超薄圆片划片工艺探讨 半导体划片工艺

　　摘要：集成电路小型化正在推动圆片向更薄的方向发展，超薄圆片的划片技术作为集成电路封装小型化的关键基础工艺技术，显得越来越重要，它直接影响产品质量和寿命。本文从超薄片划片时常见的崩裂问题出发，分析了崩裂原因，简单介绍了目前超薄圆片切割普遍采用的STEP切割工艺。另外，针对崩裂原因，还从组成划片刀的3个要素入手分析了减少崩裂的选刀方法。
　　关键词：超薄圆片；崩片；背崩；正面崩片；崩裂；划片刀过载
　　
　　Study on the Technology of the Ultrathin Wafer Sawing
　　
　　JIANG jian, ZHANG Zheng-lin
　　（Wuxi China Resource Micro-Assembly Tech., Ltd, Wuxi 214028,China）
　　
　　Abstract: The trend of small outline IC is leading to thinner wafer development. The ultrathin wafer sawing technology, which is the key and basic technology to small outline IC, is becoming more and more important, as it directly affects the product quality and reliability. This article focuses on the usual problem of die chip and crack in ultrathin wafer sawing, analyses the defect causes, and briefly introduces the step sawing technology which is widely used in current ultrathin wafer sawing. Besides, it analyses the method of blade selection to reduce the die chip defect based on the 3 main factors of blade.
　　Key words: ultrathin wafer; die chip; backside chip; topside chip; die chip and crack; blade overloading
　　
　　1前言
　　
　　随着超大规模集成电路发展,集成电路封装小型化是封装技术发展的重要趋势。集成电路小型化也在推动圆片向更薄的方向发展，所以，超薄圆片的划片技术作为集成电路封装小型化的关键基础工艺技术，显得越来越重要。目前，国内各种功能的IC卡就是这种技术的支持下发展起来的，例如，国内近几年涌现出的一大批智能卡公司，已从接触式卡发展到非接触式卡，大量需求150-175μm甚至150μm以下厚度的超薄圆片。随着圆片厚度越来越薄，由传统划片工艺造成的芯片崩裂对薄芯片的可靠性的影响显得越来越突出，如何减少薄圆片划片时的崩裂问题，是薄圆片加工时必须解决的课题。
　　
　　2划片崩裂原因及危害
　　 崩裂是指划片时崩片引起的芯片碎裂或隐裂。要了解崩裂原因，首先要了解崩片的成因。
　　 崩片是指划片后在划片槽边缘的不规则崩口，有正面崩片（图1）和背面崩片（图2）两种。
　　
　　 崩片是划片常见缺陷，究其原因，首先要从划片刀基本结构入手。划片刀是由金刚砂颗粒粘合而成，在刃口暴露的金刚砂使刀刃呈锯齿状，见图3。金刚砂的暴露量越大，划片刀就越锋利。在划片过程中，划片刀刃口的金刚砂颗粒会不断地被磨损、剥落和更新，以保证刃口锋利。如果金刚砂颗粒更新及时，切割效果就比较好，划槽边缘较光滑，见图4。
　　
　　
　　 如果被磨损的金刚砂颗粒没有及时更新，就会导致划片刀变钝、切割负载变大、切割温度过高，即所谓的划片刀过载。当发生划片刀过载时，会影响划片质量，产生正反面崩片。由于切割时圆片正面直接被水冲洗冷却效果较好，所以一般背面崩片较正面更严重。这里主要讨论背面崩片问题，即所谓背崩问题。
　　
