製造程序規劃 修訂版 MANUFACTURING TECHNOLOGY 第 19 章 1013A

第二十一章 半導體零件製造 21-1 引言 每件工業製造產品包含： 一、電子零件 二、用電子裝置來設計及製造

21-1引言 電子產品實例 一、 文字處理機：用來寫句子 含蓋的製造 ▪半導體基本科技 ▪電子控制模塑法製造塑膠鍵盤 ▪用微處理機控制機器製造個別零件的 裝配

21-1引言 電子產品實例 二、 汽車： ▪汽車用電腦設計 ▪用微處理機控制機器人來裝配 含蓋的製造項目： 。電子點火 。 儀表 。燃燒控制系統

21-1引言 電子產品實例 三、電信系統 含蓋的製造項目： 。地面通訊設備 。微波 。人造衛星 以上的產品，沒有電子就無法操作

21-1引言 ▪20世紀初沒有電子工業，1947發明電晶體 ▪半導體快速發展，1960年代，只靠一片矽材料“晶片”即可生產下列產品： 。電晶體 。二極體 。電阻器 。電容器 這些稱為“積體電路”

21-1引言 ▪ 1980年中期，只在單一晶片上就可生產一百萬個元件，也就是非常大的積體電路 ▪ 1970年，積體電路和計算功能連結生產，就是“微處理機” ▪ 1980年中期，只在單一晶片上就可生產一百萬個元件，也就是非常大的積體電路 ▪緊接著的發展將涉及到在一晶片上就有上千上百萬的元件，稱為十億積體電路 ▪電路線寬要低於1μm，製造很困難

21-2 半導體零件製造﹙Semiconductor component manufacture﹚ ▪半導體概念： 。半導體材料是因其電子性質是位於導電體與絕緣體間 。使其有用是本身具有的電子性質，藉著謹慎增加晶體結構摻雜劑的數量而有所改變

21-2 半導體零件製造 ▪半導體概念 。摻雜劑的型態 1. “n”型：使材料電子豐富 2. “p”型：使材料電子不足 21-2 半導體零件製造 ▪半導體概念 。摻雜劑的型態 1. “n”型：使材料電子豐富 2. “p”型：使材料電子不足 。零件在半導體材料的晶體結構決定於選 擇摻雜 例如：將“n”型元素與“p”型元素接觸，就產生p-n結合，即產生二極接合，此結構將引導電流只有一個方向

21-2 半導體零件製造 ▪半導體概念 。半導體零件如電晶體和二極體以離散元件生產，適用在很多的產品，像電視機和收音機 21-2 半導體零件製造 ▪半導體概念 。半導體零件如電晶體和二極體以離散元件生產，適用在很多的產品，像電視機和收音機 。離散元件應用在動力傳送，處理大量電流 。技術上最複雜的是大量半導體集中在一片，即所稱的積體電路﹙IC﹚

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚ 3.積體電路的包裝﹙Packaging of Integrated circuits ﹚

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 。半導體元件製造最常用的材料是“矽” 。矽氧化後﹙二氧化矽﹚是最好的絕緣體，可用來隔離晶片上的零件及元件 。因為“矽”產量極為豐富，比稼砷化物便宜，至今仍是最受歡迎的襯底材料

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 。矽存在碤砂裡，即二氧化矽，製造前要先淨化，使其變成無瑕疵晶體供晶片製造。

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 矽的淨化程序： a.用碳亦即煤或焦煤在電弧爐加熱，以生產出含97%純度的多晶矽 b.再次加熱，以氯化物分餾及蒸汽堆積，產生100%純度的多晶矽 c. 將100%純度的多晶矽在石英坩堝裡熔化

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 矽的淨化程序： d.在石英坩堝裡熔化的多晶矽，也可加入摻雜劑 e.可將矽的品種滴入溶液，在旋轉時慢慢移開，晶種外層的溶化材料凝固形成更大的晶體，稱為“布雷” f.布雷直徑約公尺長約公尺其結晶長成的方法稱為“克羅克拉爾斯基﹙Czochralski﹚法”

