شرح كامل لعملية تصنيع الرقائق (2/2): من الرقاقة إلى التعبئة والتغليف والاختبار

يتطلب تصنيع كل منتج من منتجات أشباه الموصلات مئات العمليات، وتنقسم عملية التصنيع بأكملها إلى ثماني خطوات:معالجة الرقاقات - الأكسدة - الطباعة الحجرية الضوئية - النقش - ترسيب الأغشية الرقيقة - التوصيل البيني - الاختبار - التعبئة والتغليف.

الخطوة 5: ترسيب الأغشية الرقيقة

من أجل إنشاء الأجهزة الدقيقة داخل الشريحة، نحتاج إلى ترسيب طبقات من الأغشية الرقيقة بشكل مستمر وإزالة الأجزاء الزائدة عن طريق النقش، وكذلك إضافة بعض المواد لفصل الأجهزة المختلفة. يتم بناء كل ترانزستور أو خلية ذاكرة خطوة بخطوة خلال العملية المذكورة أعلاه. "الفيلم الرقيق" الذي نتحدث عنه هنا يشير إلى "فيلم" سمكه أقل من 1 ميكرون (ميكرومتر، جزء من مليون من المتر) والذي لا يمكن تصنيعه بطرق المعالجة الميكانيكية العادية. عملية وضع فيلم يحتوي على الوحدات الجزيئية أو الذرية المطلوبة على الرقاقة هي عملية "ترسيب".

لتشكيل هيكل متعدد الطبقات لأشباه الموصلات، نحتاج أولاً إلى إنشاء مجموعة من الأجهزة، أي تكديس طبقات متعددة من الأغشية المعدنية الرقيقة (الموصلة) والأغشية العازلة (العازلة) بالتناوب على سطح الرقاقة، ثم إزالة الفائض الأجزاء من خلال عمليات الحفر المتكررة لتشكيل هيكل ثلاثي الأبعاد. تشمل التقنيات التي يمكن استخدامها في عمليات الترسيب ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، وترسيب الطبقة الذرية (ALD)، وترسيب البخار الفيزيائي (PVD)، ويمكن تقسيم الطرق التي تستخدم هذه التقنيات إلى ترسيب جاف ورطب.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

في ترسيب البخار الكيميائي، تتفاعل الغازات الأولية في غرفة التفاعل لتشكل طبقة رقيقة متصلة بسطح الرقاقة والمنتجات الثانوية التي يتم ضخها خارج الغرفة. يستخدم ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما البلازما لتوليد الغازات المتفاعلة. تعمل هذه الطريقة على تقليل درجة حرارة التفاعل، مما يجعلها مثالية للهياكل الحساسة لدرجة الحرارة. يمكن أن يؤدي استخدام البلازما أيضًا إلى تقليل عدد الترسبات، مما يؤدي غالبًا إلى إنتاج أفلام ذات جودة أعلى.

ترسيب الطبقة الذرية (ALD)

يشكل ترسيب الطبقة الذرية أغشية رقيقة عن طريق ترسيب بضع طبقات ذرية فقط في المرة الواحدة. مفتاح هذه الطريقة هو تكرار الخطوات المستقلة التي يتم تنفيذها بترتيب معين والحفاظ على التحكم الجيد. إن طلاء سطح الرقاقة بمادة أولية هي الخطوة الأولى، ومن ثم يتم إدخال غازات مختلفة للتفاعل مع المادة الأولية لتكوين المادة المطلوبة على سطح الرقاقة.

ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)

كما يوحي الاسم، يشير ترسيب البخار الفيزيائي إلى تكوين أغشية رقيقة بالوسائل الفيزيائية. الرش هو طريقة ترسيب بخار فيزيائية تستخدم بلازما الأرجون لرش الذرات من الهدف وترسيبها على سطح الرقاقة لتكوين طبقة رقيقة. في بعض الحالات، يمكن معالجة الطبقة المترسبة وتحسينها من خلال تقنيات مثل المعالجة الحرارية بالأشعة فوق البنفسجية (UVTP).

الخطوة 6: الربط

موصلية أشباه الموصلات تكون بين الموصلات وغير الموصلات (أي العوازل)، مما يسمح لنا بالتحكم الكامل في تدفق الكهرباء. يمكن لعمليات الطباعة الحجرية والحفر والترسيب القائمة على الرقاقة بناء مكونات مثل الترانزستورات، ولكن يجب أن تكون متصلة لتمكين نقل واستقبال الطاقة والإشارات.

