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趨勢還是噱頭,半導體生產設備也將模組化?
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模組化已經成為很多廠商吸引客戶的重要手段,不論是在智慧手機市場,還是在測試測量儀器市場,模組化這種商品模式之所以能夠受到歡迎,不僅在於其能夠提供更具多樣性,個性化的產品,也在於定制化的服務能夠為客戶帶來成本和產品方面的優勢。

現在,模組化功能引進深入到更多產品領域。2017年3月15日,應用材料公司最新推出的Applied Nokota?電化學沉積(Electrochemical Deposition, ECD)系統就是將模組化引入半導體封裝領域的一大創舉。
 
“Applied Nokota?電化學沉積系統依託應用材料公司先進的技術和工藝,旨在為客戶提供極致的晶圓保護與市場領先的生產力。” 應用材料公司中國區半導體事業部資深銷售總監戚珩先生在採訪中表示。那麼模組化的產品能否為中國半導體封裝市場帶來新的變化呢?應用材料公司又是如何定位這一全新產品的呢?

半導體設備領域的龍頭
應用材料公司是全球最大的半導體與顯示行業製造設備供應商,始建於1967年,公司總部位於美國加利福尼亞州聖克拉拉。應用材料公司是材料工程解決方案的領導者,全球幾乎每一個新生產的晶片和先進顯示器的背後都有應用材料公司的身影。

據瞭解,應用材料公司1972-2016年收入規模擴大1718倍,盈利能力自1990年以來擴大50.6倍。1993年,應用材料公司全年營業收入達到10億美元,成為全球第一個營業收入破10億美元的半導體設備供應商。不僅如此,應用材料公司的營業收入連續多年高於競爭對手,市場佔有率居同行業第一。

根據SEMI公佈的資料顯示,2015年全球半導體設備出貨金額為365.3億美元,低於2014年的375.0億美元銷售額。此項統計包含晶圓前段制程設備、後段封裝測試設備以及其他前段設備。其他前段設備包括光罩╱倍縮光罩製造、晶圓製造以及晶圓廠設施。需要說明的是,半導體設備是一個高度壟斷的行業,其中前五大供應商占市場份額的76.8%,前十大供應商佔據了93.6%的市場份額,市場集中度高,且十大廠商中多數為美國和日本企業。

近年來,隨著多種新興應用的出現和興起,晶片對於封裝的需求也不盡相同,應用材料公司正是看到了市場的需求,看到了不同應用對於關鍵要求的不同,所以開始探索更好的解決方案,在應用材料公司看來,模組化和可擴展的產品未來擁有非常好的發展前景。

終端需求驅動封裝產業
封測是一個非常巨大的市場,任何電子器件的生產都離不開封測產業的支持。根據Gartner預測,2020年全球封測市場將達314.8億美元,2015年至2017年GAGR4.3%。智慧移動終端將貢獻最大市場增長動力,Statista預測2018年智慧手機出貨量將升至18.73億部,CAGR9.4%。SiP、FoWLP、TSV等技術將深度受益消費電子及其他分支市場,保持GAGR 50%以上增長。

此外,隨著中國電子產品市場的細化和半導體市場的發展,封測產業在中國空間廣闊,多層次市場良性發育。中國封裝市場持續增長,2015年中國市場30億美元,Gartner預測至2020年達54.8億美元,2015年至2020年GAGR12.7%。

“終端市場的需求將會驅動先進封裝行業技術迎來全新的發展拐點。為什麼我們會迎來拐點呢?” 戚珩先生認為這主要源自市場對於產品的需求。

不同的終端產品對於先進封裝方案的需求都不盡相同。在戚珩先生看來,物聯網設備和傳感設備對於先進封裝方案的要求最低,多晶片的複雜程度也最低,一般只需要依次考慮成本、功率和形狀因數就可以。對於這一類產品而言,多採用晶圓級封裝和覆晶技術。

其次是移動應用,類似手機、平板電腦,這類產品需要依次考慮形狀因數、成本和功率的要求,來選擇先進封裝方案。移動應用對產品的體積要求很高,所以需要優先考慮形狀因數。在這一類應用多採用覆晶技術、2D扇出(多晶粒)和3D扇出方案。

對先進封裝方案要求最高的是人工智慧、智慧汽車、雲計算以及大資料市場等新興應用,這類市場的多晶片複雜程度最高,在推出產品時需要依次考慮應用對於速度、可靠性和功率的要求。

模組化能夠為客戶帶來什麼?
從Foundry廠得到圓片進行減薄、中測打點後,即可進入後道封裝。封裝對積體電路起著機械支撐和機械保護、傳輸信號和分配電源、散熱、環境保護等作用。

