劉天嬌 賴 燕 蔡 戩 王衛(wèi)東 楊圣森

（1、工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州510610 2、廣州賽寶認證中心服務有限公司，廣東 廣州510610）

集成電路體積小、功能強大的特點，決定了它無論在民用領域，還是在軍用領域都有非常大的應用空間[1]。與集成電路有關的產品隨處可見，電視機、音響、電磁爐等智能設備都涉及到主板控制。除了日常生活，集成電路正在不斷開拓新的應用領域，如醫(yī)學，生物芯片、超導等，并且正在形成新的產業(yè)增長點。

1 集成電路數字化制造的內涵與特點

集成電路一般以芯片形式呈現。從原材料到市面上的芯片一般經過設計、晶圓制備、封裝和測試等多個環(huán)節(jié)[3]，如圖1 所示。集成電路行業(yè)分工較為細化，有專門的設計公司、專門的掩模版加工公司、專門的集成電路芯片制造公司、專門的集成電路封裝公司、專門的集成電路測試公司。

圖1 芯片制造流程圖[4]

1.1 設計更加一體化

傳統(tǒng)工藝中，設計是先于工藝的，產品的實現在設計定型后才考慮工藝如何實現，而數字化制造環(huán)境下，工藝參數和工藝能力是固定的，設計過程必須考慮已有的工藝能力，設計過程離不開工藝平臺的約束。工藝平臺的搭建和固化是建立在大量的試驗摸底等經驗教訓基礎上，聽過不斷的摸索和嘗試，確定了最佳工藝點，然后固化，此后，凡符合該工藝平臺能力的設計，都可進行生產。也就是說，數字化制造條件下，集成電路在設計初始，就考慮了工藝、質量、可靠性等要求，使得設計更加趨向于一體化。

1.2 數字化生產工序串聯(lián)化

傳統(tǒng)的生產工序之間都是獨立的，工序參數控制、半成品自檢等環(huán)節(jié)都依靠人工或者單點式設備儀器操作完成，數字化生產將這些工序都串聯(lián)起來，集成在一個大的工藝平臺中，前一工序到下一工序的對接是自動完成的，而這些工序幾乎都成為隱性的存在，傳統(tǒng)工藝中要控制的參數，要檢測的參數，都自動顯示在人機交互界面上，例如溫度控制，工藝平臺會自動記錄當前溫度值，并繪制成直觀的溫度曲線方便產線人員進行查看，一旦溫度值超出控制線（預警線），平臺會自動發(fā)出預警或者報警提示，并暫停生產。

目前，集成電路所謂的數字化制造，實際上，是半數字化生產，集成電路數字化制造主要依賴各個工序上自動、半自動式的操作設備和操作平臺，工序之間的流轉、送料大部分依靠人員進行傳送和對接。也就是說，集成電路數字化制造尚無法實現全自動化生產線，單獨工序已實現自動化，但需要人為介入將生產線全過程串聯(lián)起來。例如，圖2 顯示的封裝工序，可從發(fā)料工序→點膠→固化→AOI→鍵合→無損，實現全自動化流程，到封前檢驗時需進行人工介入檢驗；然后點封→封裝為自動化流程封裝，到檢漏需人工介入，包裝可實現全自動化。從實際生產的角度，一方面，目前的數字化技術無法達到集成電路從晶圓到封裝，再到測試全自動生產流轉，另一方面，在當前設備技術水平的限制下，目前這種模塊化的數字化生產，其實是很有必要的，數字化生產核心依賴自動化設備，一旦出現設備故障，整條全自動化生產線就面臨停產維修狀態(tài)，這對企業(yè)的生存發(fā)展無疑是致命的，但目前這種半自動化式的生產線就能在一定程度上避免這樣的問題，從某種意義上講，可將目前集成電路數字化生產的現狀稱作“模塊化”的半數字化生產線。

1.3 數字化生產工序之間數據傳遞流暢化

數字化過程中數據的流轉也實現了無紙化傳遞，傳統(tǒng)的生產線過程中，生產數據的傳遞載體是紙質化的“XX 型號XX 系列產品隨工單”，隨工單是根據生產流程規(guī)范設計好的一個個表格，包括生產線要記錄的表格和相應的自檢/QC 檢驗項目和對應的記錄表格，隨工單的記錄依靠每一道工序上經手人手工記錄后錄入表格，然后隨物料或半成品傳遞到下一道工序進行加工。隨著數字化制造工藝的不斷變革，以及大數據時代下對企業(yè)生產效率和企業(yè)質量管理模式的改變，尤其是認識到數據資源的戰(zhàn)略重要性，企業(yè)的管理系統(tǒng)不再局限于單純的物料管控/人事管理等比較單一化的功能，而是將企業(yè)所有的資源進行整合，統(tǒng)籌管理，為了充分利用集成電路生產線上的數據，紙質化的數據傳遞明顯不能適應數字化生產的需要，在當今數據作為企業(yè)的戰(zhàn)略資源的背景下，對數據的管理也必須產生的質的變化。

目前的無紙化數據傳遞和管控主要依賴一定的軟件系統(tǒng)，通過條碼技術，使物料在流動時和物料在工位的情況都被記錄和追溯，可以形成質量數據包，實現質量追溯。例如MES 軟件系統(tǒng)，將工藝流程、條件、參數、工裝夾具選擇、圖紙等操作指導性文件均放置在該系統(tǒng)內，通過使用掃描槍掃描某型號產品隨工單上的二維碼即可查閱、記錄。過程中產生的所有相關數據都可自行記錄在冊，避免了傳統(tǒng)模式下人力帶來的數據不實或丟失等問題。

