从IC的封测层面看客户质量工程师(CQE)的重要性

摘要：传统的芯片销售方式是销售、现场应用工程师 (FAE) 介绍芯片会实现什么样的电性功能。但是对于客户来说, 这时芯片更像一个黑盒子，它具体是通过内部什么样的物理层架构得以实现外部的这些电性功能，客户并不十分了解。除此之外客户还关心产品在特定环境下的应用条件, 以及在此条件下的可靠性、一致性以及产品规模生产的可制造性。这就需要客户质量工程师(CQE)与客户沟通，了解到这些需求， 并通过对制造方法的控制，实现双赢。本文通过对Qorvo亚太区客户质量工程总监周寅的访谈，介绍了其RF、Filter等芯片的制程以及质量保证方法。

IC封装工艺

　　一个典型的IC制作过程主要分为三部分：第一步：SMT工序，就是被动元件(电容、电阻等)用SMT(表面贴装技术)的方法焊接在芯片的基板上;第二步：Die Attach(晶圆贴装)，即把主要的电路单元Die (晶圆) 贴装到基板上;第三步：Wire Bond(引线键合)，是用金线等键合的方式把电路连接起来。这样就形成了一个功能性IC。最后对芯片进行塑封以起到可靠性的作用。

　　值得说明的是，随着芯片集成度要求的不断提高，封装技术也在快速发展，今后IC用到金线键合的方式会逐渐减少，更多会用Flip Chip (晶圆倒贴技术)，这样会更好地满足芯片多频多模，高集成度的发展趋势。被动元件电容电阻等除了传统的分布方式外，还会用到微带线模拟技术、分立组件嵌入式技术等以获得更小尺寸和更多功能。

　　Flip Chip (晶圆倒贴)也会用到不同的技术形式。有些设计用Solder Bump (锡球倒装)，有些设计用Copper Pillar(铜柱倒装)，具体设计方式取决于不同产品的设计要求。Copper Pillar Layout(引脚布局)可以做得更密、更小。例如，当前业界最新的处理器芯片，可能一个Flip Chip Die设计会有几千个Pillar引脚设计，以实现它的多I/O接口需求。同时芯片的Spacing(间距)设计密度要求也很高，这对封装技术是很大的考验。

　　另外封装技术的演进方向就是高集成度以实现频段复杂和多频多模的要求。 当前Qorvo主流的射频芯片都是高集成度的解决方案。例如，Qorvo最新的High Band PAD (高频段功率放大器模块)集成了PA (功率放大器)、 Switch (射频开关)、CMOS Controller (模拟控制器)、 Filter (滤波器)、Duplicer (双工器)等多种射频电路于一体，单颗芯片内集成有十几颗至几十颗Die。这种封装叫SIP(System In Package 系统级封装)。当前主流的手机厂商的旗舰机型多会采用此技术。

　　到此为止，IC封装的一个最基本的原理就已经实现了。还有一些传统工序，比如在芯片上用激光刻蚀Marking(标签)，以确保对芯片有Traceability(可溯性)，用以追溯每颗芯片的生产记录。 最后把完成的芯片进行切割，卷带包装，最终就是客户看到的成品。

IC测试的演变

　　在Wafer (晶圆)进行封装之前，首先要进行第一步的Die Sort(晶圆级测试)，用以确保封装到芯片内的每颗Die的功能性。接下来就是对封装之后的芯片进行终测。传统意义上的终测就是把芯片单体放入Clamp Fixture(夹具)里进行测试，用以确保其电性功能。随着业界对测试效率要求的不断提高，Qorvo也开发出了不同测试解决方案以满足客户的多样化需求。例如，当前Qorvo公司自主开发的的Strip Test(基板测试)技术，就是在基板上根据芯片Mapping(图谱)同时测试多颗芯片以提升测试效率及测试精度。也有针对于WLCSP (晶圆级芯片)产品的Wafer Probe(晶圆探针测试)，这个测试是结合了直流测试、射频测试等于一体，直接在Wafer(晶圆)上用探针平台进行测试，然后把测试后的晶圆成品直接发给客户，用以实现下一步的设计要求。

　　在封测技术上，Qorvo也有一些独特的专利技术，比如Qorvo MicroShiled™ 技术。传统的工艺是客户在贴装完芯片之后还要加一个屏蔽盖，以防止外部电磁干扰(EMI)。Qorvo MicroShiled™ 技术是直接把屏蔽电镀在芯片表面，这样在手机的设计和生产中就不需要额外的屏蔽。该技术来自Qorvo合并前的RFMD公司的专利技术(注：Qorvo由RFMD和Triquent公司于2015年合并而成)，Qorvo北京和山东德州工厂都掌握此生产技术。当前业界领先的手机厂商大多采用了此技术，好处是芯片可做得很薄，而且整个射频指标测试的一致性也会很好， 同时也优化了客户端的工艺和成本。