تستخدم المعادن في توصيل الدوائر بسبب موصليتها. يجب أن تستوفي المعادن المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات الشروط التالية:

· مقاومة منخفضة: بما أن الدوائر المعدنية تحتاج إلى تمرير تيار، فيجب أن تتمتع المعادن الموجودة بها بمقاومة منخفضة.

· الاستقرار الكيميائي الحراري: يجب أن تظل خصائص المواد المعدنية دون تغيير أثناء عملية الربط المعدني.

· موثوقية عالية: مع تطور تكنولوجيا الدوائر المتكاملة، يجب أن تتمتع حتى الكميات الصغيرة من مواد الربط المعدنية بمتانة كافية.

· تكلفة التصنيع: حتى لو تم استيفاء الشروط الثلاثة الأولى، فإن تكلفة المواد مرتفعة جدًا بحيث لا تلبي احتياجات الإنتاج الضخم.

تستخدم عملية الربط بشكل رئيسي مادتين، الألومنيوم والنحاس.

عملية ربط الألمنيوم

تبدأ عملية ربط الألومنيوم بترسيب الألومنيوم، وتطبيق مقاوم الضوء، والتعرض والتطوير، متبوعًا بالحفر لإزالة أي ألومنيوم زائد ومقاوم الضوء بشكل انتقائي قبل الدخول في عملية الأكسدة. بعد الانتهاء من الخطوات المذكورة أعلاه، يتم تكرار عمليات الطباعة الحجرية الضوئية والحفر والترسيب حتى يتم الانتهاء من الربط البيني.

بالإضافة إلى موصليته الممتازة، من السهل أيضًا إجراء الطباعة الحجرية الضوئية والحفر والترسب على الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك، فهي تتميز بتكلفة منخفضة والتصاق جيد بفيلم الأكسيد. عيوبه هي أنه من السهل أن تتآكل ولها نقطة انصهار منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، لمنع الألومنيوم من التفاعل مع السيليكون والتسبب في مشاكل في الاتصال، يجب إضافة رواسب معدنية لفصل الألومنيوم عن الرقاقة. ويسمى هذا الودائع "المعدن الحاجز".

تتشكل دوائر الألمنيوم عن طريق الترسيب. بعد دخول الرقاقة إلى غرفة التفريغ، سوف تلتصق طبقة رقيقة مكونة من جزيئات الألومنيوم بالرقاقة. تسمى هذه العملية "ترسيب البخار (VD)"، والتي تتضمن ترسيب البخار الكيميائي وترسيب البخار الفيزيائي.

عملية الربط النحاسي

نظرًا لأن عمليات أشباه الموصلات أصبحت أكثر تعقيدًا وتقلصت أحجام الأجهزة، فإن سرعة الاتصال والخصائص الكهربائية لدوائر الألومنيوم لم تعد كافية، وهناك حاجة إلى موصلات جديدة تلبي متطلبات الحجم والتكلفة. السبب الأول الذي يجعل النحاس يحل محل الألومنيوم هو أنه يتمتع بمقاومة أقل، مما يسمح بسرعات اتصال أسرع للأجهزة. يعتبر النحاس أيضًا أكثر موثوقية لأنه أكثر مقاومة للهجرة الكهربائية، وهي حركة أيونات المعادن عندما يتدفق التيار عبر المعدن، من الألومنيوم.

ومع ذلك، لا يشكل النحاس مركبات بسهولة، مما يجعل من الصعب تبخيرها وإزالتها من سطح الرقاقة. ولمعالجة هذه المشكلة، بدلًا من حفر النحاس، نقوم بترسيب وحفر المواد العازلة، التي تشكل أنماط خطوط معدنية تتكون من خنادق وفيا عند الحاجة، ثم نملأ "الأنماط" المذكورة أعلاه بالنحاس لتحقيق الترابط، وهي عملية تسمى "الدمشقية". .

مع استمرار ذرات النحاس في الانتشار في العازل الكهربائي، يتناقص عزل الأخير ويخلق طبقة حاجز تمنع ذرات النحاس من المزيد من الانتشار. يتم بعد ذلك تشكيل طبقة رقيقة من بذور النحاس على الطبقة الحاجزة. تسمح هذه الخطوة بالطلاء الكهربائي، وهو ملء أنماط ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية بالنحاس. بعد التعبئة، يمكن إزالة النحاس الزائد عن طريق التلميع الميكانيكي الكيميائي للمعادن (CMP). بعد الانتهاء، يمكن ترسيب فيلم أكسيد، ويمكن إزالة الفيلم الزائد عن طريق عمليات الطباعة الحجرية الضوئية والحفر. يجب تكرار العملية المذكورة أعلاه حتى اكتمال التوصيل البيني النحاسي.

