從IC的封測層面看客戶質(zhì)量工程師(CQE)的重要性

摘要：傳統(tǒng)的芯片銷售方式是銷售、現(xiàn)場應(yīng)用工程師 (FAE) 介紹芯片會實(shí)現(xiàn)什么樣的電性功能。但是對于客戶來說, 這時芯片更像一個黑盒子，它具體是通過內(nèi)部什么樣的物理層架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)外部的這些電性功能，客戶并不十分了解。除此之外客戶還關(guān)心產(chǎn)品在特定環(huán)境下的應(yīng)用條件, 以及在此條件下的可靠性、一致性以及產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)的可制造性。這就需要客戶質(zhì)量工程師(CQE)與客戶溝通，了解到這些需求， 并通過對制造方法的控制，實(shí)現(xiàn)雙贏。本文通過對Qorvo亞太區(qū)客戶質(zhì)量工程總監(jiān)周寅的訪談，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

　　一個典型的IC制作過程主要分為三部分：第一步：SMT工序，就是被動元件(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(引線鍵合)，是用金線等鍵合的方式把電路連接起來。這樣就形成了一個功能性IC。最后對芯片進(jìn)行塑封以起到可靠性的作用。

　　值得說明的是，隨著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用到金線鍵合的方式會逐漸減少，更多會用Flip Chip (晶圓倒貼技術(shù))，這樣會更好地滿足芯片多頻多模，高集成度的發(fā)展趨勢。被動元件電容電阻等除了傳統(tǒng)的分布方式外，還會用到微帶線模擬技術(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)也會用到不同的技術(shù)形式。有些設(shè)計(jì)用Solder Bump (錫球倒裝)，有些設(shè)計(jì)用Copper Pillar(銅柱倒裝)，具體設(shè)計(jì)方式取決于不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。Copper Pillar Layout(引腳布局)可以做得更密、更小。例如，當(dāng)前業(yè)界最新的處理器芯片，可能一個Flip Chip Die設(shè)計(jì)會有幾千個Pillar引腳設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)它的多I/O接口需求。同時芯片的Spacing(間距)設(shè)計(jì)密度要求也很高，這對封裝技術(shù)是很大的考驗(yàn)。

　　另外封裝技術(shù)的演進(jìn)方向就是高集成度以實(shí)現(xiàn)頻段復(fù)雜和多頻多模的要求。 當(dāng)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(nèi)集成有十幾顆至幾十顆Die。這種封裝叫SIP(System In Package 系統(tǒng)級封裝)。當(dāng)前主流的手機(jī)廠商的旗艦機(jī)型多會采用此技術(shù)。

　　到此為止，IC封裝的一個最基本的原理就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。還有一些傳統(tǒng)工序，比如在芯片上用激光刻蝕Marking(標(biāo)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(nèi)的每顆Die的功能性。接下來就是對封裝之后的芯片進(jìn)行終測。傳統(tǒng)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。隨著業(yè)界對測試效率要求的不斷提高，Qorvo也開發(fā)出了不同測試解決方案以滿足客戶的多樣化需求。例如，當(dāng)前Qorvo公司自主開發(fā)的的Strip Test(基板測試)技術(shù)，就是在基板上根據(jù)芯片Mapping(圖譜)同時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)，這個測試是結(jié)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，用以實(shí)現(xiàn)下一步的設(shè)計(jì)要求。

　　在封測技術(shù)上，Qorvo也有一些獨(dú)特的專利技術(shù)，比如Qorvo MicroShiled? 技術(shù)。傳統(tǒng)的工藝是客戶在貼裝完芯片之后還要加一個屏蔽蓋，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(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中就不需要額外的屏蔽。該技術(shù)來自Qorvo合并前的RFMD公司的專利技術(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都掌握此生產(chǎn)技術(shù)。當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的手機(jī)廠商大多采用了此技術(shù)，好處是芯片可做得很薄，而且整個射頻指標(biāo)測試的一致性也會很好， 同時也優(yōu)化了客戶端的工藝和成本。

　　IC發(fā)展是兩個層面的。在前道半導(dǎo)體晶圓的層面的發(fā)展就是頻率越來越高，頻譜越來越復(fù)雜，同時要求半導(dǎo)體線徑越來越小，從微米級演進(jìn)到納米級，當(dāng)前的主流手機(jī)芯片處理器已達(dá)到14納米，并且會隨著技術(shù)的發(fā)展不斷演進(jìn);另外在后道封裝層面，Die之間的結(jié)合會越來越緊密，Die以及其它元件的集成度也會越來越高，這對封裝技術(shù)也是很大的挑戰(zhàn)。 Qorvo目前也在研發(fā)用于未來幾年的半導(dǎo)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?？梢姺庋b是一個很重要的技術(shù)領(lǐng)域，如果封裝技術(shù)跟不上的話，前道晶圓工藝的技術(shù)演進(jìn)也就變得沒有意義了。

