自动化技术有助于克服晶圆级封装面临的生产效率挑战
2016-03-28 20:57:20   来源：应用材料公司   评论：0   点击：

自动化项目的投资回报期也可以非常短。某用户在使用自动化生产线后仅数月，就通过提高产能，实现制造执行系统（MES）的自动化，从而收回了初期投资。

作者：应用材料公司全球服务产品事业部自动化产品部高级技术专家Shekar Krishnaswamy

随着市场竞争加剧，加之消费者对多功能、轻薄外观、电池寿命长的手持设备的需求日益上升，组装和测试服务外包供应商（OSAT）所面临的制造复杂程度正急剧增加（图1）。

图1 封装技术正迅速发展，以适应消费者对延长电池寿命、更加轻薄的外观、以及提升产品性能和功能性方面的需求

在技术方面， OSAT工厂面对的是更为复杂的封装技术，而晶片处理和封装之间的界限也逐渐模糊。为满足2.5D和3D晶圆结构的挑战，他们的运营方式正越来越接近晶圆加工厂。

这就意味着传统的封装方法在新环境下已未必有效，而OSAT工厂也必须学习并采用晶圆制造企业特有的技术特点、产品生命周期以及生产活动。生产自动化技术是促成这一转变的关键因素。

事实上，如今已无法按照传统方式将手机和平板电脑等手持设备的生产环节简单地划分为前道工序（FEOL，即晶体管制造）和后道工序（BEOL，包括互连、封装和组装）两大类。

取而代之的是一种名为“中道工序”（MEOL）的生产流程（图2），它涵盖了前道工序和后道工序的主要特点。这是因为在穿透硅通孔（TSV）和凸点等垂直结构的互连工艺中，必须使用前道工序中的设备和工艺。

图2 TSV-硅通孔工艺中所采用的中道/后道工序

过去，OSAT企业主要为后道工序提供低利润的商业化测试和封装服务。为了在晶圆级封装时代保持良好的竞争力，如今他们必须有为客户提供高水平的工程资源和与晶圆工厂相媲美的制造能力。

此外，先进封装应用比整体半导体行业的增长更为迅猛，其利润率也相对更高。因此，许多新进企业正凭借强大的实力加入竞争行列，希望在OSAT市场中分一杯羹。一些领先的晶圆代工厂和集成器件制造商（IDM）瞄准了中道工序带来的巨大商机，将其视为现有盈利来源的延伸，这些企业中有许多已经或正在准备建设类似晶圆厂的封装产能。

为应对技术上的挑战，从竞争中脱颖而出，OSAT企业可采取的措施之一是提高生产自动化率，以减少误差和浪费。这也帮助企业提高生产灵活性和响应能力，从而提升整体产量。

晶圆级封装（WLP）的自动化策略

几乎面向所有晶圆尺寸的WLP工厂都面临着类似的挑战，即如何在确保一定良率的基础上生产多个产品，同时应对复杂程度各不相同的工艺和各类测试技术，并根据不同的交货期按时交货。因此，他们在生产结构、运营组织和产品性能上都应更接近于晶圆厂商，而非传统的测试和组装工厂。

WLP工厂需要的设备包括光刻、蚀刻、CMP、电介质沉积、溅射、电镀、清洗、检查、测量及测试等诸多方面。根据生产要求，这些设备还可被用于单晶片、逐批次或批量加工等不同的加工方式中。除了生产设备，还需要有自动化材料处理系统，对300mm晶圆的大批量生产尤其重要。

对如此复杂的生产活动进行有效的监测和控制已远远超越了传统OSAT工厂的运营要求。过去，他们仅需使用电子表格之类的简单应用程序就能进行生产运营。而如今，WLP对统计数据分析以及设备、工艺和运营精准的自动化控制提出了更高的要求，使OSAT工厂更接近于晶圆加工厂。

事实上，只有采用现代自动化和生产控制系统才能实现这些复杂要求（图3）。

图3 应用材料公司的自动化解决方案能帮助OSAT工厂管理复杂的生产活动，实现生产目标、满足交货时间

在设备层面，提升WLP竞争力的重要工具之一是自动化配方管理（RM），它能减少人为失误，提高良率，并集成故障检测和分类（FDC）系统，以提高设备利用率，降低废品率。