من المقارنة المذكورة أعلاه، يمكن ملاحظة أن الفرق بين التوصيل البيني النحاسي والتوصيل البيني للألمنيوم هو أن النحاس الزائد تتم إزالته بواسطة CMP المعدني بدلاً من النقش.

الخطوة 7: الاختبار

الهدف الرئيسي من الاختبار هو التحقق مما إذا كانت جودة شريحة أشباه الموصلات تلبي معيارًا معينًا، وذلك للتخلص من المنتجات المعيبة وتحسين موثوقية الشريحة. بالإضافة إلى ذلك، المنتجات المعيبة التي تم اختبارها لن تدخل خطوة التعبئة والتغليف، مما يساعد على توفير التكلفة والوقت. يعد الفرز الإلكتروني للقالب (EDS) طريقة اختبار للرقائق.

EDS هي عملية تتحقق من الخصائص الكهربائية لكل شريحة في حالة الرقاقة وبالتالي تعمل على تحسين إنتاجية أشباه الموصلات. ويمكن تقسيم EDS إلى خمس خطوات، على النحو التالي:

01 مراقبة المعلمات الكهربائية (EPM)

EPM هي الخطوة الأولى في اختبار شرائح أشباه الموصلات. ستقوم هذه الخطوة باختبار كل جهاز (بما في ذلك الترانزستورات والمكثفات والثنائيات) المطلوبة لدوائر أشباه الموصلات المتكاملة للتأكد من أن معلماتها الكهربائية تلبي المعايير. تتمثل الوظيفة الرئيسية لـ EPM في توفير بيانات الخصائص الكهربائية المقاسة، والتي سيتم استخدامها لتحسين كفاءة عمليات تصنيع أشباه الموصلات وأداء المنتج (وليس للكشف عن المنتجات المعيبة).

02 اختبار تقادم الرقاقة

يأتي معدل عيوب أشباه الموصلات من جانبين، وهما معدل عيوب التصنيع (أعلى في المرحلة المبكرة) ومعدل العيوب في دورة الحياة بأكملها. يشير اختبار تقادم الرقاقة إلى اختبار الرقاقة تحت درجة حرارة معينة وجهد تيار متردد/مستمر لاكتشاف المنتجات التي قد تحتوي على عيوب في المرحلة المبكرة، أي لتحسين موثوقية المنتج النهائي من خلال اكتشاف العيوب المحتملة.

03 الكشف

بعد اكتمال اختبار التقادم، يجب توصيل شريحة أشباه الموصلات بجهاز الاختبار باستخدام بطاقة مسبار، ومن ثم يمكن إجراء اختبارات درجة الحرارة والسرعة والحركة على الرقاقة للتحقق من وظائف أشباه الموصلات ذات الصلة. يرجى الاطلاع على الجدول للحصول على وصف لخطوات الاختبار المحددة.

04 إصلاح

يعد الإصلاح أهم خطوة اختبارية لأنه يمكن إصلاح بعض الرقائق المعيبة عن طريق استبدال المكونات التي بها مشاكل.

05 التنقيط

تم فرز الرقائق التي فشلت في الاختبار الكهربائي في الخطوات السابقة، لكنها لا تزال بحاجة إلى وضع علامة عليها لتمييزها. في الماضي، كنا بحاجة إلى وضع علامة على الرقائق المعيبة باستخدام حبر خاص للتأكد من إمكانية التعرف عليها بالعين المجردة، ولكن الآن يقوم النظام بفرزها تلقائيًا وفقًا لقيمة بيانات الاختبار.

الخطوة 8: التغليف

بعد العمليات العديدة السابقة، ستشكل الرقاقة رقائق مربعة ذات حجم متساوي (تُعرف أيضًا باسم "الرقائق المفردة"). والشيء التالي الذي يجب فعله هو الحصول على رقائق فردية عن طريق القطع. تعتبر الرقائق المقطوعة حديثًا هشة للغاية ولا يمكنها تبادل الإشارات الكهربائية، لذا يجب معالجتها بشكل منفصل. هذه العملية هي عملية التغليف، والتي تتضمن تشكيل غلاف واقي خارج شريحة أشباه الموصلات والسماح لها بتبادل الإشارات الكهربائية مع الخارج. تنقسم عملية التغليف بأكملها إلى خمس خطوات، وهي نشر الرقاقة، وإرفاق شريحة واحدة، والتوصيل البيني، واختبار القولبة والتعبئة.

