晶圓劃片 (Wafer Dicing )

來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家 

先進(jìn)封裝(advanced packaging)的后端工藝(back-end)之一，將晶圓或組件進(jìn)行劃片或開槽，以利后續(xù)制程或功能性測(cè)試。

晶圓劃片方法：

現(xiàn)階段，硬脆材料切割技術(shù)主要有外圓切割、內(nèi)圓切割和線銘切割。

外圓切割組然操作簡單，但據(jù)片剛性差，切割全過程中鋸片易方向跑偏.造成被切割工們的平面度差；而內(nèi)圓切割只有進(jìn)行直線切割，沒法進(jìn)行斜面切割。線鋸切割技術(shù)具備割縫窄、高效率、切成片性價(jià)比高、可進(jìn)行曲線圖切別等優(yōu)點(diǎn)成為口前普遍選用的切割技術(shù)。

內(nèi)圓切割時(shí)晶片表層損害層大，給CMP產(chǎn)生挺大黔削拋光工作中最；刃口寬。材料損害大。品片出率低；成木高。生產(chǎn)效率低；每一次只有切割一片。當(dāng)晶圓直徑達(dá)到300mm時(shí)。內(nèi)圓刀頭外徑將達(dá)到1.18m。內(nèi)徑為410mm。在生產(chǎn)制造、安裝與調(diào)節(jié)上產(chǎn)生許多艱難。故后期主要發(fā)展趨勢(shì)線切別主導(dǎo)的晶圓切割技術(shù)。

晶圓切片簡述：

在過去三十年期間，切片(dicing)系統(tǒng)與刀片(blade)已經(jīng)不斷地改進(jìn)以對(duì)付工藝的挑戰(zhàn)和接納不同類型基板的要求。最新的、對(duì)生產(chǎn)率造成最大影響的設(shè)備進(jìn)展包括：采用兩個(gè)切割(two cuts)同時(shí)進(jìn)行的、將超程(overtravel)減到最小的雙軸(dual-spindle)切片系統(tǒng)。

切片機(jī)制(The Dicing Mechanism)

硅晶圓切片工藝是在“后端”裝配工藝中的第一步。該工藝將晶圓分成單個(gè)的芯片，用于隨后的芯片接合(die bonding)、引線接合(wire bonding)和測(cè)試工序。

一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的研磨盤(刀片)完成切片(dicing)。一根心軸以高速，30,000~60,000rpm (83~175m/sec的線性速度)轉(zhuǎn)動(dòng)刀片。該刀片由嵌入電鍍鎳矩陣黏合劑中的研磨金剛石制成。

在芯片的分割期間，刀片碾碎基礎(chǔ)材料(晶圓)，同時(shí)去掉所產(chǎn)生的碎片。材料的去掉沿著晶方(dice)的有源區(qū)域之間的專用切割線(跡道)發(fā)生的。冷卻劑(通常是去離子水)指到切割縫內(nèi)，改善切割品質(zhì)，和通過幫助去掉碎片而延長刀片壽命。每條跡道(street)的寬度(切口)與刀片的厚度成比例。

關(guān)鍵工藝參數(shù)：

硅圓片切割應(yīng)用的目的是將產(chǎn)量和合格率最大，同時(shí)資產(chǎn)擁有的成本最小?？墒?，挑戰(zhàn)是增加的產(chǎn)量經(jīng)常減少合格率，反之亦然。晶圓基板進(jìn)給到切割刀片的速度決定產(chǎn)出。隨著進(jìn)給速度增加，切割品質(zhì)變得更加難以維持在可接受的工藝窗口內(nèi)。進(jìn)給速度也影響刀片壽命。

在許多晶圓的切割期間經(jīng)常遇到的較窄跡道(street)寬度，要求將每一次切割放在跡道中心幾微米范圍內(nèi)的能力。這就要求使用具有高分度軸精度、高光學(xué)放大和先進(jìn)對(duì)準(zhǔn)運(yùn)算的設(shè)備。

當(dāng)用窄跡道切割晶圓時(shí)的一個(gè)常見的推薦是，選擇盡可能最薄的刀片?？墒牵鼙〉牡镀?20μm)是非常脆弱的，更容易過早破裂和磨損。結(jié)果，其壽命期望和工藝穩(wěn)定性都比較厚的刀片差。對(duì)于50~76μm跡道的刀片推薦厚度應(yīng)該是20~30μm。

碎片(Chipping)

頂面碎片(TSC, top-side chipping)，它發(fā)生晶圓的頂面，變成一個(gè)合格率問題，當(dāng)切片接近芯片的有源區(qū)域時(shí)，主要依靠刀片磨砂粒度、冷卻劑流量和進(jìn)給速度。

背面碎片(BSC, back-side chipping)發(fā)生在晶圓的底面，當(dāng)大的、不規(guī)則微小裂紋從切割的底面擴(kuò)散開并匯合到一起的時(shí)候(圖1b)。當(dāng)這些微小裂紋足夠長而引起不可接受的大顆粒從切口除掉的時(shí)候，BSC變成一個(gè)合格率問題。

