Proses Pembuatan Cip Semikonduktor

Saya telah berkerja di dalam industri Semikonduktor sejurus selepas tamat belajar pada tahun 1994. Selama 16 tahun berkerja di dalam industri ini pelbagai pengalaman berharga telah saya timba, yang paling ketara ialah di dalam bidang elektro-mekanikal dan instrumentasi, automasi industri dan proses pemasangan litar bersepadu di bahagian 'Front of Line'. Ini kerana pada 11 tahun pertama, saya bekerja di bahagian Maintenance Engineering manakala 5 tahun berikutnya saya bekerja di bahagian Process Engineering.

Kini selepas 10 tahun meninggalkan industri ini, anak sulung saya pula telah mendapat tawaran kerja di sebuah kilang semikonduktor. Kilang yang sama di mana saya pernah berkhidmat dahulu iaitu Carsem (M) Sdn Bhd yang merupakan sebuah kilang Sub-Kontraktor pemasangan cip semikonduktor. Jawatan yang akan di isi oleh anak saya ialah Production Expediter, di bawah Operations Department. Nama jawatan ini agak baru bagi saya dan saya difahamkan sebelum ini dikenali sebagai Planner, di bawah Planning Department. 

Sebagai kilang sub-kontraktor pemasangan litar bersepadu atau IC, Carsem akan memasang IC mengikut kehendak pelanggan. Berdasarkan permintaan pelanggan, Production Expediter akan merancang produk yang akan melalui proses 'production' dan 'follow up' daripada mula sehingga ianya siap untuk di hantar kepada pelanggan dengan mematuhi 'cycle time' yang telah ditetapkan.

Fungsi tugas yang berlainan dengan saya dahulu kerana jawatan saya dahulu adalah lebih kepada sokongan kepada 'production'.

Ok, untuk pos kali ini, bersempena dengan lantikan anak saya ke dalam industri semikonduktor, saya akan menulis tentang proses pemasangan IC. Di harap ianya dapat dimanfaatkan oleh anak saya dan sesiapa sahaja yang membacanya. Walau bagaimanapun ianya akan berdasarkan pengalaman saya dahulu. Sudah pasti selepas 10 tahun, sudah banyak berlaku perubahan atau penambahbaikan di dalam proses ini. Namun saya percaya proses-proses utama masih lagi sama.

PRODUK

Produk akhir yang dihasilkan di kilang sub-kontraktor pemasangan IC semikonduktor ialah komponen IC. Ianya terdiri daripada pelbagai pakej. Jenis pakej memberikan maklumat bentuk fizikal sesuatu IC bersama-sama dengan maklumat bilangan kakinya. Contoh 16L QFN, 100L QFP, 16L DIP dan sebagainya. Setiap jenis pakej boleh mengandungi 'device' yang berlainan. Contohnya 16L DIP boleh jadi sebuah chip 'Motor Controller' atau  'Diode Arrays' yang menjalankan fungsi yang berlainan.

Pelbagai bentuk 'Package' cip semikonduktor yang telah siap dan boleh di pasang di papan litar mengikut fungsi yang dikehendaki.

Bermula dengan litar 'mentah' dalam bentuk wafer, ia akan di proses dengan menambah aksesori-aksesori tertentu supaya ia dapat di pasang pada papan litar (PCB). Produk IC akan melalui proses pemasangan di 'Production Line'. Setiap produk dimasukkan dalam bentuk 'Lot' dengan nombor Lot tertentu. Identifikasi lain ialah Pakej, bilangan Lead dan jenis Device. Sangat-sangat penting ialah mengelakkan berlaku percampuran device yang berlainan. Jika berlaku, masalah ini merupakan antara yang dikategorikan sebagai sangat serius.

Proses pemasangan litar bersepadu (IC) dibahagikan kepada dua bahagian iaitu Front of Line (FOL) dan End of Line (EOL). Perbezaan yang utama antara FOL dan EOL ialah kawalan terhadap bilangan partikel atau habuk dalam udara. FOL adalah Cleanroom kelas 10k, manakala EOL adalah Cleanroom kelas 100k ( Sila baca ISO 7 clean room standard untuk maklumat lanjut ). Keseluruhan proses digambarkan dalam rajah di bawah ;

Gambarajah menunjukkan aliran proses dan material yang terlibat. Tidak ditunjukkan ialah proses Quality Control yang berlaku di setiap proses-proses utama. Material 'Wafer' merupakan litar 'mentah' yang akan dipasang dengan 'aksesori' tertentu supaya ianya dapat disambungkan kepada papan litar. Dibawah adalah penerangan ringkas untuk jenis-jenis material yang digunakan.

