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

     2016年Semicon Taiwan展的攤位數(shù)量達一千六百個攤位，預估參觀人數(shù)則上看4.3萬人，展會規(guī)模將創(chuàng)歷年之最。從本次Semicon Taiwan展會盛況可看出，整體而言，半導體產(chǎn)業(yè)未來仍具有相當大的發(fā)展?jié)摿�，特別是10奈米以下先進制程，更是推動半導體材料、設(shè)備需求的關(guān)鍵因素。為滿足先進制程技術(shù)研發(fā)需求，半導體業(yè)者無不積極推出各式創(chuàng)新產(chǎn)品及解決方案，搶占市場商機。

 

    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。扇出封裝具備超薄、高I/O腳數(shù)等優(yōu)勢，是行動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。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(nèi)的每個次領(lǐng)域，未來系統(tǒng)封裝(SiP)可望成為扇出技術(shù)向下滲透的開路先鋒。

 

    矽品工程中心資深處長藍章益表示，目前半導體產(chǎn)品的應用有四大熱門領(lǐng)域，分別是網(wǎng)絡通訊、智慧型手機、物聯(lián)網(wǎng)/穿戴式裝置與汽車電子。就IC芯片封裝的角度來看，除了網(wǎng)絡通訊以及汽車動力總成(Powertrain)相關(guān)芯片有其特殊需求，在可預見的未來還會走自己的路之外，鎖定其他應用領(lǐng)域的芯片都跟手機芯片越來越像。

 

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

 

    從封裝的角度來看，這其實是有矛盾的，因為芯片面積縮小后，能夠放置I/O的面積也會跟著縮小，但更強的運算效能與多功能整合，卻會增加I/O的數(shù)量。因此，封裝技術(shù)勢必會遇到I/O密度難以進一步提升的瓶頸，而扇出技術(shù)就是解決這個問題的方法。

  

    不過，目前最新的扇出封裝技術(shù)不只是I/O擴展而已，同時還以高分子聚合物薄膜來取代傳統(tǒng)IC封裝基板，使封裝厚度大幅降低。因此，精確地說，目前業(yè)界討論最熱烈的扇出封裝，應該稱為模塑化合物晶圓級芯片封裝(Mold Compound WLCSP, mWLCSP)，其裸晶跟聚合物薄膜外面會有一層黑膠體來保護脆弱的內(nèi)層結(jié)構(gòu)。

 

    藍章益指出，為了減少封裝厚度而改用高分子聚合物薄膜，對芯片封裝制程來說造成很大的挑戰(zhàn)，因為裸晶在封裝前都會經(jīng)過研磨，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(gòu)成相當大的挑戰(zhàn)。不過，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，還可以進一步在薄膜上嵌入被動元件，實現(xiàn)更高的整合度。

 

    整體來說，扇出技術(shù)的進展會對整個半導體供應鏈造成相當大的影響。首當其沖的就是IC載板廠商，因為扇出技術(shù)已經(jīng)不用傳統(tǒng)IC載板了;其次則是被動元件業(yè)者，為了滿足嵌入封裝內(nèi)的需求，相關(guān)業(yè)者必須進一步把被動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(shù)量等優(yōu)勢，但成本也會跟著墊高。因此，高階、高單價，需要大量I/O的芯片，較有機會優(yōu)先采用扇出封裝，例如應用處理器。

 

    然而，對專業(yè)封裝廠來說，這種機會大多會被晶圓代工廠捷足先登，因此相關(guān)業(yè)者必須要找出其他具有發(fā)展?jié)摿Φ膽�用，才能開拓自家的扇出封裝業(yè)務。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，因此對封裝廠來說，針對SiP客戶推廣扇出封裝業(yè)務，投資回收的速度會比較快。另一方面，SiP封裝采用扇出技術(shù)，能夠為客戶帶來的效益也更明顯，例如封裝厚度大幅縮減。

 

    因此，SiP對專業(yè)封測廠來說，是發(fā)展扇出封裝業(yè)務項目的主要機會所在。這類產(chǎn)品的單價雖不如高階處理器，但仍有數(shù)美元水準，而且客戶也比較容易看到扇出技術(shù)所能帶來的效益，接受度較高。目前矽品已經(jīng)有扇出SiP專案正在進行中，預計2017年將能開花結(jié)果。

 

