2.2.3 集成電路生產線的工藝設計

集成電路產品主要分為數字電路和模擬電路兩大類。由于產品的品種和技術要求不同，因此需要不同的生產工藝。從線寬來區分，從較早的5μm到最新的7nm以下工藝；從加工襯底直徑來區分，主要有150mm、200mm、300mm以及未來的450mm。工程投資金額存在數千萬美元至數十億美元的差異，潔凈室面積也從數百平方米到數萬平方米不等，因此選擇適合的工藝技術及配套設備是工廠設計的基礎。工藝設計應按集成電路生產線的產品類型、每月最大產能、生產制造周期、投資金額、長期發展進程等因素確定生產的工藝技術和配套的設備。對于線寬在0.13μm及以上工藝的集成電路的研發和生產，宜采用150mm或200mm生產線。對于線寬在90nm及以下工藝的集成電路的研發和生產，宜采用300mm生產線。集成電路芯片的生產工藝十分復雜，工藝步驟可高達千步以上，譬如：前段工藝用于形成集成電路中的有源器件及無源元件，包括清洗、薄膜、光刻、刻蝕、離子注入等工序。后段工藝用于完成電路中元器件之間的連接及形成保護層等，包括光刻、刻蝕、清洗、金屬化、化學機械拋光等工序。進入后段工藝的硅片應避免與前段工藝混用設備，以免金屬離子等污染前段工藝中的硅片，造成電氣性能異常。

150mm生產線通常采用的是敞開式生產方式，操作區空氣中的塵埃會直接影響晶圓片電路的電氣性能，因此對操作區的潔凈度要求較高。為了節省運行費用，保證潔凈度要求，通常采用壁板將操作區與低潔凈度要求的設備區分開。隨著芯片加工尺寸向200mm及300mm發展，對于加工線寬的要求也越來越高，大面積高潔凈度的潔凈區的造價和運行成本越發昂貴，因此采用標準機械接口（Standard Mechanical Interface，SMIF）加微環境的生產方式成為200mm及300mm生產線的主流生產方式。對于早期的200mm生產線來說，大部分晶圓片的傳送、存儲和分發是通過人工操作完成的。目前多數200mm和300mm生產線設有自動化物料搬運系統（Automated Material Handing System，AMHS），其優點在于能夠有效地利用潔凈室空間、有效地管理生產中的芯片、有效地降低操作人員的負擔，進而減少在傳送晶圓片時的失誤。在一些300mm生產線，運輸系統可延伸到不同的生產區域，借助吊掛傳輸系統（Overhead Hoist Transfer，OHT），將芯片直接傳遞到設備端。未來AMHS系統還要在提高生產速度、縮短生產周期和快速適應芯片制造環境變化等方面進行持續改善，以適應和滿足芯片工廠的各種需求[1]。

隨著集成電路芯片制造技術的發展，對應的封裝技術也發展得十分迅速。封裝不僅起到集成電路芯片內鍵合點與外部進行電氣連接的作用，也為集成電路芯片起到機械或環境保護的作用，從而使集成電路芯片能夠發揮正常的功能并保證其具有高穩定性和可靠性。

20世紀80年代之前的主要封裝形式為通孔插裝，以TO型封裝和雙列直插封裝為代表，主要的工藝流程包括中測、減薄、劃片、粘片、包封、切筋成型、電鍍、打標、測試、包裝等。20世紀90年代后，球柵陣列封裝和芯片尺寸封裝發展迅速，主要的工藝流程包括中測、減薄、劃片、粘片、清洗、塑封、裝配、回流焊、打標、測試、包裝等，主要特點是縮小了引腳間距并采用底部安裝引腳的形式，大大促進了安裝技術的進步和生產效率的提高。20世紀90年代末，封裝技術進入了三維堆疊封裝時代。通過在垂直方向上將多層平面器件堆疊起來，并采用硅通孔技術在垂直方向實現通孔互連的系統級集成，可以減小封裝的尺寸和質量。還可以將不同的技術集成在同一封裝中，縮短互連導線的長度從而加快信號傳遞速度，降低寄生效應和功耗。近年來三維堆疊封裝得到了較快的發展，主要的工藝流程包括涂覆、光刻、濺射、再涂覆、電鍍、回流焊、測試、打標、包裝等。