闪存卡多层芯片堆叠封装工艺质量管理研究—以晟碟公司为例

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3.0 牛悦 2024-11-11 24 4 793.26KB 64 页 15积分

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摘要

闪存是一种长寿命的非易失性存储器，它由日本的日立公司于 1989 年研制。

由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存重要信息，其样子小巧，有如

一张卡片，所以称之为闪存卡。闪存卡产品作为智能型手机、数码相机、视频及

影音播放器、平板电脑等便携式，可移动式电子产品的主要存储器件，其对更轻、

更薄、更小、更高容量和更高可靠性的不断追求，使得闪存卡对于封装技术与质

量的要求也越来越高，封装技术与质量在闪存卡的制造过程中扮演的角色也越来

越重要。

为了满足市场对高容量闪存卡的需求，越来越多的闪存卡公司正在进行闪存

卡多芯片堆叠封装工艺的研究和应用，多层芯片堆叠封装是指在垂直于芯片表面

的方向上堆叠、互连两片以上裸芯片的封装方式，其空间占用小，电性能稳定。但

是多芯片堆叠封装工艺的复杂特性会给质量管理带来很大的困难，因此近年来对

于闪存卡多芯片堆叠封装工艺的质量管理研究变得尤为迫切和重要。

论文通过对闪存卡多层芯片堆叠封装工艺流程的分析，使研究者了解新型工

艺对于质量管理的影响；同时以晟碟半导体(上海)有限公司为例，对在多层芯片堆

叠封装工艺中常见质量问题进行分析和研究，利用质量管理的相关理论提出闪存

卡多层芯片堆叠封装工艺中的质量管理优化模式；通过对质量信息的收集与分析，

提出了有针对性的质量问题的解决方案。未来全球的半导体封装工艺，必将是以

多层芯片堆叠封装工艺为主，研究此新工艺的质量管理将会有助于企业在大规模

量产的情况下有效提升良品率和生产率，提高产品质量和可靠性。

论文注意了理论与实践的结合，在提出闪存卡多层芯片堆叠封装工艺质量管

理优化模式的过程中分别运用了产品质量先期策划理论进行规划试生产，然后使

用潜在失效型模式分析理论使得质量管理能够在试生产阶段得以实现，对于生产

过程中质量管理的实现又运用了质量控制计划理论和统计过程控制等理论。具体

在分析常见质量问题的原因时采用了因果分析鱼骨图法和因果分析 WHY-WHY 法

等分析方法，最后运用了新颖的 DMAIC 模型理论提出了常见质量问题的解决方

案。本文结合质量管理工作中的实际情况，在文献研究和分析的基础上，以晟碟

公司为例，调查了闪存卡多层芯片堆叠封装工艺现状，分析了闪存卡多层芯片堆

叠封装工艺过程中的质量问题，获得了新工艺对质量问题的影响和后果，构建了

闪存卡多层芯片堆叠封装工艺的质量管理优化模式和研究质量问题的解决方式。

关键词

关键词关键词

关键词：

：：

：闪存

闪存闪存

闪存芯片堆叠

芯片堆叠芯片堆叠

芯片堆叠质量管理

质量管理质量管理

质量管理优化模式

优化模式优化模式

优化模式

ABSTRACT

Flash memory is a kind of long-life nonvolatile memory. It was developed by

Japan's Hitachi in 1989. For it can save the data even when power is off, flash memory

is usually used to save important information and for its compact look like a card, it is

called flash memory card. Flash memory card, as the main storage medium in smart

phones, digital cameras, video and audio players, Tablet PCs, and other portable digital

electronic products, is continuing to try lighter, thinner, smaller, higher capacity and

more reliable, which makes flash memory cards increasingly demand higher

requirements in the packaging technology and higher quality. So packaging technology

and quality is playing an increasingly important role in the manufacturing process of

flash memory cards.

