一文淺析半導(dǎo)體后端工藝

半導(dǎo)體制作工藝可分為前端和后端：前端主要是晶圓制作和光刻（在晶圓上繪制電路）；后端主要是芯片的封裝。隨著前端工藝微細(xì)化技術(shù)逐漸達(dá)到極限，后端工藝的重要性愈發(fā)突顯。作為可以創(chuàng)造新附加價值的核心突破點，其技術(shù)正備受矚目。

此系列文章將以《提高半導(dǎo)體附加價值的封裝與測試》一書內(nèi)容為基礎(chǔ)，詳細(xì)講解后端工藝。

#1 半導(dǎo)體后端工藝

制作半導(dǎo)體產(chǎn)品的第一步，就是根據(jù)所需功能設(shè)計芯片（Chip）。然后，再將芯片制作成晶圓（Wafer）。由于晶圓由芯片反復(fù)排列而成，當(dāng)我們細(xì)看已完成的晶圓時，可以看到上面有很多小格子狀的結(jié)構(gòu)，其中一個小格子就相當(dāng)于一個芯片。芯片體積越大，每個晶圓可產(chǎn)出的芯片數(shù)量就越少，反之亦然。

半導(dǎo)體設(shè)計不屬于制程工序，半導(dǎo)體產(chǎn)品的制程工序大體可分為晶圓制作、封裝和測試。其中，晶圓制作屬于前端（Front End）工藝；封裝和測試屬于后端（Back End）工藝。晶圓的制作工藝中也會細(xì)分前端和后端，通常是CMOS制程工序?qū)儆谇岸?，而其后的金屬布線工序?qū)儆诤蠖恕?/p>

▲ 圖1：半導(dǎo)體制作流程與半導(dǎo)體行業(yè)劃分（?HANOL出版社/photograph.SENSATA)

圖1展示了半導(dǎo)體制程工藝及其行業(yè)的劃分。只從事半導(dǎo)體設(shè)計的產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式被稱作芯片設(shè)計公司（Fabless），該模式的典型代表有高通（Qualcomm）、蘋果（Apple）等。負(fù)責(zé)晶圓制作的制造商被稱為晶圓代工廠（Foundry），他們根據(jù)Fabless公司的設(shè)計制作晶圓，其中最典型的代表要臺積電（TSMC）了，DB HiTek、Magnachip等韓企也采用這一模式。經(jīng)Fabless設(shè)計和Foundry制造的晶圓還需經(jīng)過封裝和測試，專門負(fù)責(zé)這兩道工藝的企業(yè)就是外包半導(dǎo)體組裝和測試（OSAT，Outsourced?Assembly?and?Testing），其典型代表有ASE、JCET、星科金朋（Stats Chippac）、安靠（Amkor）等。此外，還有像SK海力士這樣集半導(dǎo)體設(shè)計、晶圓制造、封裝和測試等多個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一身的集成設(shè)備制造商（IDM，Integrated Device Manufacturer）。

如圖1所示，封裝和測試工藝的第一步就是晶圓測試。封裝后，再對封裝進(jìn)行測試。

半導(dǎo)體測試的主要目的之一就是防止不良產(chǎn)品出廠。一旦向客戶提供不良產(chǎn)品，客戶對我們的信任就會大打折扣，進(jìn)而導(dǎo)致公司銷售業(yè)績的下降，還會引發(fā)賠償?shù)荣Y金上的損失。因此，我們必須在產(chǎn)品出廠前對其進(jìn)行細(xì)致的全面檢測。半導(dǎo)體測試須根據(jù)產(chǎn)品的各種特性，對其各參數(shù)進(jìn)行測試，以確保產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠度。當(dāng)然，這需要時間、設(shè)備和勞動力上的投入，產(chǎn)品的制造成本也會隨之增加。因此，眾多測試工程師正致力于減少測試時間和測試參數(shù)。

#2 測試的種類

▲ 表1: 測試分類（? HANOL出版社）

測試工藝可依據(jù)不同的測試對象，分為晶圓測試和封裝測試；也可根據(jù)不同的測試參數(shù)，分為溫度、速度和運(yùn)作模式測試等三種類型（見表1）。