　　IC发展是两个层面的。在前道半导体晶圆的层面的发展就是频率越来越高，频谱越来越复杂，同时要求半导体线径越来越小，从微米级演进到纳米级，当前的主流手机芯片处理器已达到14纳米，并且会随着技术的发展不断演进;另外在后道封装层面，Die之间的结合会越来越紧密，Die以及其它元件的集成度也会越来越高，这对封装技术也是很大的挑战。 Qorvo目前也在研发用于未来几年的半导体及封装技术。例如高频高功率GaN(氮化镓)、宽频带BAW (体声波滤波器)、 Stacked Die (晶圆叠加技术)、 ETIC (晶圆嵌入式技术)、TSV(硅通孔技术)、High Density Substrate (多层超薄基板技术)等。可见封装是一个很重要的技术领域，如果封装技术跟不上的话，前道晶圆工艺的技术演进也就变得没有意义了。

In-house工厂的意义

　　Qorvo的主要晶圆设计与制造是在美国，其中砷化镓晶圆设计制造中心位于美国北卡罗来纳州和俄勒冈州;氮化镓晶圆设计及制造中心位于德克萨斯州;声表滤波器及体声波滤波器设计制造中心分别位于佛罗里达州和德克萨斯州，北京和山东德州主要是封测。

　　其实In-house的目的是要有自己的核心技术，即引领最新的研发技术、生产工艺及质量标准，在设计制造上占有主导优势。除了In-house外，Qorvo同时拥有多家封测合作伙伴，与外界随时保持沟通与合作，与业界共同发展，为全球客户提供多元化解决方案。

客户质量工程师的重要性

　　其实CQE大概是在五六年前由RFMD公司(注：2015年RFMD与Triquent合并为Qorvo公司)细分出来的职责。以往我们在向客户推广射频产品的时候，传统上是销售和应用工程师来进行技术支持。例如，推广一个PA(功率放大器)，以往更多的是向客户介绍电性方面的指标，例如功率是多少?谐波指标如何?应用层面有哪些匹配要求等。这是一个传统的服务方式，这种情况下，这款芯片更像是一个黑盒子，它具体是通过内部什么样的物理层架构得以实现外部的这些电性功能，以及这些功能的可靠性是如何保证的，客户并不十分了解。

　　随着半导体和封装技术的快速发展，以及电子产品市场竞争的日趋加剧，客户现为了做出差异化的电子产品，开始更加关注芯片物理层的架构。客户需要了解芯片是通过什么样的物理层结构和设计实现它的功能性、可靠性和一致性，以及这些特性是通过什么样的工业标准测试来得以保障的。对于客户这方面的需求，CQE需要去了解和沟通，然后把基于客户具体的定制需求反馈到生产线，进行有针对性的设计制造，以满足客户需求。

　　质量其实是一个广义的概念，简单地说就是产品需要满足客户的要求。具体而言，一般客户对于质量的要求分为三个层面: 第一是要通过设计制造去实现它的功能性，这个功能性更多是指它的电性方面指标;第二是产品可靠性，是产品在终端市场环境下长期使用过程中的可靠性性能;第三是产品的可规模化制造性，就是芯片生产不只是制造一颗或几颗器件样品，它应该可延展到规模化制造，并且应该有优秀的产品良率，以及均匀稳定的一致性指标。 这就是质量工程部门的任务，就是要保证射频产品的功能性、可靠性和一致性。例如手机开发，可能更多客户在前期研发时会基于3GPP、JEDEC、美军标等标准。但实际的应用条件可能会有差异，例如，有的产品用在恒温恒湿基站应用环境，有的可能用在室外山上的Pico Cell(微蜂窝)上，有可能环境温度正常是75℃，特殊的环境条件要达到95℃，这就要对该产品的壳温结温进行有针对性的设计。再比如，现在的智能手机电池的容量要求越来越大，在电池材料技术没有突破时，目前的方法是通过提高电池电压以增加待机时间。传统的手机电池电压是4.3V，今后慢慢会做到4.5V，甚至到4.7V以上，这些都是客户的一些特殊的应用需求。但如果前期不了解这些需求，原有的设计如果按照4.3V的电池供电设计，最后客户使用了更高的电压应用，就会导致芯片过压击穿。但这时再返回重新更改设计已经来不及了，只有通过一些生产的堵截方式，包括采用牺牲良率的方式把偏下限的芯片筛选出去，但是这是亡羊补牢的措施。

　　Qorvo更多的是希望在前期Design-in这个产品的时候，把客户对于产品的可靠性要求、应用环境、测试标准等能够事先了解清楚，然后把这些具体要求反馈到产品线，对这些要求有针对性地进行设计、制造、测试。当最终把产品交付给客户时，CQE需要和客户共同验证他们的要求是否得到满足。如果某些指标不能达到要求，就需要反馈回来，在接下来的产品中进行修正，形成一个持续改进的闭环系统。 这些都需要专业的团队进行支持，这也是Qorvo CQE部门的职责。