通常，切割的硅晶圓的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是：如果背面碎片的尺寸在10μm以下，忽略不計(jì)。另一方面，當(dāng)尺寸大于25μm時(shí)，可以看作是潛在的受損?？墒牵?0μm的平均大小可以接受，示晶圓的厚度而定。

現(xiàn)在可用來控制背面碎片的工具和技術(shù)是刀片的優(yōu)化，接著工藝參數(shù)的優(yōu)化。

刀片優(yōu)化(Blade Optimization)

為了接收今天新的切片挑戰(zhàn)，切片系統(tǒng)與刀片之間的協(xié)作是必要的。對(duì)于高端(high-end)應(yīng)用特別如此。刀片在工藝優(yōu)化中起主要的作用。為了接納所有來自于迅速的技術(shù)發(fā)展的新的切片要求，今天可以買到各種各樣的刀片。這使得為正確的工藝選擇正確的刀片成為一個(gè)比以前更加復(fù)雜的任務(wù)。

除了尺寸，三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定刀片特性：金剛石(磨料)尺寸、金剛石含量和粘結(jié)劑的類型。結(jié)合物是各種金屬和/或其中分布有金剛石磨料的基體。

這些元素的結(jié)合效果決定刀片的壽命和切削質(zhì)量(TSC與BSC)。改變?nèi)魏我粋€(gè)這些參數(shù)都將直接影響刀片特性與性能。為一個(gè)給定的切片工藝選擇最佳的刀片可能要求在刀片壽命與切削質(zhì)量之間作出平衡。

其它因素，諸如進(jìn)給率和心軸速度，也可能影響刀片選擇。切割參數(shù)對(duì)材料清除率有直接關(guān)系，它反過來影響刀片的性能和工藝效率。對(duì)于一個(gè)工藝為了優(yōu)化刀片，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法(DOE, designed experiment)可減少所需試驗(yàn)的次數(shù)，并提供刀片特性與工藝參數(shù)的結(jié)合效果。另外，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法(DOE)的統(tǒng)計(jì)分析使得可以對(duì)有用信息的推斷，以建議達(dá)到甚至更高產(chǎn)出和/或更低資產(chǎn)擁有成本的進(jìn)一步工藝優(yōu)化。

三個(gè)關(guān)鍵的刀片元素(金剛石尺寸、濃度和結(jié)合物硬度)的相對(duì)重要性取決于刀片磨料尺寸和工藝參數(shù)。為了給一個(gè)特定應(yīng)用選擇最適合的刀片，對(duì)這些關(guān)系的理解是必要的。

刀片負(fù)載監(jiān)測(cè)(Blade Load Monitering)

在切片或任何其它磨削過程中，在不超出可接受的切削質(zhì)量參數(shù)時(shí)，新一代的切片系統(tǒng)可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)施加在刀片上的負(fù)載，或扭矩。對(duì)于每一套工藝參數(shù)，都有一個(gè)切片質(zhì)量下降和BSC出現(xiàn)的極限扭矩值。切削質(zhì)量與刀片基板相互作用力的相互關(guān)系，和其變量的測(cè)量使得可以決定工藝偏差和損傷的形成。工藝參數(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整，使得不超過扭矩極限和獲得最大的進(jìn)給速度。

切片工序的關(guān)鍵部分是切割刀片的修整(dressing)。在非監(jiān)測(cè)的切片系統(tǒng)中，修整工序是通過一套反復(fù)試驗(yàn)來建立的。在刀片負(fù)載受監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)中，修整的終點(diǎn)是通過測(cè)量的力量數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)的，它建立最佳的修整程序。這個(gè)方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不需要限時(shí)來保證最佳的刀片性能，和沒有合格率損失，該損失是由于用部分修整的刀片切片所造成的質(zhì)量差。

冷卻劑流量穩(wěn)定(Coolant Flow Stabilization)

以穩(wěn)定的扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)要求進(jìn)給率、心軸速度和冷卻劑流量的穩(wěn)定。冷卻劑在刀片上施加阻力，它造成扭力。最新一代的切片系統(tǒng)通過控制冷卻劑流量來保持穩(wěn)定的流速和阻力，從而保持冷卻劑扭矩影響穩(wěn)定。

當(dāng)切片機(jī)有穩(wěn)定的冷卻劑流量和所有其它參數(shù)都受控制時(shí)，維持一個(gè)穩(wěn)定的扭矩。如果記錄，從穩(wěn)定扭矩的任何偏離都是由于不受控的因素。這些包括由于噴嘴堵塞的冷卻劑流量變化、噴嘴調(diào)整的變化、刀片對(duì)刀片的變化、刀片情況和操作員錯(cuò)誤。

總結(jié)

切片工藝變得越來越且要求高。切割跡道變得越窄，可能充滿測(cè)試用衰耗器(test pad)，并且刀片可能需要切割由不同材料制成的各種涂敷層。在這些條件下達(dá)到最大的切片工藝合格率和生產(chǎn)率要求認(rèn)真的刀片選擇和先進(jìn)的工藝控制能力。