MATERIAL 

1. Wafer

    - Merupakan kepingan nipis silicon di mana litar elektronik di bina diatasnya. Pembuatan wafer dan litar di atas wafer dilakukan di kilang Wafer Fabrication ( Google Wafer Fabrication unuk maklumat lanjut ). Untuk membuat sebuah cip elektronik, setiap litar pada wafer mesti diasingkan terlebih dahulu. Bergantung kepada saiz litar dan wafer, sebuah wafer boleh mengandungi beratus atau beribu litar elektronik diatasnya.

Pelbagai saiz wafer

Setiap satu litar di dalam wafer ini dikenali sebagai 'Die'. Ia perlu di asingkan satu persatu kerana satu Die akan menghasilkan satu Cip.

2. Mounting Tape

     - Wafer akan 'di pegang' oleh tape dan ring untuk memudahkan proses pemotongan wafer (sawing) dan juga die-attach.

Mounting tape

Ring ( boleh guna semula )

 

3. Leadframe

     - Leadframe adalah tapak kepada die dan akan menjadi terminal sambungan Cip dengan 'Board'. Di akhir proses ia akan di potong keluar satu persatu dan dibentuk kaki penyambungnya. Kaki penyambungnya juga akan menjalani process Electroplating supaya sambungan pateri 'Soldering' dapat dilaksanakan dengan baik.

Leadframe

4.  Epoxy

    - Ialah sejenis gam. Ianya digunakan untuk melekatkan die pada leadframe di dalam process Die-Attach.

Contoh Epoxy

5. Gold Wire

       - Gold wire 99.99% ini digunakan di dalam proses Wirebond untuk menyambung litar di dalam die kepada leadframe.

                                         

Gold Wire 99.99%

6. Mold Compound

     -  Sejenis bahan plastik yang akan menutupi bahagian litar IC kecuali bahagian lead (kaki) IC.

Mold Compound dan IC yang telah di mold

PROSES

1. Wafer Mount

 - Wafer akan dilekatkan pada sejenis tape yang di pegang pada sebuah ring. Tujuannya supaya proses seterusnya iaitu sawing dapat dilaksanakan dengan mudah.

Mesin Wafer Mounting

Link video operasi mesin Wafer Mount (sumber dari You Tube) ;

https://www.youtube.com/watch?v=Mpc8Q8gwhjg

2. Wafer Sawing / Dicing

 - Di dalam proses ini, wafer yang sudah di mount akan diletakkan di atas ' vacuum chuck ' seramik dan wafer akan di potong untuk mengasingkan setiap satu 'die' menggunakan Diamond Blade yang berpusing pada kelajuan tinggi. Bermula daripada proses ini, mesin dan peralatan automasi yang berketepatan tinggi digunakan.

Diamond Blade di atas 'air spindle' yang diputarkan oleh DC motor pada kelajuan 40k rpm.

Link video operasi mesin Sawing (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=nI03eJIwmuU

Selepas process Sawing, wafer akan melalui proses 2nd Optical Inspection. Menggunakan Mikroskop berkuasa 10X hingga 100X, operator akan memeriksa jika ada unit-unit yang rosak akibat proses sawing seperti, chip, crack, scratches, contamination dan lain-lain yang berkaitan termasuk jika ada reject yang sedia ada atau berkaitan proses wafer fabrication.. Unit yang rosak akan di tanda dengan ink dan tidak akan di ambil ketika proses Die Attach. QC (Quality Control) Buy Off akan dilakukan oleh operator QA dan Yeild akan dicatatkan.

3. Die Attach

 - Die yang sudah di potong akan di cabut dari tape dan dilekatkan pada leadframe. Lekatan pada leadframe menggunakan gam yang dikenali sebagai epoxy. Proses berketepatan tinggi ini menggunakan mesin automatik Die Attach atau Die Bonder. Mesin akan memilih Good Die sahaja iaitu Die yang tidak ditandakan dengan ink.

Proses Die Attach

Die yang telah dilekatkan pada leadframe

Selepas proses Die Attach, leadframe yang dikumpulkan di dalam magazine akan dimasukkan ke dalam Oven. Pada suhu dan profile yang telah ditentukan, epoxy akan kering dan mengeras. Proses ini juga dikenali sebagai Epoxy Cure.