01 منشار الويفر

من أجل قطع عدد لا يحصى من الرقائق المرتبة بكثافة من الرقاقة، يجب علينا أولاً "طحن" الجزء الخلفي من الرقاقة بعناية حتى يفي سمكها باحتياجات عملية التعبئة والتغليف. بعد الطحن، يمكننا القطع على طول الخط الكاتب على الرقاقة حتى يتم فصل شريحة أشباه الموصلات.

هناك ثلاثة أنواع من تكنولوجيا نشر الويفر: القطع بالشفرة، والقطع بالليزر، والقطع بالبلازما. التقطيع بالشفرة هو استخدام شفرة ماسية لقطع الرقاقة، والتي تكون عرضة لحرارة الاحتكاك والحطام وبالتالي إتلاف الرقاقة. يتميز التقطيع بالليزر بدقة أعلى ويمكنه بسهولة التعامل مع الرقائق ذات السماكة الرفيعة أو المسافات الصغيرة بين خطوط الكاتب. يستخدم تقطيع البلازما مبدأ النقش بالبلازما، لذا فإن هذه التقنية قابلة للتطبيق أيضًا حتى لو كان تباعد أسطر الكاتب صغيرًا جدًا.

02 مرفق رقاقة واحدة

بعد أن يتم فصل جميع الرقائق عن الرقاقة، نحتاج إلى إرفاق الرقائق الفردية (الرقائق المفردة) بالركيزة (إطار الرصاص). وتتمثل وظيفة الركيزة في حماية رقائق أشباه الموصلات وتمكينها من تبادل الإشارات الكهربائية مع الدوائر الخارجية. يمكن استخدام المواد اللاصقة السائلة أو الصلبة لربط الرقائق.

03 الربط البيني

بعد توصيل الشريحة بالركيزة، نحتاج أيضًا إلى توصيل نقاط الاتصال الخاصة بالاثنين لتحقيق تبادل الإشارات الكهربائية. هناك طريقتان للتوصيل يمكن استخدامهما في هذه الخطوة: ربط الأسلاك باستخدام أسلاك معدنية رفيعة وربط الرقاقة باستخدام كتل ذهبية كروية أو كتل من الصفيح. يعد ربط الأسلاك طريقة تقليدية، ويمكن لتقنية ربط الرقائق المقلوبة تسريع عملية تصنيع أشباه الموصلات.

04 صب

بعد الانتهاء من توصيل شريحة أشباه الموصلات، تكون هناك حاجة إلى عملية قولبة لإضافة حزمة إلى الجزء الخارجي من الشريحة لحماية الدائرة المتكاملة لأشباه الموصلات من الظروف الخارجية مثل درجة الحرارة والرطوبة. بعد تصنيع قالب التغليف حسب الحاجة، نحتاج إلى وضع شريحة أشباه الموصلات ومركب صب الإيبوكسي (EMC) في القالب وإغلاقه. الشريحة المختومة هي الشكل النهائي.

05 اختبار التغليف

يجب أيضًا على الرقائق التي حصلت بالفعل على شكلها النهائي أن تجتاز اختبار العيب النهائي. جميع رقائق أشباه الموصلات النهائية التي تدخل الاختبار النهائي هي رقائق أشباه الموصلات النهائية. سيتم وضعهم في معدات الاختبار وضبط ظروف مختلفة مثل الجهد ودرجة الحرارة والرطوبة للاختبارات الكهربائية والوظيفية واختبارات السرعة. يمكن استخدام نتائج هذه الاختبارات للعثور على العيوب وتحسين جودة المنتج وكفاءة الإنتاج.

تطور تكنولوجيا التعبئة والتغليف

مع انخفاض حجم الرقاقة وزيادة متطلبات الأداء، خضعت التعبئة والتغليف للعديد من الابتكارات التكنولوجية في السنوات القليلة الماضية. تتضمن بعض تقنيات وحلول التغليف ذات التوجه المستقبلي استخدام الترسيب في العمليات الخلفية التقليدية مثل التغليف على مستوى الرقاقة (WLP)، وعمليات الارتطام وتقنية طبقة إعادة التوزيع (RDL)، بالإضافة إلى تقنيات الحفر والتنظيف للواجهة الأمامية. تصنيع الرقاقة.