In order to meet the market demand for high-capacity flash memory cards, more

and more flash card companies are putting themselves into the research and application

of multi-chip stack package technology. Multi-layer chip stack package means such a

package mode where two or more bare chips are stacked or interconnected in the

direction perpendicular to the surface of the chip. This mode boasts an advantage of

small space occupying and stable electrical properties. However multi-chip stack

package technology is likely to cause a lot of quality issues. So, in recent years, the

quality management research in multi-chip stack package technology of flash memory

cards has become particularly urgent and important.

With analysis in multi-layer chip stack package process of flash memory card, this

paper helped readers understand the impact of new technology to quality management;

taking SanDisk Semiconductor (Shanghai) Co., Ltd. as an example, the writer showed

the analysis and investigation on common quality problems in multi-layer chip stack

package process, designed a quality management optimization mode for multi-layer

chip stack packaging process of flash memory card; through quality data collection and

analysis, the writer proposed a solution to main quality problems. In the future, it is for

sure that the global semiconductor packaging technology will be multi-layer chip stack

package technology-based processes, so quality management study on this new

technology will help enterprises effectively enhance the yield and productivity in the

large-scale production, improve the quality and reliability of products. The quality

management optimization mode for multi-layer chip stack packaging process of flash

memory card will enrich the quality control theories of our packaging industry. The

quality management study prior to multi-layer chip stack packaging technology being

used in mass production in China will help us improve quality and productivity, as well

as yield and reliability.

This paper combined theory and practices closely. When proposing the quality

management optimization model for multi-layer chip stack packaging technology of

flash memory card, it used the product quality advance planning theory for

pre-production planning; then it used the potential failure mode analysis theory to have

realized quality management in the trial production stage; and it used the quality control

program theory and process statistics control theory to make the quality management

realized in the production process. Specifically, when analyzing the root causes of the

common quality problems, it used such analytical methods as fish bone diagram and

causal analysis WHY-WHY approach. Finally, it used a relatively new theory of the

DMAIC model when proposing common quality problem solutions.

Combining the actual situation of the quality management work, this paper built a

quality management optimization model for multi-chip stack package process of flash

memory card and proposed the solutions to the quality issues, providing a reference for

other semiconductor packaging companies to improve the quality management capacity.