CQE最关注什么样的客户

　　业界领先的手机厂商多数芯片是定制的。定制产品就涉及到前期指标的定义。首先是电性指标需要满足什么样的功能性，这些功能要在什么样的环境下去实现，以及什么样的物理层架构来实现这些功能。针对定制化的器件设计与生产，Qorvo内部主要分为三个阶段。第一阶段是市场指标定义，这个阶段需要定义设计一款什么指标的产品，并且通过什么样的物理层架构实现;第二个阶段是设计及认证，在这个阶段需要确定产品设计方案并完成可靠性验证;第三个阶段就是产品量产阶段，在这个阶段需要一套完整的质量体系来确保产品的一致性。所以对于这类定制的客户，CQE在前期一定要参与进去，了解产品的特殊需求并予以保障。

　　在产品设计层面，某个客户对静电标准根据它的生产环境和应用环境提出了需求，我们就要考虑客户所应用的射频器件的静电参数。例如HBM、CDM、IEC模式指标需求是多少?这些指标如何转化为物理层设计得以实现?对于客户应用产品的环境、温度和湿度，芯片的结温、壳温、热阻等有怎样的特殊要求等。诸如此类问题，CQE都需要和客户在产品开发前期进行充分沟通理解，并把这些要求带到产品的设计生产中得以实现。

　　在可靠性层面，生产出来的产品如何确保是否达到了上述的设计指标，也需要通过一整套完整的测试标准来进行验证。例如，客户的手机设计为快速充电模式，有的只需几分钟的急速充电，那么我们在产品认证中，就要针对客户的这种特殊应用，进行有针对性的测试。比如进行浪涌冲击等测试，以确保其可靠性。还有针对客户的不同应用条件的可靠性测试。比如高温高湿老化、温度循环及冲击、静电等级测试、振动跌落实验等。这些测试方法需要参考业界的不同标准，并针对于产品应用的具体点进行量身定制。

　　可见，手机竞争现在越来越激烈，手机要没有一些特殊的卖点很难具有差异化。实际上，应用层的卖点是基于物理层实现的。所以最终回到核心层面就是它的物理层怎么实现，这个黑盒子里边是什么样的，所以CQE更多的是关注这个黑盒子里面的架构及可靠性。

CQE的价值体现

　　对于Qorvo来说，FAE可能更多的是学通信、射频的人，CQE大多数的专业应该是半导体和微电子专业，所以CQE对产品物理层有更深的了解。

　　其实Qorvo建立CQE这个部门也是基于很多的经验教训。 例如，静电指标有很多种，有HBM (人体模式)、MM(机械模式)、CDM模式(充电设备模式)、手机天线端IEC模式等。客户对于每种模式的设计和使用环境的不同要求，就要求厂商基于客户的具体需求进行保障。HBM的设计模型是模拟100pF的人体电容和1500Ω的人体电阻，在此架构上去设计建模和测试;MM模型是模拟一个更大的机械电容模式，比如200pF的电容器瞬间的电荷释放，这时的电压波形在时域内很陡，但在频域却很宽，对于这种模式需要单独模拟测试;CDM模式主要是针对生产线的控制。芯片在生产过程中，它周围会有很多的电场，这时芯片的表面也会积累很多电荷，当对这个芯片进行屏蔽焊接时(屏蔽过程就是一个接地的过程)，芯片内充满的电荷会瞬间被导到地上，芯片从内到外会有一个瞬间的压差将其损坏。这种Charge Device Model又要用另一种模型去模拟、设计和测试，来实现对这种具体ESD模式的电路保护。对HBM、MM和CDM模式，以及手机天线端IEC模式，用到的设计保护电路也是不同的。传统模式可能是二极管的反向并联保护电路，也可能用达灵顿、肖特基电路等保护方式，这取决于设计的具体要求和应用条件。

　　除此之外，还有许多其它的可靠性要求，也都需要根据不同的工业标准进行有针对性的设计与测试认证。所以Qorvo的客户支持团队的架构是市场、销售、FAE、CQE这样的组队，部门各司其责，分工合作，以满足客户对于产品应用中的不同需求。

　　中国本地通讯市场增长很快，像深圳已经成为全球重要的手机与基站的生产设计基地，很多民族品牌产品目前已经处于业界领先水平。因此，Qorvo在中国也获得了很好的业务发展。Qorvo希望多年积累的经验与技术，以及更精细化的专业团队分工，能够更好地服务于本地市场，与中国优秀的企业共同成长。(本文由电子产品世界王莹采访整理)

参考文献：

　　[1]王莹.上下联动，促进IC产业跨越式发展[J].电子产品世界,2013(1)：28

　　[2]王莹.本土IC设计业：成长喜人，下一步更需智慧[J].电子产品世界,2013(3)：31

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第18页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。