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 矽的淨化程序： g.要檢查布雷有無瑕疵，測試電子特性，去除不良部分 h.晶體長成法並沒有控制直徑規格，此時轉動並研磨布雷，產生精確的圓柱體，直徑在50-150mm，長1公尺

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟 1.結晶長成﹙Crystal growing﹚ 矽的淨化程序： i.續用鑽石鋸切成約0.5mm厚的晶片，這些晶片要磨光並檢查在鋸的時後是否造成傷害，有就要棄除 j.晶體長成和晶片生產都是由專門公司製造，因此最後的步驟是包裝晶片，並分送到零件製造工廠。

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚ 積體電路生產上有許多基本步驟，實際的生產過程，這些步驟會重複，在一晶片上生產數個不同電路層、摻雜區、以及電子間之相互連接。其生產步驟如下：

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 a.光平版印刷術（photolithography） 1. 傳統機製法無法在一公分平方的矽片上生產一百萬個元件，要求助感光技術，即使在此，一般光線也無法使用，因其波長大約是從0.4μm到低於0.8μm，對這些電路來說，又太過粗略 2.最佳解決之道乃使用約0.1μm的紫外線或約0.000001μm的電子束

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 a.光平版印刷術（photolithography） 3.光平版印刷術涉及電路的印刷模型及光罩元件。因為每片矽晶片可生產大量的積體電路，模型在一個光罩上又可重複使用 4.光罩是靠電腦輔助設計﹙CAD﹚系統所產生的資訊在玻璃上感光製成

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 a.光平版印刷術（photolithography） 5.模型的影像從光罩投影到先前塗上光感膜的矽晶片上。此膜稱為光阻劑﹙photoresist﹚，一旦碰到紫外線或電子束，在蝕刻溶液裡就會產生較多“正光阻劑”或少“負光阻劑” 6.經過紫外線或電子束的曝光後，經由蝕刻處裡的晶片，會留下曝光表面的適當部分 7.應用層級製造，曝光表面就容易用氧化、摻雜物擴散、蒸汽堆積或進一步蝕刻處理 8.IC的設計會決定這些製程的進行，在每個步驟間，光平版印刷法是用來生產新的模型

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 b.氧化﹙oxidation﹚ 1.二氧化矽是最佳絕緣體，可有效阻斷摻雜劑擴散，強力附著在矽襯底

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 b.氧化﹙oxidation﹚ 2.建立矽襯底的氧化模型。程序如下： 。乾氧化：矽襯底暴露在多氧氣氛的爐子內，溫度大約是攝氏900度到1200度，此法造成矽表面氧化 。溼氧化：在含蒸汽的大氣中進行，會高速氧化但密度很低 。乾濕過程併用：將矽清洗後，氧化表面塗上已在約攝氏100度的爐子預烘過的光阻材料，即可進行先前提過的光平版印刷術

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 c.化學蒸汽堆積與摻雜劑擴散﹙Chemical vapour deposition and dopant diffusion﹚ 此法是用來生產在襯底的P型及N型半導體區域，將襯底置於堆積摻雜劑的化學蒸汽中，爐內溫度是攝氏800度到1200度，在爐內，原子從摻雜劑材料擴散到矽襯底，造成矽原子移位

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 d. 金屬蒸汽堆積﹙Metal vapour deposition﹚ 此法是用來生產導體，一般是用鋁和鋁合金，但用在高密度就需要鎢，再次使用光平版印刷術和蝕刻產生接合通道，因為金屬導體必須互通才能使積體電路運作 真空堆積方面是晶片置於熔化堆積材料的真空狀態，在真空狀態下，金屬在鄰近表面沸騰、堆積。此步驟很有組織，金屬蒸汽從溶液直線擴散，塗在表面上

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 2.積體電路生產﹙ Integrated circuit production﹚步驟 經由以上a-d的製程在晶片上進行無數次後，就產生積體電路，但要自動化測試，透過電腦程式掃瞄，將有瑕疵的積體電路用鑽石鋸片分開或在積體電路間劃線，並將其折斷如瓦片切割。在製程中此步驟稱IC為鑴模﹙dies﹚