溫度測試以施加在試驗樣品上的溫度為標(biāo)準(zhǔn)：在高溫測試中，對產(chǎn)品施加的溫度比產(chǎn)品規(guī)格1?所示溫度范圍的上限高出10%；在低溫測試中，施加溫度比規(guī)格下限低10%；而恒溫測試的施加溫度一般為25℃。在實際使用中，半導(dǎo)體產(chǎn)品要在各種不同的環(huán)境中運(yùn)作，因此必須測試產(chǎn)品在不同溫度下的運(yùn)作情況以及其溫度裕度（Temperature Margin）。以半導(dǎo)體存儲器為例，高溫測試范圍通常為85~90℃，低溫測試范圍為-5~-40℃。

1?規(guī)格（Spec）: specification的縮寫，指產(chǎn)品配置，即制造產(chǎn)品時在設(shè)計、制作方法上或?qū)λ杼匦缘母鞣N規(guī)定。

速度測試又分為核心（Core）測試和速率測試。核心測試主要測試試驗樣品的核心運(yùn)作，即是否能順利實現(xiàn)原計劃的目標(biāo)功能。以半導(dǎo)體存儲器為例，由于其主要功能是信息的存儲，測試的重點便是有關(guān)信息存儲單元的各項參數(shù)。速率測試則是測量樣品的運(yùn)作速率，驗證產(chǎn)品是否能按照目標(biāo)速度運(yùn)作。隨著對高速運(yùn)轉(zhuǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品需求的增加，速率測試目前正變得越來越重要。

運(yùn)作模式測試細(xì)分為直流測試（DC Test）、交流測試（AC?Test）和功能測試（Function?Test）：直流測試驗證直流電流和電壓參數(shù)；交流測試（AC Test）驗證交流電流的規(guī)格，包括產(chǎn)品的輸入和輸出轉(zhuǎn)換時間等運(yùn)作特性；功能測試則驗證其邏輯功能是否正確運(yùn)作。以半導(dǎo)體存儲器為例，功能測試就是指測試存儲單元（Memory cell）與存儲器周圍電路邏輯功能是否能正常運(yùn)作。

#3 晶圓測試

晶圓測試的對象是晶圓，而晶圓由許多芯片組成，測試的目的便是檢驗這些芯片的特性和品質(zhì)。為此，晶圓測試需要連接測試機(jī)和芯片，并向芯片施加電流和信號。

完成封裝的產(chǎn)品會形成像錫球（Solder?Ball）一樣的引腳（Pin），利用這些引腳可以輕而易舉完成與測試機(jī)的電氣連接。但在晶圓狀態(tài)下，連接兩者就需要采取一些特殊的方法，比如探針卡（Probe?Card）。

如圖2所示，探針卡是被測晶圓和測試機(jī)的接口，卡上有很多探針2可以將測試機(jī)通訊接口和晶圓的焊盤直接連接起來，卡內(nèi)還布置了很多連接探針與測試機(jī)的連接線材。探針卡固定在測試頭上，晶圓探針臺通過使探針卡與晶圓焊盤點精準(zhǔn)接觸，完成測試。

2?探針: 與晶圓焊盤進(jìn)行電氣連接和直接接觸的針狀物。

▲ 圖2 : 晶圓測試系統(tǒng)模式圖（? HANOL出版社/photograph.Formfactor）

將晶圓正面朝上裝載后，再把圖2右側(cè)的探針卡反過來使針尖朝下，實現(xiàn)與晶圓焊盤的準(zhǔn)確對位。這時，溫度調(diào)節(jié)設(shè)備根據(jù)測試所需溫度條件，施加相應(yīng)溫度。測試系統(tǒng)通過探針卡傳送電流和信號，并導(dǎo)出芯片訊號，從而讀取測試結(jié)果。

探針卡要根據(jù)被測芯片的焊盤布局和晶圓芯片排布制作，即探針與被測晶圓焊盤布局要一致。而且，要按照芯片排列，反復(fù)排布探針。其實，在實際操作中，僅憑一次接觸是無法測試晶圓的所有芯片的。因此，在實際量產(chǎn)過程中要反復(fù)接觸2~3次。