　　 图5所示是划片示意图，当划片刀过载时，由于冷却水的表面张力作用，冷却水无法渗透到圆片背面，冷却效果不好，在圆片背面就会发生较严重的背崩现象。如果圆片较厚，背崩一般不会影响正面有效电路区见图6；如果圆片较薄，背崩就可能延伸到圆片正面，见图7。
　　
　　 从背崩形态上看，背崩主要有直线型背崩和锯齿型背崩两种，分别见图8、图2。
　　
　　 在两种背崩中，直线型背崩会引起较大的侧崩，见图9，严重时侧崩可达芯片正面，见图7；而锯齿型背崩引起的侧崩较小，见图10，所以在薄片划片时，必须避免出现直线型背崩。
　　
　　 在薄片划片时，当直线型背崩引起的侧崩非常大时，背崩就有可能延伸到圆片正面（图7），严重时造成芯片碎裂，芯片直接报废如图11所示；直线型背崩还可能造成芯片隐裂如图12所示，该缺陷一般不易被发现，但是会影响封装后电路的可靠性，这两种现象就是所谓的崩裂现象。相比两种情况，后者的后果更为严重。
　　 综上所述，崩裂是严重的背崩引起的，究其原因是切割过程中划片刀过载。在薄片划片时要减少崩裂就一定要避免划片刀过载，避免发生严重的直线型背崩。
　　
　　3崩裂对策
　　
　　 崩裂是划片刀过载引起的，要防止划片刀过载可以从以下几个方面考虑。
　　
　　 3.1划片刀
　　 崩裂是切割过程中划片刀过载引起的，所以要防止崩裂发生，选择合适的划片刀显得尤为重要。划片刀结构如图3所示，主要由金刚砂和结合剂组成。因此，划片刀的选择一般从以下三个方面考虑。
　　 3.1.1金刚砂颗粒
　　 较小的颗粒容易在切割时从刀片上剥落，保持刀片的锋利，划片质量较好，但划片速度较慢，刀片寿命较短；而较大颗粒的划片刀寿命较长，但划片毛刺较大。
　　 3.1.2结合剂强度
　　 软结合剂的划片刀，金刚砂颗粒容易在切割时从刀片上剥落，露出新的颗粒，从而减低切割负载，提高划片质量，同小颗粒刀片一样，缺点是划片速度较慢，刀片寿命较短；硬结合剂划片刀寿命较长，但在切硬材料时，容易损坏，并且可能有较大的背崩。
　　 3.1.3金刚砂密度
　　 低密度划片刀能有效地对抗切割时的负载，切割质量好，但寿命较短；高密度划片刀对抗切割负载能力较差，寿命较长。
　　 综合划片质量和划片刀寿命两方面考虑，传统的集成电路封装划片一般选择4～6μm的金刚砂颗粒、中等强度结合剂和中等金刚砂密度的划片刀。而在应对划片刀过载问题时，必须选择较小的颗粒（如2～6μm）、低密度和软结合剂的划片刀，从而保证金刚砂颗粒能及时剥落和更新，保持划片刀锋利。
　　
　　 3.2切割方式
　　 划片刀过载，除了与划片刀自身有关外，还与所切割的圆片有关。由于IC圆片划片槽存在大量金属、测试图形等，切割时，这些金属、测试图形等形成的碎屑，很容易嵌在划片刀金刚砂颗粒之间，影响金刚砂颗粒的剥落和更新，导致划片刀变钝，切割温度过高，发生划片刀过载现象。针对该类圆片，如果圆片较厚（如200 μm以上），轻微的背崩一般不会延伸到圆片正面，可以通过选择合适的划片刀解决；如果圆片很薄（如180μm以下），背崩就很可能延伸到圆片正面，发生芯片碎裂或隐裂。为了防止划片刀过载，一般采用STEP切割工艺，即先用一把刀在圆片表面开一定深度的槽，作用是去除划片槽内的金属、测试图形等，再用另一把刀切穿圆片，目前超薄圆片切割多采用此工艺。
　　 采用此工艺时，如果圆片非常薄，那么第2把刀的切割量就非常小。切割量越小，切割时划片刀的负载也越小，过小的负载会导致切割时被磨损的金刚砂不能从刀片上及时剥落和更新，就可能发生较严重的背崩。所以，当圆片厚度小于100μm时，第2把刀的选择显得尤为重要。
　　
　　 3.3冷却效果
　　 前面提到当划片刀过载时，由于冷却水的表面张力作用，冷却水无法渗透到圆片背面，冷却效果不好，所以在圆片背面会产生较严重的背崩。如果能降低冷却水的表面张力，提高冷却效果，也能有效地减小背崩。目前较常用的做法是在冷却水中加入表面活性剂（如DIAMAFLOW药水），来降低冷却水的表面张力，使冷却水能渗透到圆片下端，达到良好的冷却效果，利用此法也能有效地减少背崩。
　　
　　4结束语
　　
　　薄芯片是今后的发展方向，随着圆片向50μm以下发展，一些传统划片工艺已无法满足日新月异的发展要求，必须进行创新。因此，更加先进的划片工艺也逐渐发展起来，例如，采用激光束划片就可以克服砂轮划片的诸多缺点，真正达到“无损伤”划片，可以说激光划片技术是今后薄片划片技术的发展方向。
　　
　　作者简介
　　姜健，工程师，无锡华润安盛科技有限公司。