УДК 621.382
Д. М. Кирьянов
Д. Г. Бормотов
АО «Научно-исследовательский институт электронной техники»
Аннотация: в статье представлен анализ основных этапов микроэлектронного производства полупроводниковых приборов с акцентом на роль измерений и контроля параметров на каждом этапе технологического процесса. Рассматриваются операции подготовки кремниевых пластин, зондового контроля, разделения на кристаллы, сборки и корпусирования изделий, а также выходного тестирования. Особое внимание уделено методам электрических и СВЧ-измерений, позволяющим оценивать функциональные и эксплуатационные характеристики приборов. Показано, что комплексный контроль параметров на всех стадиях производства является ключевым фактором повышения качества, надёжности и выхода годной продукции.
Ключевые слова: микроэлектроника, полупроводниковое производство, зондовый контроль, измерение параметров, СВЧ-измерения, контроль качества, полупроводниковые приборы, wafer sort, сборка микросхем, тестирование.
Stages of microelectronic manufacturing and the role of measurement control at various stages of the technological process.
D. M. Kiryanov,
D. G. Bormotov
1. JJSC «Research Institute of Electronic Technology»
Abstract: The article presents an analysis of the main stages of semiconductor microelectronic manufacturing with an emphasis on the role of measurements and parameter control at each stage of the technological process. The processes of silicon wafer preparation, wafer probing, die separation, assembly and packaging, as well as final testing are considered. Special attention is given to electrical and RF measurement methods used to evaluate functional and performance characteristics of devices. It is shown that comprehensive parameter control throughout all production stages is a key factor in improving product quality, reliability, and yield.
Keywords: microelectronics, semiconductor manufacturing, probe testing, parameter measurement, RF measurements, quality control, semiconductor devices, wafer sort, microchip assembly, testing.
- ВВЕДЕНИЕ
Современная микроэлектроника является одной из ключевых отраслей высокотехнологичной промышленности, определяющей развитие вычислительной техники, телекоммуникаций и радиоэлектронных систем. Постоянное уменьшение размеров элементов интегральных схем и усложнение их архитектуры предъявляют повышенные требования к точности технологических процессов и качеству выпускаемой продукции.
В этих условиях особую роль приобретает система измерений и контроля, сопровождающая все этапы производства полупроводниковых приборов — от формирования структуры на кремниевой пластине до финальных испытаний готовых изделий. Измерения позволяют оценивать электрические, механические и тепловые характеристики, выявлять дефекты и принимать решения о дальнейшей обработке изделий.
Одним из важнейших инструментов обеспечения качества является зондовый контроль, применяемый как на уровне пластины, так и на этапе сборки. Он обеспечивает оперативную диагностику параметров микросхем и способствует снижению производственных потерь за счёт раннего обнаружения дефектов.
В статье рассматриваются этапы микроэлектронного производства и исследования роли измерений на каждом из них.
II. ЭТАПЫ МИКРОЭЛЕКТРОННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Полный типовой цикл микроэлектронного производства (от кристалла на пластине до готового изделия) представлен на рисунке 1.
Рассмотрим эти этапы производства. Первый этап Front-End является подготовкой кремниевой пластины для дальнейшей работы с ней. На нем осуществляются операции, которые включают рост монокристаллического кремния, резку его на пластины, шлифовку, полировку пластины и формирование микроэлектронной структуры. Подготовленную структуру кристалла перед разделением сортируют и тестируют на этапе Wafer Sort + Probing.
Здесь измеряют DC-параметры, RF-параметры (S-параметры для СВЧ), токи утечек и пробоев. Это первый критический этап, на котором определяется дальнейшая целесообразность разделения пластин. В случае, если все параметры пластины находятся в пределах нормы и соответствуют ТУ, переходят на следующий этап Die Preparation.
На этом этапе пластину размечают для разделения. Разделение может быть с помощью пиления, лазерной резки или разламывания. Осуществив разделение, кристалл очищают от оставшихся частиц, сушат, подвергают антистатической обработке. Завершающим шагом производят оптический контроль AOI (Automated Optical Inspection), где проверяют на наличие сколов и трещин. Разделив пластину на отдельные кристаллы, можно приступать к этапу сборки (Assembly).
Сборка начинается с подготовки подложки. Далее наносят припой/клей/пасту и монтируют кристалл в корпус. Есть несколько способов монтажа – эвтектическая пайка, серебряная паста, эпоксидный клей. После совершенной операции выполняют проверку монтажа, геометрии посадки и измерение теплового сопротивления (для мощных СВЧ-приборов). Если операция выполнена верно, переходят к присоединению выводов и запуску проверок для их контроля.
Закорпусированное изделие проходит проверку на этапе Assembly Test Flow, который включает зондовый контроль корпуса, электрические и функциональные тесты. По результатам прохождения тестов изделия разделяют по классам качества и формируют партию. Сформированную партию маркируют и упаковывают.
