劉俊賢 / 工研院機械所工程師
張方 / 工研院機械所構裝設備部經理
莊健三 / 工研院機械所半導體製程設備組組長
#P#前言
1966年台灣跨入封裝產業，三十年來的持續成長，創造了重要的經濟成果，然而，面對第三次半導體產業變革的衝擊，台灣半導體產業的因應之道，首重分析台灣所扮演的角色與地位。在專業的能力上，台灣東邊有美國與日本的產品及技術支援；在地緣的關係上，台灣西邊有大陸與東南亞的市場及通路，以此交融互補的作用之下，造就了台灣東西整合、服務至上的半導體產業體系。即使在1998年相當不景氣的年頭中，台灣依然能夠突破200家廠商的規模，台灣半導體產業的體系中，目前擁有超過80家IC設計公司、20家晶圓製造廠、23家IC封裝廠、16家IC測試公司，以及許許多多的週邊設備供應與技術支援廠商，這種規模較小、資源集中、專長分工、前後段技術整合的經營型態，與國際同業之大型專業分工體系截然不同，但卻創造了優異的成績，使台灣具備不可忽視的發展實力與潛力。因而，在全球半導體科技領域中，台灣的半導體產值表現，僅次於美國、日本、韓國，位居全球第四重要的地位；而台灣的半導體設備需求市場，亦僅次於美國與日本，成為全球排名第三的，足見台灣在半導體供需市場中所展現的實力。
#P#銲線製程的重要性
銲線製程(Wire Bonding)是半導體封裝製程中的重要步驟之一，主要是將完成黏晶(Die Bonding)製程的導線架(Lead Frame)或基板(Substrate)，以銲線機進行晶片與導線架之間的電路連結，連接的介質有金線 (Gold Wire)、鋁線(Aluminum Wire)、銅線(Copper Wire)…等，連接的方式則有Ball Bond、Wedge Bond …等等。在First-Level構裝製程中，除了銲線製程可行之外，其它尚有覆晶(Flip-Chip；FC)技術、自動貼膠技術(Tape Automated Bonding；TAB)，而目前銲線技術仍屬最大宗需求，約佔九成的市場，而其中又有幾近90%為Ball Bond的型式，銲線技術的主要作用是在連結晶粒到基板、基板到基板，或者基板到Package 之間的電路。在銲線機的連結方式中，Ball Bond的生產力較高、對環境及導線架表面的要求也較高；而Wedge Bond則較常用於不可加熱的場合、構裝空間受限的場合、也較易達成腳距密集化(Fine Pitch)的目標。
#P#腳距密集化(Fine Pitch)銲線機技術發展
當今IC發展的主要方向包括低耗電、省空間、短工期、高功能、低成本…等等，在晶片腳距的發展部份，SIA預估的發展趨勢如表一所示。
#F#表一：晶片腳距(Chip Interconnect Pitch)發展預測表 單位：μm
銲線機設備積極朝向腳距密集化的方向發展，於是，1998年誕生了可處理腳距為45μm的銲線機，1999年的Semicon West更出現可處理35μm腳距的銲線機。分析Fine Pitch銲線機的技術發展，主要的方向及發展狀況整理如下：
■高銲線腳數(High Pin Count)：208、300或更高
■高速化(High Speed)：銲線速度≦0.11 sec/2mm wire length。先進的機種中，如Toshiba HN-940H FAB、K&S 8020、Kaijo FB137的速度更可高達0.095 sec/wire。
■腳距密集化(Fine Pitch)：銲線間距≦70μm，先進的機種如K&S 8028 已達量產腳距60μm的能力，另有某廠牌之銲線機，具備腳距密集到35μm的處理能力。
■更長的銲線路徑(Loop Length)：銲線長度≧5mm，甚至如ASM AB339最大銲線路徑高達8mm的範圍。
■更低的路徑高度(Loop Height)：銲線高度≦130μm
■更高的精度(High Accuracy)：銲線精度≦±5μm，先進的機種多已具備±4μm的銲線精度，甚至如Kaijo FB137在視覺系統更換下，銲線精度可以高達 ±3.5μm。
■更大的銲接範圍：銲線範圍≧50mm X 50mm，直逼 60mm X 60mm，以因應更高腳數及Hybrid的銲接。
■更低的價位(Low Cost)：一般機種在新台幣200萬元以下；先進機種則仍定位於新台幣250～300萬元的價位。
■更高的銲線穩定性(Stability)：銲線偏擺量(Sweep) ≦ 一個金線線徑、更穩定的結球(Free Air Ball)、更佳的路徑控制(Loop Development)...等等。
■更高的銲線可靠度(Reliability)。
■更多的銲接選擇：適用於金線、銅線之銲線機，以及可銲接於鋁墊(Al Pad)與銅墊(Copper Pad)之銲線機。

底下為針對各廠家的銲線機所做的一份參考用的比較表：
#F#比較表
