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标题: 晶圆划片：胶着境地 [打印本页]

作者: zfw 时间: 2010-12-10 16:00
标题: 晶圆划片：胶着境地
   晶圆划片工艺已经不再只是把一个硅晶圆划片成单独的芯片这样简单的操作。随着更多的封装工艺在晶圆级完成，并且要进行必要的微型化，针对不同任务的要求，在分割工艺中需要对不同的操作参数进行调整。

   例如，分割QFN封装需要具有可以切割柔性和脆性材料组成的复合基板的能力。MEMS封装则常常具有微小和精细的结构 ——梁、桥、铰链、转轴、膜和其他敏感形态——这些都需要特别的操作技术和注意事项。1

   在切割硅晶圆厚度低于100祄，或者像GaAs这样的脆性材料时，又增添了额外的挑战——例如碎片、断裂和残渣的产生。像晶圆划线和切割，这两种将晶圆分割成单独芯片工艺中最常见的技术，通常是分别采用金刚石锯和金刚石划线工具完成的。2 激光技术的更新使激光划线和激光划片成为一种可行的选择，特别在蓝光LED封装和GaAs基板应用中。

图1.采用标准UV胶带的分割工艺流程图。

         无论选择哪种分割工艺，所有的方法都需要首先将晶圆保护起来，之后进行切割，以保证进入芯片粘结工序之前的转运和存储过程芯片的完整性。其他的可能方法包括基于胶带的系统、基于筛网的系统以及采用其他粘结剂的无胶带系统。

   工艺

   标准的切割工艺中首先是将减薄的晶圆放置好，使其元件面朝下，放在固定于钢圈的释放胶带上。这样的结构在切割过程中可以保证晶圆，并且将芯片和封装继续保持在对齐的位置，方便向后续工艺的转运。工艺的局限来自于减薄晶圆的应用，在存储之后很难从胶带上取下晶圆，采用激光的话容易切到胶带，同时在切割过程中冷却水的冲击也会对芯片造成损伤。

   基于胶带的分割

图2.可处理200或300 mm晶圆的UV固化

   单元可以放置在桌子上，采用365 nm

   波长的激光每个小时可以处理50片晶圆。



   采用基于胶带的系统时，需要重点考虑置放系统，以及所采用的条带类型是不是适合要切割的材料。对于框架置放系统来说有多种选择。 SEC（Semiconductor Equipment Corporation）公司拥有晶圆/薄膜框架条带的两个模型，在受控的温度和气压参数下使用条带。ADT（Advanced Dicing Technologies）公司966型晶圆置放机是一款高产率自动置放系统，可采用蓝膜和UV条带，放置操作均匀，并具有条带张力，可以消除空气气泡。该置放系统具有用于切割残留薄膜的环形切割刀，以及可编程的温度调整装置。Disco公司为封装和晶圆分割设计了不同的工具，包括切割锯、切割刀和切割引擎。

   条带选择

   所有的七个条带都由三部分组成——塑料基膜，其上覆有对压力敏感的粘膜以及一层释放膜。在大部分应用中使用的条带分为两类：蓝膜（价格最低）和UV。蓝膜是用于标准硅晶圆的切割，有时在切割像GaAs这样更脆弱的基板时，也用于连接昂贵的UV条带。这类基板放置在一片双面UV条带上并切割到指定的尺寸，之后将其放置到带有蓝膜的金属框架上。

图3.无顶针UV条带的操作流程。

   （图片来源：Adwill/Lintec）


   选择了合适的条带之后，需要考虑固定钉、粘结剂和其他机械性能。目标是在切割过程中粘结足够强，可以保持芯片的位置，但也需要足够弱，可以在切割后芯片粘结工艺中方便地将芯片移走而不产生损坏。如果在切割过程中采用带有润滑剂的冷却剂，需要保证其中的添加剂不会与条带上的粘结剂发生反应，或者芯片不会从其位置上滑动。大部分条带的使用时间限于一年。之后，条带会逐渐丧失粘性。

   UV条带提供两个层次的粘结：切割工艺中更强的粘结，之后为了易于剥离（图1）经UV辐射固化后较弱的粘结。ADT的955型固化系统是一款设计紧凑，可以放置在桌上的系统，用于切割后对UV条带进行辐射，这样可以方便地将芯片剥离（图2）。该系统采用集成的灯寿命传感器以及LED指示器可以持续监控运行性能。该系统与安全标准兼容，采用365nm激光时每个小时可以处理多达50片晶圆。尽管UV条带价格昂贵，但对于像GaAs和光学器件这些敏感基板来说非常合适。