Зондовый контроль встречается на этапах wafer sort, die preparation, assembly, assembly test flow.
III. ЗОНДОВЫЙ КОНТРОЛЬ
Зондовая плата — это высокотехнологичное устройство, используемое для электрических испытаний микросхем на полупроводниковой пластине во время процесса тестирования при их производстве. Зондовая плата применяется совместно с зондовой установкой и служит соединяющим звеном между выводами микросхемы и измерителем (рисунок 1).
По сути, зондовая плата — это электромеханический интерфейс, который позволяет проверять функционирование чипа, когда он находится на пластине и после установки чипа в корпус (рисунок 2).
Технологии зондового контроля различаются конструкцией зондовых карт, но в целом основаны на одном принципе: зондовые иглы контактируют с контактными площадками кристалла, обеспечивая электрическое соединение через зондовую плату с измерительным оборудованием для проверки параметров и работоспособности чипа.
Тип контроля определяется требованиями к изделию и возможностями производства.
Наиболее распространённой является кантилеверная технология (cantilever probe cards), при которой упругие зондовые элементы обеспечивают контакт с площадками кристалла. В настоящее время она активно развивается в России с целью импортозамещения материалов и компонентов. Данная технология покрывает более 90 % потребностей отечественной микроэлектроники.
IV. ЗОНДОВЫЙ КОНТРОЛЬ ДО РЕЗКИ ПЛАСТИНЫ
Зондовый контроль является ключевым этапом технологического процесса на стадии wafer sort, где осуществляется первичная электрическая проверка кристаллов непосредственно на полупроводниковой пластине. В ходе контроля зондовая карта устанавливает контакт с контактными площадками кристаллов, обеспечивая измерение основных электрических параметров (таких как токи, напряжения и токи утечки), а также проверку функциональной работоспособности устройств.
По результатам проведённых измерений осуществляется классификация кристаллов на годные и дефектные. На этой основе формируется карта пластины (wafer map), которая используется для принятия решения о целесообразности дальнейшей обработки и передачи пластины на последующие этапы производства.
Применение зондового контроля позволяет реализовать раннюю отбраковку дефектных кристаллов, что способствует снижению производственных затрат, увеличению выхода годной продукции и повышению общей эффективности технологического процесса.
V. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ КРИСТАЛЛОВ И КОРПУСОВ ПЕРЕД ОПЕРАЦИЕЙ СБОРКИ
На этом этапе зондовый контроль почти не используется из-за размеров кристаллов и неудобного контактирования. Входной контроль после резки кристаллов заключается в визуальном обнаружении сколов, трещин, загрязнений, возникших во время резки пластины, измерении размера кристалла и его толщины, а также в измерении электрических параметров.
В случае возникновения бракованных изделий они не попадают в сборку, чтобы не выполнять операцию корпусирования впустую. Параллельно с входным контролем кристаллов осуществляют контроль корпусов. Проверяются размеры, допуски, состояние выводов, материал и покрытие, чистота поверхности. В зависимости от типа корпуса возможны отдельные тепловые или механические проверки.
По материалам корпуса подразделяются на керамические (металлокерамические), металлостеклянные, стеклокерамические и пластмассовые. Наиболее надёжными считаются керамические корпуса, тогда как пластмассовые отличаются высокой технологичностью и применяются в массовом производстве, хотя уступают по герметичности и долговечности. По способу герметизации различают сварные, паяные и герметизируемые стеклоприпоем конструкции.
Пластмассовые корпуса формируются путём заливки или прессования компаундов вокруг кристалла, установленного на выводной рамке, образуя монолитную структуру без внутреннего воздушного объёма. В таблице 1 приведена классификация корпусов ИМС.
Таблица 1. Классификация корпусов ИМС
| Признак | Тип | Примеры корпусов | Краткая характеристика |
| По конструкции | Выводные (THT) | DIP, SIP | Монтаж через отверстия платы |
| Поверхностного монтажа (SMD) | SOIC, QFP, QFN, TSSOP | Монтаж на поверхность платы | |
| По типу выводов | С выводами | DIP, QFP, SOIC | Металлические ножки |
| Безвыводные | BGA, LGA, CSP, WLCSP | Контактные площадки/шары | |
| По монтажу кристалла | Wire bonding | QFP, SOIC, DIP | Соединение проволокой |
| Flip-chip | BGA, CSP | Перевёрнутый кристалл | |
| Гибридный / MCM | SiP, MCM | Несколько кристаллов в одном корпусе | |
| По герметичности | Герметичные | Ceramic package, metal can | Керамика/металл, высокая надёжность |
| Негерметичные | Plastic package | Эпоксидный компаунд | |
| По мощности | Малосигнальные | SOIC, QFP | Низкое тепловыделение |
| Мощные | TO-220, TO-247 | Теплоотвод, силовая электроника | |
| СВЧ / RF | QFN RF, ceramic RF packages | Минимальные паразитные параметры | |
| По уровню интеграции | Однокристальные | SOP, QFN | Один чип |
| Многокристальные | MCM, SiP | Несколько кристаллов | |
| Уровень пластины | WLCSP | Корпус формируется на wafer level |
Проверка кристалла и корпуса по отдельности служит фильтром перед дорогостоящим этапом сборки. Установка бракованного кристалла в корпус и наоборот все равно будет выявлена на следующих этапах. Выявление до корпусирования существенно снижает затраты производства.
