說(shuō)，扇出技術(shù)的進(jìn)展會(huì )對整個(gè)半導體供應鏈造成相當大的影響。首當其沖的就是IC載板廠(chǎng)商，因為扇出技術(shù)已經(jīng)不用傳統IC載板了;其次則是被動(dòng)元件業(yè) 者，為了滿(mǎn)足嵌入封裝內的需求，相關(guān)業(yè)者必須進(jìn)一步把被動(dòng)元件縮小到微米尺度，而且還要具備足夠的容值/阻值，這部分料將牽涉到被動(dòng)元件材料的研發(fā)及突 破。

　　由于導入大量新技術(shù)跟新材料，扇出封裝雖然有更輕薄短小、可支援更高I/O數量等優(yōu)勢，但成本也會(huì )跟著(zhù)墊高。因此，高階、高單價(jià)，需要大量I/O的晶片，較有機會(huì )優(yōu)先采用扇出封裝，例如應用處理器。

　　然而，對專(zhuān)業(yè)封裝廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，這種機會(huì )大多會(huì )被晶圓代工廠(chǎng)捷足先登，因此相關(guān)業(yè)者必須要找出其他具有發(fā)展潛力的應用，才能開(kāi)拓自家的扇出封裝業(yè)務(wù)。而其中最有潛力的就是SiP應用。

　　藍章益分析，SiP是高度客制化的封裝產(chǎn)品，利潤空間較高，因此對封裝廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，針對SiP客戶(hù)推廣扇出封裝業(yè)務(wù)，投資回收的速度會(huì )比較快。另一方面，SiP封裝采用扇出技術(shù)，能夠為客戶(hù)帶來(lái)的效益也更明顯，例如封裝厚度大幅縮減。

　　因此，SiP對專(zhuān)業(yè)封測廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，是發(fā)展扇出封裝業(yè)務(wù)項目的主要機會(huì )所在。這類(lèi)產(chǎn)品的單價(jià)雖不如高階處理器，但仍有數美元水準，而且客戶(hù)也比較容易看到扇出技術(shù)所能帶來(lái)的效益，接受度較高。目前矽品已經(jīng)有扇出SiP專(zhuān)案正在進(jìn)行中，預計2017年將能開(kāi)花結果。

　　SiP封裝日益復雜　機臺設計學(xué)問(wèn)大

　　承上所述，電子零件微型化與低價(jià)化是整個(gè)產(chǎn)業(yè)持續發(fā)展的趨勢。為了在更小、更薄的封裝尺寸內整合更多功能，封裝設備商必須提供更高精度的解決方案給客戶(hù)，同時(shí)還必須設法幫客戶(hù)提高生產(chǎn)效率，以降低成本。

　　Kulicke&Soffa(K&S) 先進(jìn)封裝事業(yè)部門(mén)資深產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理Patrick Huberts(圖2)表示，封裝尺寸的微型化是整個(gè)封裝產(chǎn)業(yè)持續面臨的挑戰。因此，系統封裝(SiP)技術(shù)在過(guò)去幾年已經(jīng)有非常明顯的進(jìn)展，利用嵌入式 被動(dòng)元件(Embedded Passive)技術(shù)把被動(dòng)元件跟裸晶(Die)整合在同一顆晶片封裝內的案例可說(shuō)比比皆是。

　　但封裝業(yè)者并未就此停下腳步，隨著(zhù)扇出型晶圓級封裝(FO-WLP)技術(shù)取得重大進(jìn)展，未來(lái)晶片封裝將不會(huì )再使用傳統晶片載板，以便進(jìn)一步縮小晶片封裝的厚度。

　　不 過(guò)，隨著(zhù)封裝厚度越來(lái)越薄，許多物理上的問(wèn)題也跟著(zhù)開(kāi)始出現。從封裝機臺的角度來(lái)看，其所處理的被動(dòng)元件、裸晶等元件的厚度只會(huì )越來(lái)越薄，同時(shí)也變得更加 脆弱，在取放時(shí)的力道控制必須非常小心，否則元件會(huì )因為外力沖擊而受損。據統計，在封裝過(guò)程中導致元件損毀的頭號殺手，就是元件取放的力道控制不當，而且 有時(shí)候這個(gè)問(wèn)題不會(huì )立刻浮現，要等到晶片封裝進(jìn)入更后段制程時(shí)，才會(huì )慢慢被察覺(jué)出來(lái)。

