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

　　隨著市場競爭加劇，加之消費(fèi)者對多功能、輕薄外觀、電池壽命長的手持設(shè)備的需求日益上升，組裝和測試服務(wù)外包供應(yīng)商(OSAT)所面臨的制造復(fù)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(yīng)消費(fèi)者對延長電池壽命、

　　更加輕薄的外觀、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工廠面對的是更為復(fù)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。為滿足2.5D和3D晶圓結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，他們的運(yùn)營方式正越來越接近晶圓加工廠。

　　這就意味著傳統(tǒng)的封裝方法在新環(huán)境下已未必有效，而OSAT工廠也必須學(xué)習(xí)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。生產(chǎn)自動化技術(shù)是促成這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。

　　事實(shí)上，如今已無法按照傳統(tǒng)方式將手機(jī)和平板電腦等手持設(shè)備的生產(chǎn)環(huán)節(jié)簡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。

　　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?yàn)樵诖┩腹柰?TSV)和凸點(diǎn)等垂直結(jié)構(gòu)的互連工藝中，必須使用前道工序中的設(shè)備和工藝。

　　圖2 TSV-硅通孔工藝中所采用的中道/后道工序

　　過去，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代保持良好的競爭力，如今他們必須有為客戶提供高水平的工程資源和與晶圓工廠相媲美的制造能力。

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

　　為應(yīng)對技術(shù)上的挑戰(zhàn)，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)自動化率，以減少誤差和浪費(fèi)。這也幫助企業(yè)提高生產(chǎn)靈活性和響應(yīng)能力，從而提升整體產(chǎn)量。

　　晶圓級封裝(WLP)的自動化策略

　　幾乎面向所有晶圓尺寸的WLP工廠都面臨著類似的挑戰(zhàn)，即如何在確保一定良率的基礎(chǔ)上生產(chǎn)多個產(chǎn)品，同時應(yīng)對復(fù)雜程度各不相同的工藝和各類測試技術(shù)，并根據(jù)不同的交貨期按時交貨。因此，他們在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、運(yùn)營組織和產(chǎn)品性能上都應(yīng)更接近于晶圓廠商，而非傳統(tǒng)的測試和組裝工廠。

　　WLP工廠需要的設(shè)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(jù)生產(chǎn)要求，這些設(shè)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(shè)備，還需要有自動化材料處理系統(tǒng)，對300mm晶圓的大批量生產(chǎn)尤其重要。

　　對如此復(fù)雜的生產(chǎn)活動進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)OSAT工廠的運(yùn)營要求。過去，他們僅需使用電子表格之類的簡單應(yīng)用程序就能進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)營。而如今，WLP對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析以及設(shè)備、工藝和運(yùn)營精準(zhǔn)的自動化控制提出了更高的要求，使OSAT工廠更接近于晶圓加工廠。

　　事實(shí)上，只有采用現(xiàn)代自動化和生產(chǎn)控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜要求(圖3)。

　　圖3. 應(yīng)用材料公司的自動化解決方案能幫助OSAT工廠管理復(fù)雜的生產(chǎn)活動，

　　實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)、滿足交貨時間。

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

　　在工藝層面，需采用統(tǒng)計工藝控制(SPC)來快速進(jìn)行數(shù)據(jù)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。

　　在工廠運(yùn)營層面，自動化的實(shí)時產(chǎn)品調(diào)度系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素(圖4)。當(dāng)設(shè)備可用、且有許多批次等待處理時，就應(yīng)使用實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)。

　　通過使用一系列自動化軟件，如應(yīng)用材料公司的APF實(shí)時調(diào)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。這類系統(tǒng)考量了設(shè)備產(chǎn)能、產(chǎn)品交付日期和優(yōu)先性、理想生產(chǎn)周期、設(shè)備安裝和維護(hù)要求以及掩膜版等配材的可用性。

　　圖4 實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)的使用及好處

　　生產(chǎn)間隔較短的自動化調(diào)度策略可以幫助OSAT工廠進(jìn)一步提升整體生產(chǎn)效率，消除所謂“生產(chǎn)空白期”帶來的工藝和設(shè)備利用率不足等問題?！吧a(chǎn)空白期”是指在生產(chǎn)流程中的短期生產(chǎn)間隔，多個短期生產(chǎn)間隔的累積就會影響工廠整體生產(chǎn)效率。

　　為了消除空白期，必須對可預(yù)見的生產(chǎn)活動進(jìn)行全面、現(xiàn)實(shí)的考量。短間隔的調(diào)度策略即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種調(diào)度方法基于大量的有效數(shù)據(jù)，模擬工廠運(yùn)營情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并假設(shè)任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)完成。

　　為未來應(yīng)用奠定基礎(chǔ)

　　自動化解決方案不僅為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(tǒng)，更是為迎接未來在生產(chǎn)戰(zhàn)略方面的變化奠定了基礎(chǔ)。

　　舉例而言，許多WLP工廠通過引入移動技術(shù)來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)用材料公司的某家客戶是全球領(lǐng)先的閃存解決方案供應(yīng)商，其產(chǎn)品廣泛用于一系列應(yīng)用和設(shè)備中。該公司在其亞洲一家組裝和測試工廠中使用移動解決方案后，有效提高了工廠的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)營可靠性。

　　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(zhí)行系統(tǒng)(MES)、統(tǒng)計和先進(jìn)過程控制、設(shè)備自動化以及先進(jìn)調(diào)度解決方案等工廠自動化解決方案。然而，對于人工和流程的依賴阻礙了這些技術(shù)的有效應(yīng)用。而在復(fù)雜的生產(chǎn)活動中，這可能會導(dǎo)致生產(chǎn)流程執(zhí)行中出現(xiàn)程序錯誤，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量和報廢率等問題。

　　在這家工廠中，客戶的制造活動涉及在不同條件、多臺機(jī)器上處理數(shù)百個零件。每項(xiàng)操作和每種類型的零件的參數(shù)均整合于同一個工藝配方中，每臺機(jī)器均可處理數(shù)百種不同的配方。使用不正確的配方會不可避免地造成產(chǎn)品報廢，從而導(dǎo)致制造成本上升，并可能對客戶滿意度帶來負(fù)面影響。

　　因此，使用能擴(kuò)展到移動端的自動化配方管理系統(tǒng)(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(yīng)用可安裝于平板電腦和智能手機(jī)。

　　該系統(tǒng)上的用戶界面能捕捉自動和手動任務(wù)的順序，最初這一功能僅為系統(tǒng)配置和診斷而設(shè)計，但由于其具有的價值，最終成為了通用操作界面，有助于實(shí)現(xiàn)快速用戶培訓(xùn)。

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

　　該項(xiàng)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;

　　·簡化設(shè)備監(jiān)控和警報管理流程;

　　·大幅降低與設(shè)備相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量問題;

　　·由于可通過移動設(shè)備在機(jī)器旁隨時獲得關(guān)鍵操作信息，因而顯著提高了運(yùn)營效率。

　　此外，僅通過提高產(chǎn)能和實(shí)現(xiàn)MES處理自動化，就每臺設(shè)備而言該工廠僅在數(shù)月內(nèi)就已收回了一期項(xiàng)目的投資。

　　結(jié)論

　　隨著晶圓級封裝需求的不斷上升，OSAT工廠的運(yùn)營復(fù)雜程度也顯著增加。為成功應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，OSAT工廠必須運(yùn)用創(chuàng)新自動化策略，增加生產(chǎn)的靈活性，提高運(yùn)營效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而滿足客戶不斷變化的需求，保持自身在行業(yè)內(nèi)的競爭力。