VI. КОНТРОЛЬ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ СБОРКИ
Классического зондового контроля на этапе сборки нет. После того как кристалл разрезан, отобран, его устанавливают в корпус и дальше осуществляют контроль не через иглы (контактные выводы), а другими методами. Сначала проверяют правильность посадки кристалла в корпус, качество припоя и клея, с помощью методов оптического контроля и рентгена. В настоящее время визуальный контроль осуществляется частично с помощью ИИ. После переходят к проверке правильности соединений, где проверяется качество проволочных соединений и контактных площадок с применением тестов на сдвиг, отрыв и микроскопию. Убедившись в правильной установке кристалла в корпус и качестве припоя, можно выполнить электрический контроль: прозвонка цепей, проверка коротких замыканий, измерение базовых электрических параметров. Электрические проверки, выполняемые на данном этапе, отличаются от зондового контроля и проводятся через выводы корпуса или специальные тестовые контакты.
VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведён анализ основных этапов микроэлектронного производства полупроводниковых приборов с позиции применения методов измерений и контроля параметров. Показано, что контроль сопровождает весь технологический цикл — от формирования структур на пластине до финального тестирования готовых изделий — и играет определяющую роль в обеспечении качества и надёжности продукции.
Установлено, что ключевым этапом является зондовый контроль на стадии wafer sort, обеспечивающий первичную электрическую диагностику кристаллов непосредственно на пластине. Именно на этом этапе осуществляется ранняя отбраковка дефектных структур и формируется карта годности, определяющая дальнейший маршрут обработки изделий. На последующих стадиях производства контроль смещается в сторону оптических, механических и электрических методов, направленных на выявление дефектов, возникающих при разделении пластины, сборке и корпусировании.
Показано, что многоуровневая система контроля, включающая зондовые, визуальные и электрические методы, позволяет существенно снизить производственные потери, повысить выход годной продукции и обеспечить стабильность параметров полупроводниковых приборов.
Литература
- Doering R., Nishi Y. (eds.) Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. — 2nd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2008. — 1722 p.
- Quirk M., Serda J. Semiconductor Manufacturing Technology. — Upper Saddle River: Prentice Hall, 2000. — 666 p.
- Geng H. (ed.) Semiconductor Manufacturing Handbook. — New York: McGraw-Hill, 2005. — 800 p.
- Ueda O., Pearton S. J. (eds.) Materials and Reliability Handbook for Semiconductor Optical and Electron Devices. — New York: Springer, 2013. — 600 p.
- May G. S., Spanos C. J. Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. — Hoboken: Wiley, 2006. — 431 p.
- Campbell S. A. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication. — 2nd ed. — Oxford: Oxford University Press, 2001. — 680 p.
- Madou M. J. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology. Vol. 1: Microfabrication. — 3rd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2011. — 648 p.
- Кузьмик В. Ф., Красников Г. Я. Современное состояние и перспективы развития микроэлектроники // Микроэлектроника. — 2022. — Т. 51, № 6. — С. 403–416.
- Орликов Л. Н., Сурис Р. А. Технологические проблемы развития микро- и наноэлектроники // Известия вузов. Электроника. — 2023. — Т. 28, № 2. — С. 123–134.
REFERENCE
- Doering R., Nishi Y. (eds.) Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. — 2nd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2008. — 1722 p.
- Quirk M., Serda J. Semiconductor Manufacturing Technology. — Upper Saddle River: Prentice Hall, 2000. — 666 p.
- Geng H. (ed.) Semiconductor Manufacturing Handbook. — New York: McGraw-Hill, 2005. — 800 p.
- Ueda O., Pearton S. J. (eds.) Materials and Reliability Handbook for Semiconductor Optical and Electron Devices. — New York: Springer, 2013. — 600 p.
- May G. S., Spanos C. J. Fundamentals of Semiconductor Manufacturing and Process Control. — Hoboken: Wiley, 2006. — 431 p.
- Campbell S. A. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication. — 2nd ed. — Oxford: Oxford University Press, 2001. — 680 p.
- Madou M. J. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology. Vol. 1: Microfabrication. — 3rd ed. — Boca Raton: CRC Press, 2011. — 648 p.
- Kuzmik V. F., Krasnikov G. Ya. Current state and prospects of microelectronics development // Microelectronics. — 2022. — Vol. 51, No. 6. — pp. 403–416.
- Orlikov L. N., Suris R. A. Technological problems of micro- and nanoelectronics development // Proceedings of Universities. Electronics. — 2023. — Vol. 28, No. 2. — pp. 123–134.