21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 3.積體電路的包裝﹙Packaging of integrated circuits﹚ ▪個別鑴模很脆弱又容易折損，所以要有保護套 ▪保護套需要提供實際規格連接，使鑴模和電路在印刷電路板上接合 ▪藉著鑴模背面金屬化，使鑴模可附上保護套或包裝，再用軟焊將鑴模焊接到包裝的金屬板上，或是用環氧樹脂黏合 ▪鑴模的金屬化接觸襯墊是前述的蒸汽堆積法所產生，用壓力或超音波結合技巧，使接觸襯墊和包裝導線接合，然後封閉包裝，但必須確定沒有溼氣或污染

▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 21-2 半導體零件製造 ▪積體電路﹙Integrated circuit, IC﹚晶片的製造步驟： 3.積體電路的包裝﹙Packaging of integrated circuits﹚ 包裝完作最後測試，測試必須有高可信賴度，例如航空和軍事用途，包裝要測試高溫、溫度週期、震動等，以確保電路不會提早結束耐用年數 ，

21-3 潔淨室﹙Clean rooms﹚ 潔淨室概念 ▪積體電路規格是1μm以內，所以製造時雜質粒子的污染是很嚴重的問題。例如，人的頭髮直徑是30-100μm ，細菌是 0.3-30μm ，為了防止雜質粒子的污染，半導體製造室及其他精細裝配作業必須建立“潔淨室” ，確保環境清潔

21-3 潔淨室﹙Clean rooms﹚ 潔淨室概念 ▪污染的防止 2.為了確定只有乾淨空氣存在，所以在潔淨室和工廠外面間必須確定有正氣壓差。此壓力差可確定空氣只從潔淨室逃出，而外面空氣必須經過過濾系統才能進入 3.空氣進入潔淨室可以過濾，但人在潔淨室裡也是污染的主要來源。為了杜絕污染，操作員要穿戴外科面罩、手套、頭罩以及長袍

第二十二章 印刷電路板概論 22-1 印刷電路板製造﹙Printed circuit board manufacture﹚ 第二十二章 印刷電路板概論 22-1 印刷電路板製造﹙Printed circuit board manufacture﹚ 電子產品本身很少使用個別的積體電路，通常離散零件有操作特徵，防止小型化，舉例來說： 零件不可累積，像感應器、大型電阻器需要額外散熱，大型電容器、動力電晶體、分壓器、機械開關和其他積體電路，均需要一個方法可容納所有零件，使零件可彼此接合，也能與外界接合。印刷電路板﹙PCB﹚就提供了這個方法 印刷電路板適用不同型式和複合體，通常很硬，但有的又富彈性，用紙或玻璃強化塑膠樹脂製作，塗上銅箔，板面的導電軌道是由網板印刷或光平板印刷術及蝕刻所產生的。電路板可能是單邊﹙導電軌道只在一邊﹚、雙邊，也使用多層板

22-1 印刷電路板製造 印刷電路板製造的幾個重要程序 ●襯底製造﹙substrate manufacture﹚ 電路板襯底要在潔淨室製造，因為銅面上的任何污染會影響電路板在運作的功能，至於單邊和雙邊板，通常用電鍍生產的銅箔放在壓機裡高度磨光面的鋼板上 通常一台壓機有很多平板，所以在每次壓製過程可以生產數片的電路板。一般而言， 電路板的生產必須是標準規格，才能在後 面的步驟用於自動設備上。 ●預處理﹙pre-processing﹚ 是為 增加電路板的特性，以定位孔輔助電路板能依序在適當的位置；也需要用到選擇標籤來助於後面的自動操作，在每項步驟貼上條碼或字數元，給電路板附上特別標示。清洗後再進行下一步驟