在工艺层面，需采用统计工艺控制（SPC）来快速进行数据分析，从而提高产品质量。先进工艺控制（APC）解决方案能有效提升良率、降低废品率。

在工厂运营层面，自动化的实时产品调度系统是实现批量生产的关键因素（图4）。当设备可用、且有许多批次等待处理时，就应使用实时调度系统。

通过使用一系列自动化软件，如应用材料公司的APF实时调度软件，可以决定优先处理哪些批次，从而获得最高的整体产出。这类系统考量了设备产能、产品交付日期和优先性、理想生产周期、设备安装和维护要求以及掩膜版等配材的可用性。

图4 实时调度系统的使用及好处

生产间隔较短的自动化调度策略可以帮助OSAT工厂进一步提升整体生产效率，消除所谓“生产空白期”带来的工艺和设备利用率不足等问题。“生产空白期”是指在生产流程中的短期生产间隔，多个短期生产间隔的累积就会影响工厂整体生产效率。

为了消除空白期，必须对可预见的生产活动进行全面、现实的考量。短间隔的调度策略即可实现这一点。这种调度方法基于大量的有效数据，模拟工厂运营情况进行数学建模，并假设任务在规定时间内完成。

为未来应用奠定基础

自动化解决方案不仅为OSAT企业提供了灵活、高质量、高产出以及高利润的生产系统，更是为迎接未来在生产战略方面的变化奠定了基础。

举例而言，许多WLP工厂通过引入移动技术来提高生产效率和产品质量。应用材料公司的某家客户是全球领先的闪存解决方案供应商，其产品广泛用于一系列应用和设备中。该公司在其亚洲一家组装和测试工厂中使用移动解决方案后，有效提高了工厂的生产效率、产品质量和运营可靠性。

该公司的产品中大部分采用2.5D和3D封装技术，并引入了制造执行系统（MES）、统计和先进过程控制、设备自动化以及先进调度解决方案等工厂自动化解决方案。然而，对于人工和流程的依赖阻碍了这些技术的有效应用。而在复杂的生产活动中，这可能会导致生产流程执行中出现程序错误，从而造成产品质量和报废率等问题。

在这家工厂中，客户的制造活动涉及在不同条件、多台机器上处理数百个零件。每项操作和每种类型的零件的参数均整合于同一个工艺配方中，每台机器均可处理数百种不同的配方。使用不正确的配方会不可避免地造成产品报废，从而导致制造成本上升，并可能对客户满意度带来负面影响。

因此，使用能扩展到移动端的自动化配方管理系统（RMS）成为降低废品率、提高产品质量的关键，有助于避免因使用不正确流程配方而造成的人为失误。该应用可安装于平板电脑和智能手机。

该系统上的用户界面能捕捉自动和手动任务的顺序，最初这一功能仅为系统配置和诊断而设计，但由于其具有的价值，最终成为了通用操作界面，有助于实现快速用户培训。

报警管理是该应用程序的重要组成部分。在使用RMS系统前，操作者通常会执行一些不必要的步骤。RMS的报警管理功能会捕捉所有此类事件及它们的频率。这些信息可在培训中作为教育资料，提醒操作者剔除不必要的操作步骤。

该项目一期阶段已取得的成果包括：

· 有效缩短产品生产周期，提高产能；

· 简化设备监控和警报管理流程；

· 大幅降低与设备相关的产品质量问题；

· 由于可通过移动设备在机器旁随时获得关键操作信息，因而显著提高了运营效率。

此外，仅通过提高产能和实现MES处理自动化，就每台设备而言该工厂仅在数月内就已收回了一期项目的投资。

结论

随着晶圆级封装需求的不断上升，OSAT工厂的运营复杂程度也显著增加。为成功应对这一挑战，OSAT工厂必须运用创新自动化策略，增加生产的灵活性，提高运营效率和产品质量，从而满足客户不断变化的需求，保持自身在行业内的竞争力。