In-house工廠的意義

　　Qorvo的主要晶圓設(shè)計(jì)與制造是在美國，其中砷化鎵晶圓設(shè)計(jì)制造中心位于美國北卡羅來納州和俄勒岡州;氮化鎵晶圓設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制造中心分別位于佛羅里達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)制造上占有主導(dǎo)優(yōu)勢。除了In-house外，Qorvo同時擁有多家封測合作伙伴，與外界隨時保持溝通與合作，與業(yè)界共同發(fā)展，為全球客戶提供多元化解決方案。

客戶質(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(xì)分出來的職責(zé)。以往我們在向客戶推廣射頻產(chǎn)品的時候，傳統(tǒng)上是銷售和應(yīng)用工程師來進(jìn)行技術(shù)支持。例如，推廣一個PA(功率放大器)，以往更多的是向客戶介紹電性方面的指標(biāo)，例如功率是多少?諧波指標(biāo)如何?應(yīng)用層面有哪些匹配要求等。這是一個傳統(tǒng)的服務(wù)方式，這種情況下，這款芯片更像是一個黑盒子，它具體是通過內(nèi)部什么樣的物理層架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)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，客戶并不十分了解。

　　隨著半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的快速發(fā)展，以及電子產(chǎn)品市場競爭的日趨加劇，客戶現(xiàn)為了做出差異化的電子產(chǎn)品，開始更加關(guān)注芯片物理層的架構(gòu)。客戶需要了解芯片是通過什么樣的物理層結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)它的功能性、可靠性和一致性，以及這些特性是通過什么樣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試來得以保障的。對于客戶這方面的需求，CQE需要去了解和溝通，然后把基于客戶具體的定制需求反饋到生產(chǎn)線，進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)制造，以滿足客戶需求。

　　質(zhì)量其實(shí)是一個廣義的概念，簡單地說就是產(chǎn)品需要滿足客戶的要求。具體而言，一般客戶對于質(zhì)量的要求分為三個層面: 第一是要通過設(shè)計(jì)制造去實(shí)現(xiàn)它的功能性，這個功能性更多是指它的電性方面指標(biāo);第二是產(chǎn)品可靠性，是產(chǎn)品在終端市場環(huán)境下長期使用過程中的可靠性性能;第三是產(chǎn)品的可規(guī)?；圃煨裕褪切酒a(chǎn)不只是制造一顆或幾顆器件樣品，它應(yīng)該可延展到規(guī)?；圃欤⑶覒?yīng)該有優(yōu)秀的產(chǎn)品良率，以及均勻穩(wěn)定的一致性指標(biāo)。 這就是質(zhì)量工程部門的任務(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(jī)開發(fā)，可能更多客戶在前期研發(fā)時會基于3GPP、JEDEC、美軍標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際的應(yīng)用條件可能會有差異，例如，有的產(chǎn)品用在恒溫恒濕基站應(yīng)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(dá)到95℃，這就要對該產(chǎn)品的殼溫結(jié)溫進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。再比如，現(xiàn)在的智能手機(jī)電池的容量要求越來越大，在電池材料技術(shù)沒有突破時，目前的方法是通過提高電池電壓以增加待機(jī)時間。傳統(tǒng)的手機(jī)電池電壓是4.3V，今后慢慢會做到4.5V，甚至到4.7V以上，這些都是客戶的一些特殊的應(yīng)用需求。但如果前期不了解這些需求，原有的設(shè)計(jì)如果按照4.3V的電池供電設(shè)計(jì)，最后客戶使用了更高的電壓應(yīng)用，就會導(dǎo)致芯片過壓擊穿。但這時再返回重新更改設(shè)計(jì)已經(jīng)來不及了，只有通過一些生產(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(bǔ)牢的措施。

　　Qorvo更多的是希望在前期Design-in這個產(chǎn)品的時候，把客戶對于產(chǎn)品的可靠性要求、應(yīng)用環(huán)境、測試標(biāo)準(zhǔn)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，對這些要求有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、測試。當(dāng)最終把產(chǎn)品交付給客戶時，CQE需要和客戶共同驗(yàn)證他們的要求是否得到滿足。如果某些指標(biāo)不能達(dá)到要求，就需要反饋回來，在接下來的產(chǎn)品中進(jìn)行修正，形成一個持續(xù)改進(jìn)的閉環(huán)系統(tǒng)。 這些都需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行支持，這也是Qorvo CQE部門的職責(zé)。