晶片的封裝技術已經歷了好幾代的變遷,從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,技術指標一代比一代先進,包括晶片面積與封裝面積之比越來越接近於1,適用頻率越來越高,耐溫性能越來越好,引腳數增多,引腳間距減小,重量減小,可靠性提高,使用更加方便等等。

近年來電子產品朝輕、薄、短、小及高功能發展,封裝市場也隨資訊及通訊產品朝高頻化、高I/O 數及小型化的趨勢演進。

但是目前所有封裝方案還是會採用通用晶圓級工藝:光刻、濕法刻蝕、幹法刻蝕、PVD、ECD、CVD氧化層、CMP,這些工藝幾乎都會涉及到。此外,“可以預見的趨勢是高性能封裝中金屬層不斷增加。” 戚珩先生表示。“為了更好的解決隨著金屬層的增加而出現的種種問題,我們改進了產品,推出了最新的Applied Nokota?電化學沉積(Electrochemical Deposition, ECD)系統。”

在該系統的助力下,晶片製造商以及外包裝配和測試(OSAT)企業將可通過低成本、高效率的方式使用不同的晶圓級封裝工藝,包括凸塊/柱狀、扇出、矽通孔(TSV)等等,滿足日益增多的移動和高性能計算應用需求。
相較于傳統封裝方案,全新晶圓級封裝系統可顯著提升晶片連線性與功能,並降低空間使用率及功耗。如何高效利用眾多晶圓級封裝方案並在日益複雜的製造工藝間實現快速轉換,是廣大晶片製造商、晶圓代工廠及OSAT企業所共同面臨的難題。Nokota系統可有效解決這一難題,其具有高度可轉換配置與可靠的模組化平臺,同時支援業界首個全自動晶圓保護技術SafeSeal?,可在晶圓進入各個工藝流程前確保密封圈的完整性。具體來說,Nokota系統具有以下幾個主要特點:

獨特的VMax?電鍍腔體,帶來出色的電化學沉積性能和生產力。較高的電化學沉積性能,能夠帶來高電鍍速率,以及具有極佳的均勻性和平整度。

模組化系統組態,具備極高的可靠性和可擴展性(系統平均故障間隔時間>350小時)。可在晶圓廠內快速完成重新配置,適用於多種應用和金屬。

獨特的SafeSeal元件,實現極致晶圓保護,配備HotSwap?,實現最大生產力(相較其他系統高40%):基於獨特的SafeSeal元件,一般情況下,系統備用站中存儲有兩個合格元件,這樣可以保證在密封圈維修期間,腔體無需停止工作,這樣就可以在密封圈維修時,不會導致系統意外停機,保證系統在電鍍流程開始前及時置換故障密封圈。

此外,Nokota的模組化特點主要表現在,可在不同的晶圓級封裝方法中無縫切換,滿足不斷變化的流程要求,提供與產品需求相匹配的封裝選擇。基於模組化的特點,系統可以實現可擴展性以及最大的產出、可配置性。客戶可在晶圓廠內快速完成配置(<1天),適用於不斷變化的產品組合與產能需求。

據戚珩先生介紹:“Nokota系統不僅是首個可以在多鍍膜流程提供完善晶圓保護能力的ECD系統,而且支援自動清潔與檢測功能,可確保所有晶圓在鍍膜流程啟動前均處於完全密封狀態。這樣一來,在整個處理流程中晶圓僅需密封一次,節約了傳統工藝中各流程腔體重複密封和解封晶圓所耗費的時間,同時也降低了對晶圓的損害。Nokota系統還支援獨一無二的密封圈置換功能,充分確保生產流程的連續性,避免因密封圈維修導致的意外停機。基於上述顯著優勢,相較於其他可選工具,Nokota每年還可增加300小時以上的可用時間。”
“我們的目標旨在始終如一地提供無失誤的高品質性能,解決先進晶圓級封裝的高價值問題。”

半導體行業觀察小編點評
以手機的模組化為例,手機對於元器件的體積要求非常嚴苛,雖然模組化能夠從一定程度上提高產品的可定制性,但是卻極大的削弱了手機的便攜性,同時由於技術的不成熟,模組化手機的失敗自然不言而喻。但是,與失敗的模組化手機相比,具有模組化功能和可擴展性的半導體生產設備能夠允許客戶根據自身的需求以及產品的變動,定制化的調整和擴展生產設備。從模組化和可擴展性的角度來說,這一趨勢能夠極大的降低客戶的成本、減少客戶切換產線的時間以及提高客戶的生產效益。

但是這並不意味著模組化和可擴展性並無弊端。相對傳統設備,較高的學習曲線會增加客戶使用新設備的學習成本,因此如何更好的推動模組化產品的推廣,降低客戶的學習成本大概是這類設備未來所必須面對的一大問題!要不然,模組化也將僅僅是噱頭而已。
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