Key Words：

：：

：Flash Memory, Chip Stacking, Quality Management,

Optimization Mode

中文摘要

中文摘要中文摘要

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

1.1 研究背景与研究意义 ......................................... 1

1.1.1 课题的研究背景 ....................................... 1

1.1.2 课题的研究意义 ....................................... 2

1.2 文献综述 ................................................... 3

1.2.1 国内研究现状 ......................................... 4

1.2.2 国外研究现状 ......................................... 5

1.3 本文的创新之处 ............................................. 6

第二章质量管理相关概念及理论分析 ................................. 8

2.1 产品质量先期策划和控制计划理论 .............................. 8

2.2 潜在失效型模式分析理论 ...................................... 9

2.3 DMAIC 模型 ................................................ 12

2.4 统计过程控制理论 .......................................... 14

2.5 本章小结 .................................................. 16

第三章闪存卡多层芯片堆叠封装工艺现状分析......................... 17

3.1 NAND 闪存卡及半导体封装行业现状分析 ........................ 17

3.1.1 NAND 闪存卡行业现状分析 .............................. 17

3.1.2 半导体封装行业现状分析 ............................... 18

3.2 传统单芯片封装闪存卡工艺流程分析 ........................... 19

3.3 新型多层芯片堆叠封装闪存卡工艺流程分析 ..................... 20

3.4 多层芯片堆叠封装闪存卡工艺对质量控制的影响 ................. 22

3.5 本章小结 .................................................. 24

第四章闪存卡多层芯片堆叠封装工艺中的质量问题分析 ................. 25

4.1 常见质量问题的呈现 ........................................ 25

4.1.1 从闪存卡结构角度讨论质量问题 ......................... 25

4.1.2 从封装材料角度讨论质量问题 ........................... 27

4.1.3 从封装车间环境角度讨论质量问题 ....................... 28

4.2 质量问题导致的后果及影响 ................................... 28

4.2.1 质量缺陷比例分析 ..................................... 28

4.2.2 主要质量问题的后果及影响 ............................. 29

4.3 质量问题的原因分析 ........................................ 31

4.3.1 根本原因分析法简述 ................................... 32

4.3.2 主要质量问题的根本原因分析 ........................... 32

4.4 本章小结 .................................................. 36

第五章闪存卡封装工艺中的质量管理优化模式设计及质量问题的解决方案——

以晟碟公司为例 ................................................... 37

5.1 利用产品质量先期策划理论规划试生产 ......................... 37

5.2 潜在失效型模式分析理论在试生产初期的实现 ................... 39

5.2.1 过程 FMEA 的开发流程 .................................. 40

5.2.2 过程 FMEA 的应用实例 .................................. 43

5.3 质量控制计划理论在生产过程中的实现 ......................... 45

5.3.1 生产过程中的关键点识别和控制 ......................... 45

5.3.2 质量控制计划应用实例及问题解决办法 ................... 46

5.4 统计过程控制理论在生产过程中的实现 ......................... 48

5.5 主要质量问题的解决方案 ..................................... 52

5.6 本章小结 .................................................. 55

第六章总结与展望 ................................................ 57

参考文献 ......................................................... 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 60