一般來講，晶圓測試依次按照“電氣參數(shù)監(jiān)控（EPM） → 晶圓老化（Wafer Burn in） → 測試 → 維修（Repair） → 測試”順序進(jìn)行。下面，我們來詳細(xì)講解一下晶圓測試的具體工序。

◎ 電氣參數(shù)監(jiān)控（EPM，Electrical Parameter Monitoring）

測試可以篩選出不良產(chǎn)品，又可以反饋正在研發(fā)或量產(chǎn)中的產(chǎn)品缺陷，從而進(jìn)行改善。相比而言，電氣參數(shù)監(jiān)控的主要目的是后者，即通過評價分析產(chǎn)品單位元件的電氣特性，對晶圓的制作工序提供反饋。具體來說，就是在進(jìn)入正式晶圓測試前，采用電學(xué)方法測量晶體管的特性和接觸電阻，驗證被測產(chǎn)品是否滿足設(shè)計和元件部門提出的基本特性。從測試的角度來看，就是利用元件的電學(xué)性能提取直流參數(shù)（Parameter），并監(jiān)控各單位元件的特性。

◎ 晶圓老化（Wafer Burn in）

▲ 圖3：產(chǎn)品使用時間與不良率（? HANOL出版社）

圖3以時間函數(shù)揭示了產(chǎn)品生命周期中的不良率 [曲線呈現(xiàn)出如同浴缸的形狀，故被稱作浴盆曲線（Bath-Tub Curve）] ：早期失效（Early failure）期，產(chǎn)品因制作過程中的缺陷所導(dǎo)致的失效率較高；制造上的缺陷消失后，產(chǎn)品進(jìn)入偶然失效（Random failure）期，在此期間，產(chǎn)品的失效率降低；產(chǎn)品老化磨損后進(jìn)入耗損（Wear out）失效期，失效率明顯再次上升。可見，如果完成產(chǎn)品后立即提供給客戶，早期失效會增加客戶的不滿，造成退貨等產(chǎn)品問題的可能性也很大。

“老化（Burn in）”的目的就是為識別產(chǎn)品的潛在缺陷，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的早期失效狀況。晶圓老化是在晶圓產(chǎn)品上施加溫度、電壓等外界刺激，剔除可能發(fā)生早期失效的產(chǎn)品的過程。

◎ 晶圓測試

在晶圓老化（Wafer Burn in）測試剔除早期失效產(chǎn)品后使用探針卡進(jìn)行晶圓測試。晶圓測試是在晶圓上測試芯片電學(xué)性能的工序。其主要目的包括：提前篩選出不良芯片、事先剔除封裝/組裝3過程中可能產(chǎn)生的不良產(chǎn)品并分析其原因、提供工序反饋信息，以及通過晶圓級驗證（Wafer Level Verification）提供元件與設(shè)計上的反饋等。

在晶圓測試中篩選出的部分不良單元4，將會在我們下面要講到的維修（Repair）過程中被備用單元（Redundancy cell）替換。為測試這些備用單元是否能正常工作，以及芯片能否成為符合規(guī)格的良品，在維修工序后，必須重新進(jìn)行一次晶圓測試。

3?組裝?: 與基板或系統(tǒng)實現(xiàn)電氣或直接連接、組裝的工序；
4單元（Cell）: 為在記憶元件存儲信息（Data）所需的最小單位的單元數(shù)組；DRAM存儲單元（Cell）由一個晶體管（Transistor）和一個電容器（Capacitor）組成；

◎ 維修（Repair）

維修作為內(nèi)存半導(dǎo)體測試中的一道工序，是通過維修算法（Repair Algorithm），以備用單元取代不良單元的過程。假設(shè)在晶圓測試中發(fā)現(xiàn)DRAM 256bit內(nèi)存的其中1bit為不良，該產(chǎn)品就成了255bit的內(nèi)存。但如果經(jīng)維修工序，用備用單元替換不良單元，255bit的內(nèi)存就又重新成了256bit的內(nèi)存，可以向消費者正常銷售?？梢?，維修工序可以提高產(chǎn)品的良率，因此，在設(shè)計半導(dǎo)體存儲器時，會考慮備用單元的制作，并根據(jù)測試結(jié)果以備用單元取代不良單元。當(dāng)然，制作備用單元就意味著要消耗更多的空間，這就需要加大芯片的面積。因此，我們不可能制作可以取代所有不良內(nèi)存的充足的備用單元（比如可以取代所有256bit的備用256bit等）。要綜合考慮工藝能力，選擇可以最大程度地提升良率的數(shù)量。如果工藝能力強(qiáng)，不良率少，便可以少做備用單元，反之則需要多做。