    SiP封裝日益復雜機臺設(shè)計學問大

 

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

 

    Kulicke&Soffa(K&S)先進封裝事業(yè)部門資深產(chǎn)品行銷經(jīng)理Patrick Huberts表示，封裝尺寸的微型化是整個封裝產(chǎn)業(yè)持續(xù)面臨的挑戰(zhàn)。因此，系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)在過去幾年已經(jīng)有非常明顯的進展，利用嵌入式被動元件(Embedded Passive)技術(shù)把被動元件跟裸晶(Die)整合在同一顆芯片封裝內(nèi)的案例可說比比皆是。

 

    但封裝業(yè)者并未就此停下腳步，隨著扇出型晶圓級封裝(FO-WLP)技術(shù)取得重大進展，未來芯片封裝將不會再使用傳統(tǒng)芯片載板，以便進一步縮小芯片封裝的厚度。

 

    不過，隨著封裝厚度越來越薄，許多物理上的問題也跟著開始出現(xiàn)。從封裝機臺的角度來看，其所處理的被動元件、裸晶等元件的厚度只會越來越薄，同時也變得更加脆弱，在取放時的力道控制必須非常小心，否則元件會因為外力沖擊而受損。據(jù)統(tǒng)計，在封裝過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，而且有時候這個問題不會立刻浮現(xiàn)，要等到芯片封裝進入更后段制程時，才會慢慢被察覺出來。

 

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

 

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

 

    為了同時滿足小心取放與高速量產(chǎn)的需求，K&S除了運動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開發(fā)下一代機臺。

 

    滿足創(chuàng)新設(shè)計旋涂式介電材料受青睞

 

    半導體芯片越做越小，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(xù)精進之外，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表示，晶體管尺寸不斷縮小，使得芯片的效能與功耗得以持續(xù)改善，同時也讓芯片設(shè)計者可以在單一芯片上不斷添加更多功能。不過，晶體管越做越小，也帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，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(zhàn)，且往往要靠材料技術(shù)的創(chuàng)新才能突破。

 

    為此，近年來默克持續(xù)加碼布局半導體材料市場，并陸續(xù)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)者克服晶體管微縮的技術(shù)挑戰(zhàn)。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、記憶體等芯片制造商采用。

 

    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，不但可提供客戶更廣的制程操作范圍，還可以為客戶帶來降低設(shè)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發(fā)出專用解決方案，協(xié)助顧客面對挑戰(zhàn)。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 LayerDeposition, ALD)、導電膠(Conductive Paste)等。

 

    先進制程凈化需求增新型清潔溶液亮相

 

    隨著現(xiàn)今半導體先進制程愈加復雜，其清潔度、可靠度要求也越來越嚴苛，特別是在10奈米以下先進制程，更是帶動過濾、凈化市場需求增加。

 

    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機械研磨(post-CMP)清潔溶液--PlanarClean AG，此系列產(chǎn)品是專為10奈米以下制程所設(shè)計，滿足先進制程晶圓清洗需求，且不會損壞高階薄膜或新材料。

 

    Entegris總裁兼執(zhí)行長Bertrand Loy指出，先進制程帶動高效凈化解決方案需求增加，該公司推出新型post-CMP清潔溶液，提供更優(yōu)質(zhì)的服務。

 

    Entegris總裁兼執(zhí)行長Bertrand Loy(圖4)表示，半導體制程日益復雜，尺寸也愈來愈小，只要出現(xiàn)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，晶圓廠必須導入效能更強的過濾、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(jù)悉，在先進高階制程的清潔步驟當中，外露薄膜及材料的數(shù)量和類型改變，更凸顯出特調(diào)清潔溶液的必要性。此外，研磨液顆粒的改變使得許多傳統(tǒng)的post-CMP清潔溶液在用于先進制程時，顯得效率低落或毫無效果，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始選擇經(jīng)過特別調(diào)配的清潔溶液，舍棄一般標準型清潔溶液。

 

    PlanarClean AG調(diào)配溶液符合這些需求，在銅、鈷和鎢等高階制程中展現(xiàn)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品用量，進而發(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采用。

 

    Loy進一步指出，半導體先進制程致力提升芯片性能及縮小體積，除可靠設(shè)計方式實現(xiàn)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，已有超過四十五種元素應用在半導體制程，比過去大幅增加。因此，半導體制程采用新材料，顯然是產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，對于英特格這類材料供應商而言，市場成長空間也越來越大。