CQE最關(guān)注什么樣的客戶

　　業(yè)界領(lǐng)先的手機(jī)廠商多數(shù)芯片是定制的。定制產(chǎn)品就涉及到前期指標(biāo)的定義。首先是電性指標(biāo)需要滿足什么樣的功能性，這些功能要在什么樣的環(huán)境下去實(shí)現(xiàn)，以及什么樣的物理層架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這些功能。針對定制化的器件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，Qorvo內(nèi)部主要分為三個階段。第一階段是市場指標(biāo)定義，這個階段需要定義設(shè)計(jì)一款什么指標(biāo)的產(chǎn)品，并且通過什么樣的物理層架構(gòu)實(shí)現(xiàn);第二個階段是設(shè)計(jì)及認(rèn)證，在這個階段需要確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案并完成可靠性驗(yàn)證;第三個階段就是產(chǎn)品量產(chǎn)階段，在這個階段需要一套完整的質(zhì)量體系來確保產(chǎn)品的一致性。所以對于這類定制的客戶，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(shè)計(jì)層面，某個客戶對靜電標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)它的生產(chǎn)環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境提出了需求，我們就要考慮客戶所應(yīng)用的射頻器件的靜電參數(shù)。例如HBM、CDM、IEC模式指標(biāo)需求是多少?這些指標(biāo)如何轉(zhuǎn)化為物理層設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)?對于客戶應(yīng)用產(chǎn)品的環(huán)境、溫度和濕度，芯片的結(jié)溫、殼溫、熱阻等有怎樣的特殊要求等。諸如此類問題，CQE都需要和客戶在產(chǎn)品開發(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(shè)計(jì)生產(chǎn)中得以實(shí)現(xiàn)。

　　在可靠性層面，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品如何確保是否達(dá)到了上述的設(shè)計(jì)指標(biāo)，也需要通過一整套完整的測試標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行驗(yàn)證。例如，客戶的手機(jī)設(shè)計(jì)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(rèn)證中，就要針對客戶的這種特殊應(yīng)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。還有針對客戶的不同應(yīng)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、振動跌落實(shí)驗(yàn)等。這些測試方法需要參考業(yè)界的不同標(biāo)準(zhǔn)，并針對于產(chǎn)品應(yīng)用的具體點(diǎn)進(jìn)行量身定制。

　　可見，手機(jī)競爭現(xiàn)在越來越激烈，手機(jī)要沒有一些特殊的賣點(diǎn)很難具有差異化。實(shí)際上，應(yīng)用層的賣點(diǎn)是基于物理層實(shí)現(xiàn)的。所以最終回到核心層面就是它的物理層怎么實(shí)現(xiàn)，這個黑盒子里邊是什么樣的，所以CQE更多的是關(guān)注這個黑盒子里面的架構(gòu)及可靠性。

CQE的價(jià)值體現(xiàn)

　　對于Qorvo來說，F(xiàn)AE可能更多的是學(xué)通信、射頻的人，CQE大多數(shù)的專業(yè)應(yīng)該是半導(dǎo)體和微電子專業(yè)，所以CQE對產(chǎn)品物理層有更深的了解。

　　其實(shí)Qorvo建立CQE這個部門也是基于很多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。 例如，靜電指標(biāo)有很多種，有HBM (人體模式)、MM(機(jī)械模式)、CDM模式(充電設(shè)備模式)、手機(jī)天線端IEC模式等?？蛻魧τ诿糠N模式的設(shè)計(jì)和使用環(huán)境的不同要求，就要求廠商基于客戶的具體需求進(jìn)行保障。HBM的設(shè)計(jì)模型是模擬100pF的人體電容和1500Ω的人體電阻，在此架構(gòu)上去設(shè)計(jì)建模和測試;MM模型是模擬一個更大的機(jī)械電容模式，比如200pF的電容器瞬間的電荷釋放，這時的電壓波形在時域內(nèi)很陡，但在頻域卻很寬，對于這種模式需要單獨(dú)模擬測試;CDM模式主要是針對生產(chǎn)線的控制。芯片在生產(chǎn)過程中，它周圍會有很多的電場，這時芯片的表面也會積累很多電荷，當(dāng)對這個芯片進(jìn)行屏蔽焊接時(屏蔽過程就是一個接地的過程)，芯片內(nèi)充滿的電荷會瞬間被導(dǎo)到地上，芯片從內(nèi)到外會有一個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(shè)計(jì)和測試，來實(shí)現(xiàn)對這種具體ESD模式的電路保護(hù)。對HBM、MM和CDM模式，以及手機(jī)天線端IEC模式，用到的設(shè)計(jì)保護(hù)電路也是不同的。傳統(tǒng)模式可能是二極管的反向并聯(lián)保護(hù)電路，也可能用達(dá)靈頓、肖特基電路等保護(hù)方式，這取決于設(shè)計(jì)的具體要求和應(yīng)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(jù)不同的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)與測試認(rèn)證。所以Qorvo的客戶支持團(tuán)隊(duì)的架構(gòu)是市場、銷售、FAE、CQE這樣的組隊(duì)，部門各司其責(zé)，分工合作，以滿足客戶對于產(chǎn)品應(yīng)用中的不同需求。

　　中國本地通訊市場增長很快，像深圳已經(jīng)成為全球重要的手機(jī)與基站的生產(chǎn)設(shè)計(jì)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(yàn)與技術(shù)，以及更精細(xì)化的專業(yè)團(tuán)隊(duì)分工，能夠更好地服務(wù)于本地市場，與中國優(yōu)秀的企業(yè)共同成長。(本文由電子產(chǎn)品世界王瑩采訪整理)

參考文獻(xiàn)：

　　[1]王瑩.上下聯(lián)動，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(shè)計(jì)業(yè)：成長喜人，下一步更需智慧[J].電子產(chǎn)品世界,2013(3)：31

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