維修可分為列（Column）單位和行（Row）單位：備用列取代不良單元所在的列；備用行取代不良單元所在的行。

DRAM的維修要先切斷不良單元的列或行，再連接備用列或行。維修可分為激光維修和電子保險絲（e-Fuse）維修。激光維修，顧名思義，就是用激光燒斷與不良單元的連接。這要求先脫去晶圓焊盤周圍連線的保護(hù)層（Passivation layer），使連接線裸露出來。由于完成封裝后的芯片表面會被各種封裝材料所包裹，激光維修方法只能用于晶圓測試。電子保險絲維修則采用在連接線施加高電壓或電流的方式斷開不良單元。這種方法與激光維修不同，它通過內(nèi)部電路來完成維修，不需要脫去芯片的保護(hù)膜。因此，除晶圓測試外，該方法在封裝測試中也可使用。

#4 封裝測試

在晶圓測試中被判定為良品的芯片，經(jīng)封裝工序后需要再進(jìn)行封裝測試，因為這些芯片在封裝工序中有可能發(fā)生問題。而且，晶圓測試同時測試多個芯片，測試設(shè)備性能上的限制可能導(dǎo)致其無法充分測試目標(biāo)參數(shù)。與此相反，封裝測試以封裝為單位進(jìn)行測試，對測試設(shè)備的負(fù)荷相對較小，可以充分測試目標(biāo)參數(shù)，從而選出符合規(guī)格的良品。

封裝測試方法如圖4所示：先把“03”的封裝引腳（Pin，圖中為錫球）朝下裝入封裝測試插座內(nèi)，使引腳與插座內(nèi)的引腳對齊，然后再將封裝測試插座固定到封裝測試板（Package Test Board）上進(jìn)行測試。

▲ 圖4：封裝測試系統(tǒng)（?HANOL出版社/ photograph.NST, SENSATA）

◎ 老化測試（Test During Burn In，TDBI）

前邊也提到過，“老化（Burn in）”是為了提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的早期失效，向晶圓產(chǎn)品施加溫度、電壓等外界刺激的工序。這一工序既可在晶圓測試中進(jìn)行，也可在封裝測試階段進(jìn)行。封裝后實施的“老化”被稱為老化測試（TDBI）。大部分半導(dǎo)體產(chǎn)品在晶圓和封裝測試均進(jìn)行老化測試，以便更加全面地把握產(chǎn)品的特性，尋找縮減老化時間和工序數(shù)量的條件?？梢?，老化對于量產(chǎn)來說是一道最有效的工序。

◎ 測試

這是驗證數(shù)據(jù)手冊5中定義的運(yùn)作模式在用戶環(huán)境中能否正常工作的流程。通過溫度測試，檢驗產(chǎn)品交流/直流參數(shù)的缺陷，以及單元&外圍電路（Cell & Peri）區(qū)域的運(yùn)作是否滿足客戶要求的規(guī)格。此時，需要在比數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的條件更為惡劣的條件下，甚至是最糟糕的條件下進(jìn)行測試。

5?數(shù)據(jù)手冊（Data Sheet）：定義半導(dǎo)體產(chǎn)品基本配置與特性等具體信息的文件。

◎ 外觀（Visual）檢測

完成所有測試后，需通過激光打標(biāo)（Laser?Marking）把測試結(jié)果和速率特性（尤其是需要區(qū)分速率時）記錄在產(chǎn)品封裝的表面。經(jīng)封裝測試和激光打標(biāo)后，將良品裝入封裝托盤（Tray），產(chǎn)品即可出廠了。當(dāng)然，在出廠前，還要進(jìn)行最后一道測試——外觀測試，以剔除外觀上的缺陷。外觀檢測主要查看是否有龜裂、打標(biāo)錯誤、裝入錯誤的托盤等問題；錫球方面主要檢查球是否被壓扁，或球是否脫落等問題。

編輯：黃飛

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