　　除了元件變得更薄、更脆弱之外，元件的尺寸也變得越來(lái)越小，使得機臺在處理這些元件時(shí)，必須具備更高的精度。舉例來(lái)說(shuō)，未來(lái)的嵌入式被動(dòng)元件尺寸將縮小成0201m，相當于0.25×0.125mm。

　　上述兩大發(fā)展趨勢對機臺的設計是很大的考驗，一來(lái)元件必須小心翼翼地取放，機械手臂的動(dòng)作速度不能太快，但又必須設法兼顧機臺的吞吐量，否則會(huì )拖累生產(chǎn)效率，增加封裝業(yè)者的生產(chǎn)成本。

　　為了同時(shí)滿(mǎn)足小心取放與高速量產(chǎn)的需求，K&S除了運動(dòng)控制方面下了許多功夫，以便將取放元件的力道控制壓低到0.3牛頓(N)，并把貼裝精度提高到7微米以下外，還采用平行處理與模組化的概念來(lái)開(kāi)發(fā)下一代機臺。

　　滿(mǎn)足創(chuàng )新設計　旋涂式介電材料受青睞

　　半導體晶片越做越小，性能跟功能需求不斷增加，因應此一趨勢，除封裝技術(shù)須持續精進(jìn)之外，新材料的需求也日與遽增。默克全球IC材料事業(yè)處資深副總裁 Rico Wiedenbruch(圖3)表示，電晶體尺寸不斷縮小，使得晶片的效能與功耗得以持續改善，同時(shí)也讓晶片設計者可以在單一晶片上不斷添加更多功能。不 過(guò)，電晶體越做越小，也帶來(lái)新的技術(shù)挑戰，例如填隙與絕緣，就是許多半導體業(yè)者所面臨的主要挑戰，且往往要靠材料技術(shù)的創(chuàng )新才能突破。

　　為此，近年來(lái)默克持續加碼布局半導體材料市場(chǎng)，并陸續推出一系列完整的半導體制程材料解決方案，以協(xié)助半導體業(yè)者克服電晶體微縮的技術(shù)挑戰。其中，旋涂式介電材料因具備許多優(yōu)異的特性，因此推出后已廣獲邏輯、記憶體等晶片制造商采用。

　　旋涂式介電材料(Spin on dielectric, SOD)擁有絕佳的填洞能力及局部平坦化效果，其所形成的薄膜也具備更好的特性。該材料可填進(jìn)很微小的空隙里，并且能在空隙中形成極薄的絕緣層，不但可提 供客戶(hù)更廣的制程操作范圍，還可以為客戶(hù)帶來(lái)降低設備成本的優(yōu)勢。

　　除了旋涂式介電材料外，默克還針對其他半導體制程需求開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用解 決方案，協(xié)助顧客面對挑戰。其IC材料事業(yè)處的其他IC材料產(chǎn)品還包括頂部抗反射材料(TARC)、防塌濕潤劑(Rinse)、方向性排列材料 (Directed Self Assembly, DSA)、沉積材料(Atomic Layer Deposition, ALD)、導電膠(Conductive Paste)等。

　　先進(jìn)制程凈化需求增　新型清潔溶液亮相

　　隨著(zhù)現今半導體先進(jìn)制程愈加復雜，其清潔度、可靠度要求也越來(lái)越嚴苛，特別是在10奈米以下先進(jìn)制程，更是帶動(dòng)過(guò)濾、凈化市場(chǎng)需求增加。

　　看好此一商機，英特格(Entegris)宣布推出適用于半導體制程的新型后化學(xué)機械研磨(post-CMP)清潔溶液--PlanarClean AG，此系列產(chǎn)品是專(zhuān)為10奈米以下制程所設計，滿(mǎn)足先進(jìn)制程晶圓清洗需求，且不會(huì )損壞高階薄膜或新材料。