22-1 印刷電路板製造 印刷電路板製造的幾個重要程序 使用蝕刻溶液如銅氯化物及鹽酸可去除曝光銅面 ●光平板印刷術﹙photolithography﹚ 光阻劑會塗在一層感光聚合物上，在兩片乾覆蓋薄膜間放入聚合物，並由軋輥供應。 移開一塊覆蓋膜使聚合物可直接作用到電路板上，第二塊薄膜可移可不移，直到下一個步驟，將電路板暴露在經由所需軌道佈置影像的光罩所投射的紫外線中 ●蝕刻﹙etching﹚ 使用蝕刻溶液如銅氯化物及鹽酸可去除曝光銅面 通常是在電路板上用噴霧比全部浸沒更能有效控制 蝕刻後再去除殘餘絕阻材料，在印刷電路板面上可以產生所要的銅軌道

22-1 印刷電路板製造 印刷電路板製造的幾個重要程序 ●鑽孔﹙drilling﹚ 是用來產生零件導線和銷所用的孔，鑽孔位置的精確性很重要，因為零件插入是自動操作 好多片電路板可同時鑽孔，鑽孔可由CNC操控 機械自動鑽孔的型式是根據設計電路板佈置的電腦輔助設計﹙CAD﹚系統所提供的資訊 ●電路板修整﹙board finishing﹚ 在電路板上有裸銅軌道和陸地﹙接觸點的四周拓寬軌道﹚ ，為了防止銅氧化，要加上焊劑塗層，可採用電鍍或軋輥鍍錫法

22-2 印刷電路板零件裝配﹙Assembling components to printed circuit boards﹚ a.零件型式﹙Component configurations﹚ b.導引零件的裝配法﹙Assembly methods for leaded components ﹚ c.表面安裝零件裝配法﹙Assembly methods for SMDS ﹚

22-2 印刷電路板零件裝配 a.零件型式 1.導引類：有軸、徑向或對偶導線 2.表面安裝類：沒有導線 22-2 印刷電路板零件裝配 a.零件型式 ●電子零件可分為： 1.導引類：有軸、徑向或對偶導線 2.表面安裝類：沒有導線 3.非標準類：非標準零件可能是邊接頭、開關、變壓器等， 通常離散電阻器有軸向導線，電晶體有徑向，積體電路為對偶導線 軸向及徑向導引零件通常用邊帶或鏈帶包裝，對偶導線零件用線性管匣包裝，以及表面安裝設備零件用泡帶或桿管包裝

22-2 印刷電路板零件裝配 b.導引零件的裝配法 ●用人工、自動化、或兩種方法均用，將電子零件裝配到印刷電路板上 ●人工裝配法是用在較短的生產流程，或是生產速率相當慢，每小時最高500個零件，或者各零件用其他方法很難裝配時才會採用 ●自動裝配用在大量生產，通常使用工業機器人，產量每小時約1800個零件可供裝配，又可隨意修改機器人的程式以符合產品需求，至於高速率生產，每小時最高可達30000個供自動裝配

22-2 印刷電路板零件裝配 c.表面安裝零件裝配法 兩種使用方法： ●第一種是黏合劑和波形焊接，這個方法在印刷電路板的適當點使用黏合劑 22-2 印刷電路板零件裝配 c.表面安裝零件裝配法 ●表面安裝零件沒有導線，需要不同的技術將零件安裝在印刷電路板上，也要使用焊接 兩種使用方法： ●第一種是黏合劑和波形焊接，這個方法在印刷電路板的適當點使用黏合劑 ●第二種方法稱為焊糊劑與再流動焊接法，在這個方法，焊劑是黏合劑也是導體，這個漿劑在焊劑裡確實是粉狀焊劑的懸浮物

22-3 結論 ●沒有覆蓋的區域是測試區，裝配完成需要經過不同測試 22-3 結論 ●電子零件和裝配的製造有很多方法，但是需要科學及工程學不同的資訊 ●沒有覆蓋的區域是測試區，裝配完成需要經過不同測試 ●特殊測試設備，人工視覺系統，以及可使電路板熱循環、 高濕度條件與震動等，均是用於確定產品可達到國際市場要求的高品質