   特殊的条带

   多家制造商提供多种额外的特殊条带可以满足一些小规模市场的特殊要求。Nitto-Denko制造了一种热释放型条带，可以采用加热代替UV辐射固化。当对条带加热时，它就失去了对基板粘结力。Adwill提供了一种无顶针切割条带，采用这种条带在取放机从条带上提取芯片时不需要在条带下面使用顶针（图3）。在切割过程中该条带可以保证很强的粘附力，切割之后通过UV辐射和加热芯片间的距离自动扩大。这样就不会产生由顶针引起的器件破裂。Furokawa Electric制造了静电释放（ESD）条带，可以降低玷污，适用于像MEMS和图像传感器之类敏感器件的分割。AI Technology, Inc.制造了一种切割和芯片粘结薄膜（dicing and die-attach film, DDAF），将高温、防静电、超低残留的划片条带和导电、高键合强度的芯片粘结环氧树脂结合在一起，这样保证了从条带到粘结剂的低残留转移（图4）。

图4.这种将切割条带和芯片粘结薄膜复合的薄膜具有可控和UV释放等多种选择。



   采用带有激光工艺的条带

   根据ADT的工程主管，Ramon Albalak博士的观点，晶圆划片是一个传统工业，目前大部分切割和划线工艺都是采用机械锯和划针完成。随着ADT 的激光划线系统的上市，Albalak认为在晶圆切割和分离市场上，激光方法会成为一个新的选择。

   根据JP Sercel Associate（JPSA）的商务主管Doug Pulfer的观点，如果客户选择了JPSA出产的干法腐蚀激光划线工艺，那么采用标准的切割条带将不会有任何问题。划线时会通过划线的深度在晶圆表面留下最佳的折断位置。通过平衡划线深度和折断的关系可以获得高产率和最佳成品率。较浅的划线深度可以在折断时获得100%的成品率，因此在可实现最大产量的条件下是最佳的划线深度。

   然而，如果采用激光切割晶圆——把所有结构都切断，并消除了折断步骤——由于激光同样会切断条带，那么条带就成为一个问题。但如果将晶圆上几乎所有的结构都切断，可以直接在条带上完成整个分割流程，而不需要折断机。在V形沟的底部残留的材料只有几个微米厚，在条带背面仅仅通过手指的滑动就可以完成折断。

   Synova开发了用于切割的喷水引导激光工艺，还推出了 LaserTape，可以在激光切割过程中保持分割的部件。由于不能吸收激光，在切割工艺中不会被切断。并且具有多孔结构，可以使喷出的水流走而不会产生损坏。在UV固化之后，由于粘结层已经不再粘附到晶圆背面，因此工件可以方便地剥离。当与该公司独特的喷水引导技术联合使用，据说会成为一种可靠的分割方法。喷水引导技术采用头发丝那样细的喷水引导激光束，消除了热损坏和玷污。

   基于条带系统的替代方案

   在低产量的切割硅操作，以及进入芯片粘结工艺之前需要转运并储存一段时间的情况中，基于条带的系统仍然是最佳选择。然而，如果需要大量地切割更坚固的封装时，例如BGA、QFN或CSP，一般推荐采用无条带，基于的系统，在真空中操作，可以在集成系统中保护和传递晶圆。与基板相匹配，并有一层橡胶将晶圆固定。在每个芯片或封装下都有一个真空孔。当晶圆被切割时，芯片或封装都保持在原位阵列中，直到进入下一个工序——取放或芯片键合。

图5.采用激光可以获得宽度为2.5μm

   的切口。这样较小的切口和较浅的划

   线深度产生的残留也较少。



   基于条带切割方法的一个替代方案是厚晶圆划线工艺。晶圆在减薄之前先进行划线操作，该操作可以在真空卡盘而不是条带上完成，之后减薄到合适的厚度，在预先划线的位置便可折断。无论采用何种方法，减薄工艺时都会造成晶圆的弯曲或翘曲，使得后续的精确划线或分割操作变得相当困难。如果晶圆在划线之后减薄，减薄过程中出现的弯曲或翘曲都不会是严重问题。

   另一种无条带切割方法包括采用其他意义上的粘结剂。例如，敏感的基板需要涂覆蜡粘结剂并放置到玻璃上。切割锯切过基板并进入玻璃，而玻璃抓牢切割的芯片并减小其移动。这种置放系统通常用在研发和低产量情况，或者使用的基板非常的昂贵，并且芯片很小。

   结论

   尽管传统的切割方法和基于条带的系统仍然是晶圆划片技术的主流，但对材料和切割方法的创新——例如激光切割和划线、特殊的条带，以及基于真空的系统——为敏感封装的切割提供了多种选择。

   参考文献

   1. Ramon J. Albalak, Ph.D.“Dicing MEMS” Advanced Dicing Technologies, Haifa, Israel.

   2. Richard K. Ulrich and William D. Brown, Advanced Electronic Packaging, 2nd Edition, p. 402.

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