在腳距密集化的過程中，對Ball Bond銲線機而言，第一步是慎選適合的金線，結合穩定電壓與電流控制之放電結球系統(Electric Frame Off；E.F.O.)，製造出穩定的線尾結球(Free Air Ball)；再配以適當的鋼嘴 (Capillary)，以及銲線參數的設定來進行銲墊金球 (Smashed Ball)的大小；並在銲線精度(Bonding Accuracy)之主導下，決定銲墊之尺寸(Pad Size)；同時於銲墊間距(Pad Space)決定之後，便可確定腳距 (Pad Pitch)的大小；最後，結合XY軸運動控制、Z軸之運動及力量控制，以及軟體的銲線路徑控制，進行密集腳距的銲線動作，控制最終銲線結果的穩定性；另外，對Wedge Bond銲線機而言，由於沒有線尾結球之步驟，腳距密集化將是努力的方向所在，唯須克服銲線速度上較慢的缺點，以及Z軸在多了一個旋轉軸之下，所造成的機械結構與運動特性的影響。然而，不論是那一種型式的銲線機，為了達成腳距密集化的目的，都必須結合機械、電控軟體、電控硬體…等等技術，以更精密的機械結構與運動、更快速及更穩定的控制…等等來達成。
關鍵模組技術開發是銲線機腳距密集化機種產出的前置工程，關鍵模組包括有XY精密定位滑台、銲線Z軸模組、視覺系統模組、高頻超音波模組、放電結球模組…等等，研發的過程中包括模組的規劃、設計、製造、測試，並須經過嚴謹的驗證過程，方能開始導入銲線機之中，進行模組的替換工程，逐一完成模組的導入之後，再進行全機的整合，構建出新一代的銲線機。底下為高頻超音波系統的驗證結果範例，圖一為超音波桿(Horn)與振動子(Transducer)結合之下做的應變能分析，做為設計結果的驗證；圖二則為超音波系統最終組合的「頻率-阻抗分析圖」，整個系統包括：超音波桿、振動子、鎖緊螺絲(Bolt)、基座(Holder)、鋼嘴(Capillary)，用以進行模組系統的整合驗證。
#F#圖一：超音波應變能分析圖
#F#圖二：超音波系統頻率-阻抗分析圖
#P#國內產官學努力方向
銲線機是一部精度與速度要求等級相當高的設備，台灣的產官學界積極的投入生產以及研究發展：在產業界部份，除了積極的投入生產的行列之外，也陸續展開構裝設備自主設計製造的推動，例如：均豪精密工業、華東半導體工業…等等，其中，華東半導體工業是在經濟部科技專案之技術引進計畫「銲線機設計、製造、組裝與測試」執行完成之後，所成立的合資公司，目標之一即在推動銲線機的國產化；在科技專案部份，經濟部持續推動半導體製程設備技術發展，例如「半導體製程設備技術發展」五年計畫之「半導體構裝設備技術發展」分項計畫下的子計畫「銲線機關鍵技術」，即為針對銲線機技術的科技專案；在學界部份，國科會研究計畫中的「高速自動銲線機之研究」整合型計畫，下分有五個子計畫，第一階段為期2.5年；持續進行之第二階段整合計畫為「電子構裝熱音波銲金線製程研究」，下轄有五個子計畫，為期3年，是為推動銲線機研究的學術研究計畫。上述的推動方案中所涉及的層面包括有：基本技術的研究、關鍵技術的研發、系統整合與測試…等等，如能在人力、設備、技術…等資源上進行整合，建立起研發的團隊，然後密切的配合與推動，必能在這產官學通力合作的情況下，大步的朝銲線機自主設計生產的方向邁進，早日推出國產之銲線機，進一步的研發出先進之腳距密集化銲線機。
#P#應用與展望
銲線機的發展過程中，由於Ball Bond的速度上較快，又能滿足早期的IC晶片之腳距需求，故IC銲線機盡為Ball Bonder的天下，然而，隨著腳距的密集化發展，Ball Bonder所面臨的挑戰愈加嚴苛，Ball Bond技術發展上幾乎已經到達了性能上的極限，線尾金球的結球穩定性、鋼嘴的設計與選用、超音波的穩定性、機械運動與結構的特性…等等，都是必須克服的技術瓶頸，即使成功的推出腳距密集化機種，亦得考慮如此細的腳距下，所用的鋼嘴能夠具有多少次數的使用壽命、密集腳距的晶片產量需求有多少…等問題；若從另一個觀點來看，Wedge Bond的銲接方式，雖然速度上較慢、空間要求較大，然其不必對導線架進行加熱的製程、對環境潔淨的要求較具彈性、無線尾結球的製程…等，對於腳距密集化銲線機的實現，提供了一個新的發展方向，突破Ball Bonder目前所面臨之困難點，達成45μm以下之腳距銲接的機會逐漸的浮現。
隨著晶圓層級構裝(Wafer Level Package)技術的逐漸成熟，銲線製程開始接受新一代製程挑戰，積極的尋找新的發展方向已成重要的課題之一。晶圓級的銲線機(Stud Bump Bonder)直接在晶片上的銲墊打上金球(Au Bump)，如圖三所示，速度上約4～6bumps/sec，腳距約為85μm，應用於覆晶前的晶片長Bump製程，一般定位在腳數小於400個I/O點的IC，此需求為現有銲線機帶來另一機會。
#F#圖三：晶圓級構裝連結方式
銅製程晶片製作為先進技術之一，晶片上的銲墊由銅墊取代傳統的鋁墊，銅墊具有較佳的導電性、適用於更微細的製程(<0.18μm)、更小的雜訊效應…等特性，主要的發展方向著眼於配合覆晶製程，IBM的Power PC已開始量產此種晶片，然而，未來仍有希望會藉助傳統銲線機進行銅晶片的銲線製程，唯必須克服的困難點仍有許多，例如：銅墊的氧化問題、銅墊質地較軟之特性…，銲線機在設備的適應上多有發揮的空間，此亦為銲線機發展的可能方向之一。
展望銲線機的發展，除了腳距密集化機種的研究發展之外，結合更先進製程技術的需求，適時的更新銲線機設備的研發方向，是為持續銲線機應用的不二法門，如此，方得以讓這成千上萬在構裝廠中的銲線機雄兵，繼續為構裝製程善盡一分心力。
#P#參考資料
1.S. Schneeberger,“Wire Bonding”,Advanced Packaging, April, 1999.
2.PRISMARK Partners LLC,“1999 Technolog