1.4 成熟的質量管理技術搭載信息化軟件/設備得到了更加廣泛的應用。

在數字化研制模式下，研發(fā)流程、質量控制要點、控制點的改變，基于數字化軟件的仿真分析、協(xié)同研制方法的結合采用，都對傳統(tǒng)模式的質量管理方式提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

1.5 數字化制造下的集成電路產品質量一致性更高

經驗顯示，數字化制造脫離了大量的人工干預，采用特定工藝能力的平臺設備進行生產，在受控且一致的工藝條件，集成電路關鍵參數的離散性更小，成品質量一致性更高。

2 集成電路數字化制造質量控制難點研究

2.1 質量數據信息控制難題

數字化制造是在數字化技術與制造技術的不斷融合、發(fā)展和廣泛應用的基礎上產生的。數字化制造用數字化定量、表述、存儲、處理和控制方法，支持產品全生命周期和企業(yè)的全局優(yōu)化運作[5]。在傳統(tǒng)的制造過程中，由于人的大量介入，制造過程中的信息質量問題雖然大量存在，但并不突出；而在數字化制造中，制造成為在計算機輔助下的造物過程，人的工作被計算機替代。分布在不同位置、不同層面的大大小小的制造信息系統(tǒng)正在成為控制協(xié)調整個制造系統(tǒng)正常及高效運轉的關鍵環(huán)節(jié)與中樞神經系統(tǒng)。制造系統(tǒng)對信息的依賴程度越來越高，對信息質量的敏感度越來越強。因此，數據信息質量控制是集成電路行業(yè)進行數字化生產的一大重要難題，主要表現在：

（1）信息不一致[6]。

在動態(tài)信息質量方面，主要表現為系統(tǒng)的運行數據不一致，如車間的投入產出數據對不上。在靜態(tài)信息質量方面，主要表現為企業(yè)的基礎產品數據不一致。主要是企業(yè)內部管理混亂所致，生產部、銷售部、采購部使用不同的物料編碼，生產、財務的產品物料清單不一致等。

（2）信息失真。

主要體現在動態(tài)信息質量方面，如生產車間上報的數據可能會因為業(yè)績考核的需要而被人為改動。

（3）信息不及時。

主要是動態(tài)信息質量問題。如設計部門對集成電路結構、芯片工藝的變更未及時反饋到生產車間，導致企業(yè)對用戶的響應不及時而交付了不滿意的產品。

（4）信息不完整。

通常表現為某些信息數據的丟失。究其原因，部分是因為企業(yè)的管理不夠細化，造成相關的信息缺失，或者是由于人員的工作失誤所致。在制造過程中，信息的丟失和不完整有時會嚴重影響到產品質量和生產效率，對產品交付造成不良影響。

綜上所述，數字化環(huán)境下影響數據信息質量的主要原因為數據接口、數據格式的轉換、數據采集工具、數據傳遞工具的時效性、穩(wěn)定性和可靠性，例如系統(tǒng)BUG、內存等因素。

2.2 數字化生產的產品質量風險可能更高

數字化制造脫離了大量的人工干預，采用特定工藝能力的平臺設備進行生產，在受控的工藝條件，集成電路關鍵參數的離散性更小，成品質量一致性更高。正式因為這種高度的一致性，導致生產前質量把控不嚴，或者工藝平臺運行過程中出現偏差，那么整條生產線輸出的產品都會受到影響，即批次性質量問題。2019 年，臺積電發(fā)生晶圓污染事件，導致上萬片晶圓廢，分析原因稱主要是一批光阻原料出現問題，晶圓廠投料之前對原料的質量把控不嚴格，一旦投入到流片生產線上，由于數字化生產線的全自動工序暗中進行，一直到工序末端才會發(fā)現良率出現問題。所以數字化生產一旦出現質量問題，造成的損失是不可估量的。

2.3 數字化工藝平臺涉及的網絡安全、軟件維護等信息化質量控制手段要求增加

數字化生產依賴的是一系列自動化軟件、設備的互聯(lián)互通，其集成化、網絡化程度較高，信息安全問題成為數字化生產企業(yè)需要重點關注的問題，影響數字化工藝平臺的所有數字化輔助資源都要成為受控的對象，包括工藝平臺與外部的數據接口維護、數據格式轉換模塊的精度、計算機網絡維護、數據采集傳感器精度校準、數據分析軟件故障維護等控制項目，都需要較高技術含量的質量控制手段。例如設計數據輸入出現失真、丟失或者錯亂，對后續(xù)產品的實現必將造成嚴重影響，而網絡病毒入侵，必將造成生產線停工停產，等等。2018 年，臺積電的晶圓廠爆出了電腦病毒事件，導致旗下多個晶圓廠停工，最終損失26 億新臺幣。

3 結論

近年來，在市場拉動和政策支持下，我國集成電路產品快速發(fā)展，設計、制造能力與國際先進水平差距不斷縮小，但在工藝制造方面還是依賴國外生產線更多，這也是國內集成電路發(fā)展的掣肘，要想進一步提升國產集成電路的工藝水平和性能水平，國內必須從工藝設備上著手，構建屬于自己的流片生產線。