致谢 ........................................................... 61

第一章绪论

§§

§1.1

1.11.1

1.1 研究背景与研究意义

研究背景与研究意义研究背景与研究意义

研究背景与研究意义

近年来，NAND 闪速存储器(Flash Memory) 简称闪存已经成为消费者眼中首

选的非易失性存储器。闪存的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信

息和数据，它密度高，成本低，读写速度快，适合大容量数据或文件的保存[1]。闪

存卡产品作为智能型手机、数码相机、视频及影音播放器、平板电脑等便携式，

可移动式电子产品的主要存储器件，其对更轻、更薄、更小、更高容量和更高可

靠性的不断追求，使得闪存卡对于封装技术与质量的要求也越来越高，封装技术

与质量在闪存卡的制造过程中扮演的角色也越来越重要。

§§

§1.1.1

1.1.11.1.1

1.1.1 课题的研究背景

课题的研究背景课题的研究背景

课题的研究背景

由于市场对高容量闪存卡的需求越来越旺盛，使得传统的封装形式已经不能

满足市场的需求，高容量闪存卡，尤其是 8G 以上的闪存卡是必须要通过一种新型

的封装形式，多芯片堆叠封装形式进行闪存卡的封装。因此近几年越来越多的闪

存卡公司都在进行闪存卡多芯片堆叠封装工艺的研究和应用，多层芯片堆叠封装

是指在垂直于芯片表面的方向上堆叠、互连两片以上裸芯片的封装方式，其空间

占用小，电性能稳定。但是多芯片堆叠封装工艺的复杂特性会给质量管理带来很

大的困难，因此近年来对于闪存卡多芯片堆叠封装工艺的质量管理研究变得尤为

迫切和重要。

封装就是将具有一定功能的芯片置入密封在与其相适应的一个外壳壳体中，

形成一个完善的整体，为芯片提供保护，并保障信号和功率的输入与输出，同时，

将芯片工作时产生的热量散发到外部环境，确保器件能在所要求的外界环境及工

作条件下稳定可靠地运行[2]。尽管封装形式千差万别，且不断发展，但其生产过程

大致可分为晶圆研磨、芯片贴片、焊线、塑封等十几个阶段。半导体封装技术的

提高主要体现在它的封装型式不断发展。通常所指的封装可定义为：利用膜技术

及微细连接技术将半导体芯片（chip）和框架（Lead-Frame）或基板（Substrate）

或塑料薄膜（Film）或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可

塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接，物理

支撑和保护，外场屏蔽，应力缓冲，散热，尺寸过度和标准化的作用。从三极管

时代的插入式封装以及 20 世纪 80 年代的表面贴装式封装，发展到后来的系统级

封装，模块封装等等，前人已经研究出很多封装形式，每一种新封装形式都有可

能要用到新材料，新工艺或新设备。

闪存卡多层芯片堆叠封装工艺质量管理研究—以晟碟公司为例

本文所涉及到的多层芯片叠层封装主要是由多层（一般是四层或者八层）闪

存存储芯片（Flash Memory Chip）+ 一层控制器芯片（Controller Chip）组成的新

型封装形式。闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能

保持所存储的数据信息）的存储器，它由日立公司于 1989 年研制。由于其断电时

仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的 BIOS（基本输入输出

程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。闪存卡(Flash Memory Card）

是利用闪存技术进行存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，笔记本电脑，

智能手机，MP 和数码摄影机等小型数码产品中作为存储部件，其样子小巧，有如

一张卡片，所以业界称之为闪存卡。根据不同的供应商品牌和不同的应用，闪存

卡大概有 Secure Digital（SD 卡）、Memory Stick（记忆棒）、Compact Flash（CF 卡）、

Multi Media Card（MMC 卡）、、XD-Picture Card（XD 卡）和固态硬盘（Solid State

Disk）等多个类型。这些闪存卡虽然外观、功能及规格尺寸等不尽相同，但是技术

原理却是一样的。

SanDisk 目前是全世界最大的闪存卡供应商，2010 年其销售份额占全球闪存卡

销售总量的 30%左右。随着近几年智能手机和掌上电脑的广泛流行，如今的数码

产品越来越要求高存储容量、低成本和读写速度快的内存卡, 而这正是 NAND 闪

存可以提供的。伴随附加高密度嵌入式存储芯片和大容量闪存卡的日益普及，

NAND 闪存卡多层芯片堆叠封装形式已经取代单层芯片堆叠封装成为主流芯片封

装方案。因此，SanDisk 于2006 年8月在上海成立晟碟半导体(上海)有限公司，旨

在建立自己的工厂，进行闪存卡多层芯片堆叠封装制造及研究。由于多层芯片堆

叠封装工艺在国内还处于起步阶段，质量管理的研究由于受到自身条件的限制，

很难找到完整的数据和案例来说明闪存卡多层芯片堆叠封装过程中所遇到的影响

质量的因素。而在国外却有具备这些条件的公司，笔者有幸就职于 SanDisk，参与

了晟碟半导体(上海)有限公司的建厂并从事质量管理的工作。因此就工作之便，在

闪存卡多层芯片堆叠封装工艺质量管理领域进行了多年的研究。

§§

§1.1

1.11.1

1.1.2

.2.2

.2 课题的研究意义

课题的研究意义课题的研究意义

课题的研究意义

在中国集成电路产业的发展中，封装行业虽不像设计和芯片制造业的高速发

展那样抢眼，但也一直保持着稳定增长的势头。特别是近几年来随着国内本土封

装企业的快速成长以及国际及台湾半导体公司向国内大举转移封装能力，中国的

集成电路封装行业更是充满生机。在我国，近年来集成电路封装测试产业得到了

长足发展，新潮科技、华达集团等内资封测企业已经崭露头角，合资企业有上海

松下半导体、深圳赛意法两家，目前也占有国际集成电路市场的一席之地。虽然

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摘要：

摘要闪存是一种长寿命的非易失性存储器，它由日本的日立公司于1989年研制。由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存重要信息，其样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。闪存卡产品作为智能型手机、数码相机、视频及影音播放器、平板电脑等便携式，可移动式电子产品的主要存储器件，其对更轻、更薄、更小、更高容量和更高可靠性的不断追求，使得闪存卡对于封装技术与质量的要求也越来越高，封装技术与质量在闪存卡的制造过程中扮演的角色也越来越重要。为了满足市场对高容量闪存卡的需求，越来越多的闪存卡公司正在进行闪存卡多芯片堆叠封装工艺的研究和应用，多层芯片堆叠封装是指在垂直于芯片表面的方向上堆叠、互连两片以上裸芯...

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