 

    半導體廠設(shè)備投資飆高氣體安全監(jiān)測更形重要

 

    另一方面，半導體制程日漸精密，連帶使得晶圓廠的軟硬體投資金額連年飆高，廠房安全監(jiān)控的重要性也與日俱增。為了進一步保障廠區(qū)作業(yè)人員與設(shè)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)新的安全檢測和個人防護一體化解決方案，可有效協(xié)助半導體廠房進行安全監(jiān)測，并強化企業(yè)整體風險管控能力。

 

    Honeywell探測器產(chǎn)品事業(yè)處臺灣區(qū)總經(jīng)理彭寶展表示，隨著半導體制程不斷微縮，先進制程所使用的化學氣體強度越來越強，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(jiān)測方可確保作業(yè)人員健康，并協(xié)助半導體廠強化風險控管，降低生命財產(chǎn)發(fā)生意外損失的風險。

 

    半導體產(chǎn)業(yè)安全檢測及個人防護解決方案更注重設(shè)備的穩(wěn)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)帶來無法彌補的人員安全傷害及財產(chǎn)損失，特別是在先進制程設(shè)備越來越昂貴的情況下，廠區(qū)一旦發(fā)生事故，將造成更大的損失。

 

    為滿足精確度越來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(qū)域、實驗室等場所設(shè)計固定式氣體監(jiān)控系統(tǒng)。如最新升級版的ACM150Plus傅立葉紅外線(FTIR)光譜氣體監(jiān)測儀，可檢測多達六十個點，檢測距離達230公尺，與舊版本相比提供更多采樣點，單點成本更低。

 

    彭寶展指出，一般氣體偵測器若不夠精準，除無法正確偵測出現(xiàn)場氣體變化之外，有時還會發(fā)生誤警報的情況。為提升氣體偵測的準確度，ACM150Plus傅立葉紅外線光譜氣體監(jiān)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(jiān)測儀的氣體偵測準確性相對較高，也不會出現(xiàn)誤判或是發(fā)出錯誤警報。

 

    除傅立葉紅外線光譜氣體監(jiān)測儀外，漢威聯(lián)合還具備Vertex化學紙帶氣體監(jiān)測儀，可進行ppb(十億分之一)級別氣體檢測，當有氣體泄漏時，紙帶便會變色。

 

    檢測點多達七十二個，為用戶提供更豐富的布點選擇，從而進行更有效的監(jiān)測;而該產(chǎn)品紙帶材料及監(jiān)測儀上的光學讀取頭，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

 

    小體積高性能的芯片已成必然發(fā)展趨勢，也使得屹立已久的摩爾定律還能走多遠，近年來一直雜音不斷。但臺灣半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事長盧超群認為，在前段晶體管制程進入3D世代，加上后段封裝堆疊技術(shù)迭有突破的情況下，晶體管閘極線寬即便無法越做越小，單位面積內(nèi)的晶體管密度還是可以持續(xù)成長，功能整合的腳步也不會停歇。

 

    盧超群指出，近年來摩爾定律能否在合乎投資報酬率的前提下繼續(xù)發(fā)展，一直是半導體業(yè)界非常關(guān)注的話題。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以另一種形式繼續(xù)走下去。

 

    盧超群指出，在平面晶體管時代，為了實現(xiàn)摩爾定律，每一個新世代的閘極線寬原則上會是前一代的0.7倍。但在3D晶體管世代，線寬微縮的程度可以大幅放緩，一樣能達成晶體管密度倍增的 目標。事實上，在幾個月后的亞洲固態(tài)電路研討會(ASSCC)上，他將發(fā)表一篇論文，預估在3D晶體管世代，每一代制程的線寬微縮系數(shù)大概只要在0.85～0.93之間，單位面積的晶體管密度就有機會翻倍。

 

    除了前段晶體管制程外，后段芯片封裝技術(shù)也迭有突破，為芯片功能整合添加新的動能。包含多芯片封裝(MCP)、系統(tǒng)封裝(SiP)與晶圓級整合式扇出封裝(InFO WLP)等封裝技術(shù)，都具備在單一芯片封裝內(nèi)實現(xiàn)高度異質(zhì)整合的能力，讓芯片在體積不變的情況下，具備更多元的功能。