Link video operasi mesin Die Attach (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=n2w1QpxUqhk

4. Wire Bond

 - Seterusnya, penyambungan elektrikal antara Die dan leadframe dilakukan melalui proses Wire Bond. Ini adalah proses automatik yang paling menarik sekali. Menggunakan wayar emas tulin 99.99%, mesin Wire Bonder akan melaksanakan proses Bond dan Stitch di antara Bond Pad pada Die dan Leadframe. Pelan penyambungan mestilah tepat mengikut Bond Diagram. Wrong Bonding adalah satu kesalahan yang sangat serius dalam proses ini.

Unit yang telah siap di Wire Bond

Selepas proses wirebond, satu lagi pemeriksaan visual di bawah mikroskop dilaksanakan. Ia dikenali sebagai 3rd Optical Inspection. Operator akan mengesan jika ada berlaku kesalahan atau kerosakan semasa proses sebelumnya iaitu wirebond dan die attach. Antara kesalahan atau reject yang boleh berlaku semasa wirebond ialah wire short, sagging wire, tight loop dan sebagainya. Pihak QA akan membuat buy off dan yield akan dicatatkan. Yield adalah peratus hasil keluaran setelah di tolak bilangan unit-unit yang reject. Sesebuah kilang akan menentukan kawalan yield pada tahap tertentu bagi menunjukkan keupayaan kilang menghasilkan keluaran yang baik dan bermutu tinggi. Yield juga ditentukan oleh pelanggan dan mesti dipatuhi dengan sebaik mungkin oleh sesebuah kilang. 

Link video operasi mesin Wire Bond (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=52lJrf0zdqA

5. Mold

 - Di dalam proses ini, bahagian Die dan leadframe yang telah di wire bond akan ditutup dengan bahan plastik.

Di dalam mesin Molding, leadframe akan diletakkan di dalam acuan atau Mold Cavity oleh robotic arm. Mold compound akan dicairkan pada suhu tertentu dan di alirkan ke dalam acuan.

Rajah unit yang telah ditutupi oleh Mold Compound

Link video operasi mesin Molding (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=-0dFAtTehfQ

Setelah itu, unit-unit sekali lagi di masukkan ke dalam oven untuk memastikan Mold Compound telah benar-benar 'cured'. Proses ini juga dikenali sebagai PMC ( Post Mold Cure ).

6. Electroplating

 - Proses yang melibatkan elektrolisis kimia ini bertujuan untuk menyaluti kaki IC pada leadframe dengan lapisan timah. Lapisan timah akan memastikan proses soldering IC yang telah siap pada PCB nanti akan sempurna lekatan dan penyambungannya.

7. Marking

- Terdapat dua jenis marking yang dilakukan pada unit iaitu ink mark dan laser mark. 

Link video proses Marking (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=2HNWj2nXvjU

Cip-cip yang telah sedia di 'marking'. Pastinya sangat penting kerana marking atau label pada cip inilah yang akan memberikan maklumat fungsi cip kepada pengguna. Selain daripada itu terdapat juga maklumat pembuat litar dan nombor lot untuk 'traceability'.

8. Trim & Form

 - Proses terakhir ialah Trim & Form. Dalam proses ini, leadframe akan di potong untuk mengasingkan unit-unit IC dan seterusnya kaki IC di bentuk mengikut spesifikasi jenis pakej. Mesin yang menjalankan tugas ini juga dinamakan Trim/Form & Singulation menggambarkan proses yang dilaksanakannya.

Link video proses Trim/Form & Singulation (sumber dari You Tube) ; 

https://www.youtube.com/watch?v=tmU789b-Lio

Selepas proses ini unit-unit akan di periksa secara visual dalam di dalam proses yang dikenali sebagai

'Final Visual'. Kemudiannya unit-unit IC ini akan di hantar ke bahagian Testing yang akan membuat ujian elektrikal ke atas setiap IC bagi memastikan ianya berfungsi seperti yang dikehendaki.

Begitulah serba ringkas gambaran tentang proses pemasangan komponen IC di kilang Sub-kontraktor pemasangan litar bersepadu semikonduktor. Semoga dapat memberikan maklumat dan manfaat kepada semua. Jika ada kesalahan dan perlu pembaikan, anda di alu-alukan untuk memberi komen. 

*Foto-foto dan video-video diperolehi daripada pelbagai sumber di internet.