　　Entegris總裁兼執行長(cháng)Bertrand Loy(圖4)表示，半導體制程日益復雜，尺寸也愈來(lái)愈小，只要出現任何微小雜質(zhì)，即便只是一?；覊m，都可以將產(chǎn)品毀掉。 因此，晶圓廠(chǎng)必須導入效能更強的過(guò)濾、凈化產(chǎn)品，確保半導體晶圓不受污染，才能提升生產(chǎn)良率。

　　據 悉，在先進(jìn)高階制程的清潔步驟當中，外露薄膜及材料的數量和類(lèi)型改變，更凸顯出特調清潔溶液的必要性。此外，研磨液顆粒的改變使得許多傳統的post- CMP清潔溶液在用于先進(jìn)制程時(shí)，顯得效率低落或毫無(wú)效果，尤其以前端制程(FEOL)最為明顯。這些難題促使半導體制造商開(kāi)始選擇經(jīng)過(guò)特別調配的清潔溶 液，舍棄一般標準型清潔溶液。

　　PlanarClean AG調配溶液符合這些需求，在銅、鈷和鎢等高階制程中展現一步到位的優(yōu)異清潔效果，還能保護底層的薄膜和物質(zhì)。專(zhuān)利配方有助于提升可靠度和產(chǎn)量、達到零腐 蝕及零污染。此外，該溶液也能減少清潔步驟所需的化學(xué)品用量，進(jìn)而發(fā)揮降低成本的優(yōu)勢。目前該溶液已經(jīng)量產(chǎn)上市，并獲得多家半導體廠(chǎng)采用。

　　Loy 進(jìn)一步指出，半導體先進(jìn)制程致力提升晶片性能及縮小體積，除可靠設計方式實(shí)現之外，另一種方式便是選用全新的材料，如三五族化合物。此外，目前元素周期表 中，已有超過(guò)四十五種元素應用在半導體制程，比過(guò)去大幅增加。因此，半導體制程采用新材料，顯然是產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，對于英特格這類(lèi)材料供應商而言，市場(chǎng)成長(cháng) 空間也越來(lái)越大。

　　半導體廠(chǎng)設備投資飆高氣體安全監測更形重要

　　另一方面，半導體制程日漸精密，連帶使得晶圓廠(chǎng)的軟 硬體投資金額連年飆高，廠(chǎng)房安全監控的重要性也與日俱增。為了進(jìn)一步保障廠(chǎng)區作業(yè)人員與設備的安全，漢威聯(lián)合(Honeywell)推出一系列在半導體產(chǎn) 業(yè)創(chuàng )新的安全檢測和個(gè)人防護一體化解決方案，可有效協(xié)助半導體廠(chǎng)房進(jìn)行安全監測，并強化企業(yè)整體風(fēng)險管控能力。

　　Honeywell 探測器產(chǎn)品事業(yè)處臺灣區總經(jīng)理彭寶展(圖5)表示，隨著(zhù)半導體制程不斷微縮，先進(jìn)制程所使用的化學(xué)氣體強度越來(lái)越強，甚至導入新氣體。然而，半導體制程所 使用的氣體中，有許多有毒或高易燃性的危險氣體，須嚴密監測方可確保作業(yè)人員健康，并協(xié)助半導體廠(chǎng)強化風(fēng)險控管，降低生命財產(chǎn)發(fā)生意外損失的風(fēng)險。

　　半導體產(chǎn)業(yè)安全檢測及個(gè)人防護解決方案更注重設備的穩定、可靠、精確，因為一旦發(fā)生安全事故，將給半導體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)無(wú)法彌補的人員安全傷害及財產(chǎn)損失，特別是在先進(jìn)制程設備越來(lái)越昂貴的情況下，廠(chǎng)區一旦發(fā)生事故，將造成更大的損失。

