凌華針對半導體先進封裝 4  大主要製程雷射切割、晶圓探測、分選以及固晶提出PC-based 運動控制解決方案0810
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在後摩爾定律(More than Moore) 時代,隨著晶片設計朝 3D 及異質整合發展,許多先進封裝技術如扇形封裝(FOWLP)、3DFabric 技術紛紛因應而生,其中 AiP (天線封裝)技術更伴隨 5G 毫米波通訊浪潮成為技術趨勢,蘋果將推出的 iPhone 13 也大舉提高支援毫米波技術機型的出貨量,可預期市場對 AiP 需求將提升。

不過, AiP 技術的難點在於,需把多個天線準確地鋪放在射頻晶片上方,若在取放及壓貼過程中,位置稍有偏差,便會造成訊號干涉,形同瑕疵品。因此為了提升良率以及生產效率,「精度」與「速度」成為 AiP 先進封測製程中,急需解決的問題。

凌華科技因此針對先進封裝的 4  大主要製程,雷射切割(laser dicing)、晶圓探測(probe testing)、分選(sorting)以及固晶(die bonding), 提出 PC-based 運動控制結合機器視覺的解決方案。目前在台灣的封測設備製造商中,已有超過半數業者採用此方案,他們遇到哪些挑戰,又是如何解決?

一、半導體雷射切割:面臨 10um 切割精度與晶圓汙染清除難題

半導體晶圓雷射切割

半導體雷射切割(laser dicing)。圖片來源:iStock

「雷射切割」是封裝測試的第一個製程,凌華科技智能機械事業中心經理林衛瑞指出,目前遇到的難題在於晶粒越來越小,使得晶圓的切割線間距縮小到 10um 以內,為了不讓雷射光觸及晶粒造成損壞,凌華的解決方案提供 2D 補償功能,可實現 0.1 um 的定位精度。

此外,用高熱進行切割時所噴出的碳屑也可能汙染晶圓,造成良率下降,為了快速清除切割時造成的汙染並進行冷卻,凌華的解決方案搭配 MHz 級的比較觸發器,能夠高速、靈敏地在雷射動作後立即進行冷卻與汙染清除,達成最佳效能。

二、半導體晶圓探測:破解平面精度外,Z 軸高度才是真正挑戰

半導體晶圓探測

半導體晶圓探測(probe testing)。圖片來源:iStock

雷射切割完將進行「晶圓探測」,透過移動探針到特定位置,以量測該處晶粒的電氣訊號。因此,如何把探針頭準確移動到所需位置進行量測,並且不會損害晶圓是主要挑戰。同時,林衛瑞表示,因為待量測的晶圓是放置在藍膜上,若進行多次取放將導致藍膜變形,造成 Z 軸隨著時間推移逐漸出現誤差,影響定位精度。

因此,凌華解決方案除了在平面 XY 軸進行 2D 補償之外,更結合即時的 3D 高度補償, 達到持續性的路線偵測及誤差補償,使整體運作時間縮短 15-20 %,精準探測的同時也提生產效率。

三、半導體晶片分選:提升「多工作區域整合」效率成首要關鍵

半導體晶片分選

半導體晶片分選(sorting)。圖片來源:iStock

「分選製程」則是在探測之後將合格或不良的晶粒挑揀分區,並進一步把良品歸類到不同等級。因此,作業過程涉及晶圓、 tray 盤多工作區域的 X/Y/Z 軸運動控制。對於這類型多區域工作,若要提高分選效率,則必須讓撿放動作達到高速整定。

林衛瑞表示,凌華透過 PID 閉環控制,能增加定位補償的響應速度,把整定時間從一般的 50ms 縮短到 30ms 以內,帶來顯著的產能提升。此外,若良品需依不同等級分選,就需有多個 tray 盤獨立運作且相互搭配。此需求凸顯了 PC-based 運動控制的優勢,利用處理器的多執行緒功能,可支援多工作區域的獨立控制存取與整合,滿足晶粒分選的多樣化需求。

四、半導體固晶:製程轉 3D,精度達顯微鏡等級的視覺需求門檻

半導體固晶

半導體固晶(die bonding)。圖片來源:iStock

「固晶」是封測的最後一道關鍵製程,目的是把切割、分選好的晶粒壓貼在其他晶粒或 IC 載板上。以 AiP 來說,為了確保良率,天線的精準定位更為重要,而對於 2.5D/3D 封裝,則面臨晶圓貼晶圓的精度挑戰。透過結合 2D 與 PID 閉環控制,凌華可協助業者實現 30nm 的精度,這是高階晶圓級封裝不可或缺的。

林衛瑞表示,除了運動控制之外,以上 4 大製程都搭配了機器視覺來進行定位與即時校正,以達成實際應用所需的效能。以固晶為例,因精度要求最高,須採用顯微鏡等級的視覺擷取,這也是為什麼凌華力推 PC-based 解決方案,因為具備了優於傳統 PLC-based 的整合性與彈性,能以更佳效能滿足新一代封測製程的需求。

此外,凌華運動控制方案的另一項優勢是自行研發的「自動化產品軟體開發套件」(APS SDK),其中包含了 2D 補償和軌跡優化等豐富的運動控制程式庫,並能支援凌華的各種運動控制硬體產品。因此,當客戶需要升級或更新機台時,無須重寫軟體,可大幅節省二次開發時間。

PC-based 運動控制已成為先進封裝首選技術,未來將朝專用機發展

隨著先進封裝技術的快速發展,林衛瑞表示,包括 AiP 在內的各種 3D IC 需求興起已推升了對新型高階封測機台的需求。

他觀察到,相較於半導體前端製程,有較高的精度需求,而採用專用控制器,在後端的封測製程上,具開放性,且效能日益提升的 PC-based 運動控制已逐漸取代專用控制器,成為高階封測設備市場的主流。而深耕此市場多年的凌華,其解決方案已獲得一半以上的台灣封測設備業者採用,並實際投入生產。

以此堅強的業界實績為基礎,凌華也制定了新的產品發展藍圖。林衛瑞表示,有鑑於封測技術的快速進展,除了既有的通用型封測解決方案之外,凌華將運用邊緣控制器的強大功能,針對不同封測製程的特定需求,提供高精度或高速度的專用機,進一步提升高階封測解決方案的效能,並持續擴展市場。

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