ما هو التغليف المتقدم؟

تتطلب التعبئة التقليدية قطع كل شريحة من الرقاقة ووضعها في قالب. التغليف على مستوى الرقاقة (WLP) هو نوع من تكنولوجيا التغليف المتقدمة، والتي تشير إلى التعبئة المباشرة للرقاقة التي لا تزال على الرقاقة. تتمثل عملية WLP في التعبئة والاختبار أولاً، ثم فصل جميع الرقائق المشكلة عن الرقاقة في وقت واحد. بالمقارنة مع التغليف التقليدي، فإن ميزة WLP هي انخفاض تكلفة الإنتاج.

يمكن تقسيم العبوات المتقدمة إلى عبوات ثنائية الأبعاد وتغليف 2.5D وتغليف ثلاثي الأبعاد.

عبوة أصغر ثنائية الأبعاد

كما ذكرنا سابقًا، فإن الغرض الرئيسي من عملية التغليف يشمل إرسال إشارة شريحة أشباه الموصلات إلى الخارج، وتكون النتوءات المتكونة على الرقاقة هي نقاط الاتصال لإرسال إشارات الإدخال / الإخراج. وتنقسم هذه المطبات إلى مروحة للداخل ومروحة للخارج. الشكل الأول على شكل مروحة يقع داخل الشريحة، والثاني على شكل مروحة يقع خارج نطاق الشريحة. نسمي إشارة الإدخال/الإخراج I/O (الإدخال/الإخراج)، ويسمى عدد الإدخال/الإخراج عدد الإدخال/الإخراج. يعد عدد الإدخال/الإخراج أساسًا مهمًا لتحديد طريقة التغليف. إذا كان عدد الإدخال/الإخراج منخفضًا، فسيتم استخدام التغليف المروحي. نظرًا لأن حجم الرقاقة لا يتغير كثيرًا بعد التغليف، فإن هذه العملية تسمى أيضًا التغليف على نطاق الرقاقة (CSP) أو التغليف على مستوى الرقاقة (WLCSP). إذا كان عدد الإدخال/الإخراج مرتفعًا، عادةً ما يتم استخدام التغليف المروحي، وتكون طبقات إعادة التوزيع (RDLs) مطلوبة بالإضافة إلى المطبات لتمكين توجيه الإشارة. هذا هو "التغليف على مستوى الرقاقة (FOOWLP)."

التعبئة والتغليف 2.5D

يمكن لتقنية التغليف 2.5D وضع نوعين أو أكثر من الرقائق في حزمة واحدة مع السماح بتوجيه الإشارات بشكل جانبي، مما قد يزيد من حجم الحزمة وأدائها. تتمثل طريقة التغليف 2.5D الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في وضع شرائح الذاكرة والمنطق في حزمة واحدة من خلال وسيط السيليكون. تتطلب التعبئة والتغليف 2.5D تقنيات أساسية مثل عبر السيليكون (TSVs)، والمطبات الدقيقة، وRDLs ذات الملعب الدقيق.

تغليف ثلاثي الأبعاد

يمكن لتقنية التغليف ثلاثي الأبعاد وضع نوعين أو أكثر من الرقائق في حزمة واحدة مع السماح بتوجيه الإشارات عموديًا. هذه التقنية مناسبة لرقائق أشباه الموصلات ذات عدد الإدخال/الإخراج الأصغر والأعلى. يمكن استخدام TSV للرقائق ذات أعداد الإدخال/الإخراج العالية، ويمكن استخدام ربط الأسلاك للرقائق ذات أعداد الإدخال/الإخراج المنخفضة، وفي النهاية تشكيل نظام إشارة يتم فيه ترتيب الرقائق عموديًا. تشمل التقنيات الأساسية المطلوبة للتغليف ثلاثي الأبعاد تقنية TSV وتقنية الصدمات الصغيرة.

حتى الآن، تم تقديم الخطوات الثماني لتصنيع منتجات أشباه الموصلات "معالجة الرقاقات - الأكسدة - الطباعة الحجرية الضوئية - النقش - ترسيب الأغشية الرقيقة - التوصيل البيني - الاختبار - التغليف" بشكل كامل. من "الرمل" إلى "الرقائق"، تؤدي تكنولوجيا أشباه الموصلات نسخة حقيقية من "تحويل الحجارة إلى ذهب".

VeTek Semiconductor هي شركة صينية محترفة لتصنيعطلاء كربيد التنتالوم, طلاء كربيد السيليكون, الجرافيت الخاص, سيراميك كربيد السيليكونوسيراميك أشباه الموصلات الأخرى. تلتزم VeTek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات SiC Wafer لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كنت مهتما بالمنتجات المذكورة أعلاه، فلا تتردد في الاتصال بنا مباشرة.  

الجوال: +86-180 6922 0752

واتساب: +86 180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com