　　為 滿(mǎn)足精確度越來(lái)越高的氣體偵測需求，漢威聯(lián)合為半導體產(chǎn)業(yè)日常生產(chǎn)環(huán)境、晶圓生產(chǎn)區域、實(shí)驗室等場(chǎng)所設計固定式氣體監控系統。如最新升級版的 ACM150Plus傅立葉紅外線(xiàn)(FTIR)光譜氣體監測儀，可檢測多達六十個(gè)點(diǎn)，檢測距離達230公尺，與舊版本相比提供更多采樣點(diǎn)，單點(diǎn)成本更 低。

　　彭寶展指出，一般氣體偵測器若不夠精準，除無(wú)法正確偵測出現場(chǎng)氣體變化之外，有時(shí)還會(huì )發(fā)生誤警報的情況。為提升氣體偵測的準確 度，ACM150Plus傅立葉紅外線(xiàn)光譜氣體監測儀采用光譜辦別技術(shù)。每種氣體都有其特定的光譜特性，就像指紋一樣，因此這款監測儀的氣體偵測準確性相 對較高，也不會(huì )出現誤判或是發(fā)出錯誤警報。

　　除傅立葉紅外線(xiàn)光譜氣體監測儀外，漢威聯(lián)合還具備Vertex化學(xué)紙帶氣體監測儀，可進(jìn)行ppb(十億分之一)級別氣體檢測，當有氣體泄漏時(shí)，紙帶便會(huì )變色。

　　檢測點(diǎn)多達七十二個(gè)，為用戶(hù)提供更豐富的布點(diǎn)選擇，從而進(jìn)行更有效的監測;而該產(chǎn)品紙帶材料及監測儀上的光學(xué)讀取頭，都是漢威聯(lián)合的獨有材料和技術(shù)，競爭對手難以研發(fā)出性質(zhì)相似的產(chǎn)品，使該公司在激烈的市場(chǎng)競爭之中，具備一定的優(yōu)勢。

　　前后段聯(lián)手3D化　摩爾定律還有好戲唱

　　小 體積高性能的晶片已成必然發(fā)展趨勢，也使得屹立已久的摩爾定律還能走多遠，近年來(lái)一直雜音不斷。但臺灣半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )理事長(cháng)盧超群認為，在前段電晶體制程 進(jìn)入3D世代，加上后段封裝堆疊技術(shù)迭有突破的情況下，電晶體閘極線(xiàn)寬即便無(wú)法越做越小，單位面積內的電晶體密度還是可以持續成長(cháng)，功能整合的腳步也不會(huì ) 停歇。

　　盧超群指出，近年來(lái)摩爾定律能否在合乎投資報酬率的前提下繼續發(fā)展，一直是半導體業(yè)界非常關(guān)注的話(huà)題。雖然唱衰摩爾定律的聲音不斷，但是臺灣的半導體業(yè)者非常努力，在前后段制程都有重大突破，因此摩爾定律將有機會(huì )以另一種形式繼續走下去。

　　盧 超群指出，在平面電晶體時(shí)代，為了實(shí)現摩爾定律，每一個(gè)新世代的閘極線(xiàn)寬原則上會(huì )是前一代的0.7倍。但在3D電晶體世代，線(xiàn)寬微縮的程度可以大幅放緩， 一樣能達成電晶體密度倍增的目標。事實(shí)上，在幾個(gè)月后的亞洲固態(tài)電路研討會(huì )(ASSCC)上，他將發(fā)表一篇論文，預估在3D電晶體世代，每一代制程的線(xiàn)寬 微縮系數大概只要在0.85～0.93之間，單位面積的電晶體密度就有機會(huì )翻倍。

　　除了前段電晶體制程外，后段晶片封裝技術(shù)也迭有突 破，為晶片功能整合添加新的動(dòng)能。包含多晶片封裝(MCP)、系統封裝(SiP)與晶圓級整合式扇出封裝(InFO WLP)等封裝技術(shù)，都具備在單一晶片封裝內實(shí)現高度異質(zhì)整合的能力，讓晶片在體積不變的情況下，具備更多元的功能。