全球汽车“芯荒”谁来渡劫?半导体芯片精密清洗已就位!

发布时间: 2021年03月04日 浏览次数:606

进入2021,全球芯片继续短缺。

半导体芯片不只是智能手机和电脑的心脏,也是新车的关键零组件。芯片控制引擎和废气排放,甚至控制车窗升降的开关,是汽车制造的“神经中枢”。

在智能化趋势下,汽车行业成为半导体细分领域成长最快的市场之一,也从性能、安全、整合性等多个层面,对半导体芯片供应商提出了新的挑战。即便传统汽车将成为昨日黄花,也还有新能源汽车如火如荼地进行着,其半导体芯片——高压电机控制芯片、IGBT芯片模块、 BMS电池管理系统芯片、DC-DC开关电源芯片模块以及自动驾驶上的处理器、通讯芯片成为其核心元器件。不同于智能手机和电脑芯片,汽车芯片追求的是可靠性、安全性和长效性。为了汽车芯片的品质和高可靠性,在制造中、封装前需要引入精密清洗工序。

 

表面污染物对芯片影响

 

一张硅片要生产成为一个完整的芯片,需要在一两个月内的时间通过400-500个工序,其中清洗工程占据了其中的30%左右。在执行晶圆的前段工艺过程(FEOL)和后段工艺过程(BEOL)时,晶圆需要经过无数次的清洗步骤,清洗的次数取决于晶圆的设计和互连的层数。特别是前段工艺中清洗极其重要的是表面粗糙度和保持栅氧的完整性。过于粗糙会改变器件的性能,损害器件上面沉积的均匀性。

芯片制造过程中会在芯片表面出现4大污染问题:颗粒、有机残留物、无机残留物和需要去除的氧化层。如果不对芯片表面上“无微不至”的污染物进行清除,会严重影响芯片的质量和成品率。对汽车芯片而言,直接关乎到可靠性和持久性。

图源:ZESTRON

制造环境以及其他工艺工程中的颗粒会影响后续光刻、干法刻蚀工艺,造成器件短路;环境中的自然氧化物影响后续氧化、沉积工艺,造成器件电性失效;从工艺制造环境中来源的金属污染物会影响后续氧化工艺,同样造成电性失效。还有,下法刻蚀的有机物、策划与沉积工艺中的牺牲层、研磨抛光射液中的残留物同样影响后续特定工艺,造成电性失败。

 

芯片制程中主流清洗工艺

 

硅片的精密清洗方式为RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、超声波清洗法、气相清洗法、等离子清洗等,这些方法为了保证精密清洗的效果,可根据实际的制程进行相应的选择。这些方法中,属于湿法类的清洗方式占据了芯片制造清洗步骤数量的主流。

在湿法清洗工艺路线下,目前主流的清洗设备主要包括单晶圆片清洗设备、批量式槽式清洗设备等,且单片清洗逐渐取代批量清洗。单片晶圆清洗的方法为整个制造周期提供了更好的工艺制程,改善了单片晶圆的均衡性,进而提高了良率,以减小关键清洗过程中的交叉污染。而如果采用槽式批量处理方法,每个晶圆质量都可以被无处不在的污染物所殃及。进而危及整批晶圆的良率,这将导致芯片制造商高成本的返工。这是汽车芯片制造的大忌!

UltraCVI单晶圆清洗设备

UltraCVI单晶圆清洗设备 图源:ACM

由于清洗工艺过程不仅要剥离晶圆表面的光刻胶,同时还必须去除复杂的蚀刻残余物质、金属碎屑颗粒以及其它污染物等,因此,需要更新、更精细甚至更有利于环保的化学试剂。而且这些工艺过程和化学试剂必须与铜、低k电介质和其它新型材料兼容。单晶圆清洗技术处理也更适于向铜和低k值电介质等新型材料过渡。

由于半导体芯片非常容易受到污染,所以工艺用水必须经过相应的处理,达到一定的洁净度要求。普通的自来水中会含有矿物质、盐分、有机物等,这些物质都会对晶圆产生重大的影响。因此,晶圆用水会通过反渗透和离子交换系统去除水中的离子,去除离子之后的水通常称为去离子水。并通过紫外线来灭掉水中的细菌。

PMT-2电子级液体颗粒计数器

PMT-2电子级液体颗粒计数器 图源:普洛帝

 

汽车半导体封装前清洗

 

汽车半导体封装前通常会使用助焊剂和锡膏等作为焊接辅料,这些辅料在焊接过程或多或少都会有部分残留物,还包括制程中沾污的指印、汗液、角质和尘埃等污染物。同时,功率器件和半导体的引线框架组装了铝、铜、铂、镍等敏感金属等相当脆弱的功能材料。

这些敏感金属和特殊功能材料对清洗剂的兼容性提出了很高的要求。一般情况下,材料兼容性不好的清洗剂容易使敏感材料氧化变色或溶胀变形或脱落等产生不良现象。水基清洗剂则是针对引线框架、功率半导体器件焊后清洗开发的材料兼容性好、清洗效率高的环保清洗剂,将焊锡膏清洗干净的情况下避免敏感材料的损伤。

 

全球汽车为何如此“缺芯”

 

到了今年,芯片短缺的问题伴随着新冠疫情、国外部分地区天灾人祸而日益加剧。由于全球性汽车芯片短缺的影响,大众、通用、福特、丰田、Stellantis等众多汽车制造商都受到影响。很多大型汽车制造公司更是因为芯片短缺的问题而不得不调整今年的全年生产计划。

打造一个汽车芯片所需要的晶圆工厂需要大约40亿美元。而且更关键的是,成本和良率在开始时候都巨高无比,这类芯片的成本假设初始值为四千美元,五年后能下降一半。从良率上看,一开始只有大约一半的芯片可以工作,两到三年后,良率提高到90%。另外,车用芯片认证成本高,且汽车作为耐用品使用周期较长,短期内无法解决的芯片短缺问题。

资料显示,国内汽车芯片对进口的依赖程度较高,国内芯片产业规模只占全球比例大约5%,远低于国内汽车产业规模占据全球比例33%的份额。三星、英特尔、高通、英伟达、赛灵思是全球顶级的芯片企业。在国内自主车企中,最具前瞻性的是比亚迪,十年前就已经开始研发制造芯片,现在已经有了向外供应的能力。在主控芯片领域,华为基于昇腾、昇腾、麒麟系列芯片实现了汽车智能计算平台的完整布局,地平线率先将AI芯片实现量产上车。

比亚迪开发的IGBT 4.0

比亚迪开发的IGBT 4.0

工信部已指导编制《汽车半导体供需对接手册》并发布,且工信部将支持企业持续提升集成电路的供给能力,加强供应链建设,加大产能调配力度。这被视为部委为应对汽车产业芯片短缺局面的举措。

中国汽车芯片产业的突破和强大并非一朝一夕之功,需要立足当下,遵循产业发展的客观规律,警惕毕其功于一役的投机思维,防止出现投资过热和盲目低水平重复建设,紧抓智能网联和新能源发展机遇,才能实现从单点突破到生态突围。