在集成電路電子元件向精密微型與高度集成方向發(fā)展中，晶圓厚度越來越薄、晶圓尺寸越來越大、芯片之間的線寬、切割槽以及芯片尺寸逐漸微縮，這對(duì)劃切技術(shù)提出更加苛刻的要求，高穩(wěn)定性、高精度、高效率與智能化成為劃片機(jī)的標(biāo)桿。劃片機(jī)作為半導(dǎo)體芯片后道工序的封裝環(huán)節(jié)加工設(shè)備之一，用于晶圓的劃片、分割或開槽等微細(xì)加工。

晶圓劃片機(jī)，或切割機(jī)（Dicing Equipment），是一種使用刀片或激光等方式切割晶片的高精度設(shè)備。是半導(dǎo)體后道封測中晶圓切割和 WLP 切割環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。切割的質(zhì)量與效率直接影響到芯片的封裝質(zhì)量和生產(chǎn)成本。劃片機(jī)廣泛用于硅基集成電路、分立器件、光電器件、傳感器等多種半導(dǎo)體產(chǎn)品的劃切工藝，用于汽車半導(dǎo)體的封裝工序。

晶圓劃片主要有刀輪切割和激光切割兩種，刀片切割是使用最廣泛的切割工藝，占市場份額的80%,用在較厚的晶圓（>100微米）切割，具備效率高、成本低、使用壽命長。激光切割屬于非接觸式加工，市場占比約20%，主要適用于切割較薄的晶圓（<100微米），具有高精度、高效率，且可避免對(duì)晶體硅表面造成損傷（厚度不到30um的晶圓則使用等離子切割，等離子切割速度快）。Chiplet技術(shù)切割芯粒最重要的設(shè)備就是激光劃片機(jī)。目前國際主流劃片設(shè)備的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

X軸的直線度，誤差控制在1-3um以內(nèi)；

Y軸的定位精度≤2μm；

Z軸的重復(fù)定位精度1μm，還有測高精度、工作盤精度；

均切割速度為600mm/s，最高達(dá)1000mm/s；

工作行程300mm；

切割道寬度20um。


劃片機(jī)發(fā)展歷程

縱觀過去的半個(gè)世紀(jì)，大規(guī)模集成電路時(shí)代已向超大規(guī)模方向發(fā)展，集成度越來越高，劃切槽也越來越窄，其對(duì)劃片的工藝要求越發(fā)精細(xì)化。迄今為止，在芯片的封裝工序中，劃片工藝的發(fā)展歷史大致可分為以下三個(gè)階段。


第一階段：金剛刀劃片機(jī)

19世紀(jì)60年代是硅晶體管的發(fā)展初期，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用的劃片裝置是金剛石劃片機(jī)，采用的是劃線加工法，類似于劃玻璃的原理。在晶片的切割街區(qū)劃出寬2-5μm，深0.15-1.5μm的切線，再從劃過線的晶片背面，用圓柱狀的碎片工具邊壓邊搓的分裂方法，將晶片分裂成單個(gè)芯片。這種方法非常依賴于人工操作，換句話說，操作人員的經(jīng)驗(yàn)成分占比很大，加壓分裂的依賴性就更大。因此，加工成品率很低。


第二階段：砂輪劃片機(jī)

六十年代中期進(jìn)入集成電路時(shí)代，晶圓開始向2英寸、3英寸等大直徑化發(fā)展。同時(shí)，晶圓厚度也從100微米加厚到200-300μm。就器件的劃線街寬而言，晶體管發(fā)展到了60-100μm，IC為100-150μm，但是當(dāng)時(shí)的砂輪刀片的厚度為150-200μm。在這種情況下，采用原來的工藝方法并不適用。

此時(shí)，日本研制出世界第一臺(tái)極薄金剛石砂輪劃片機(jī)，預(yù)示著劃片機(jī)進(jìn)入了薄金剛砂輪劃片機(jī)時(shí)代。這種砂輪劃片機(jī)有效避免了晶圓的裂開性和切槽崩邊現(xiàn)象。其原理是通過電沉積法研制而成，即將金剛石粉附著在電鍍的金屬膜上，因沙粒與沙粒間的間隙被金屬填滿，增大了沙粒間的粘結(jié)力和砂輪的整體韌性，不會(huì)產(chǎn)生像樹脂和金屬粘結(jié)劑制成的砂輪上那樣的氣孔，達(dá)到了切割晶圓的實(shí)用目的。

激光劃片機(jī)在當(dāng)時(shí)也被認(rèn)為是接近半導(dǎo)體劃片工序的理想設(shè)備。其是采用激光束的光熔化硅單晶而進(jìn)行切割，與金屬熔斷的加工工藝相似。因此，在切割晶體時(shí)燒出的硅粉會(huì)四處飛濺，氣化狀的硅微粒子附著在芯片表面造成污染，芯片也就不能用了。這也是激光劃片機(jī)的致命缺點(diǎn)。

第三階段：自動(dòng)化劃片機(jī)

對(duì)于金剛刀劃片機(jī)和砂輪劃片機(jī)來說，主要目的是提高劃片的成品率。但是，隨著半導(dǎo)體的需求和產(chǎn)量逐漸增大，對(duì)效率的要求越來越高。此時(shí)，就有了自動(dòng)化劃片機(jī)的需求。自動(dòng)化劃片機(jī)主要分為半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種類型。

半自動(dòng)劃片機(jī)主要是指被加工物的安裝及卸載作業(yè)均采用手動(dòng)方式進(jìn)行，只有加工工序?qū)嵤┳詣?dòng)化操作的裝置。而全自動(dòng)劃片機(jī)可全部實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作。

自從進(jìn)入大規(guī)模集成電路時(shí)代之后，器件的設(shè)計(jì)原則開始追求微細(xì)化，即在提高元件工作速度的同時(shí)，減小芯片的面積。這時(shí)晶圓的線寬已經(jīng)發(fā)展到5μm、3μm，甚至達(dá)到1μm左右。由于芯片表面圖形復(fù)雜，若在劃片時(shí)產(chǎn)生磨屑附著在刀片上，在以后的工序中，不僅會(huì)造成電氣短路，封裝好后，芯片工作發(fā)熱也會(huì)使得硅屑向四周擴(kuò)散，致使保護(hù)膜和鋁線變質(zhì)。因此，劃片自動(dòng)化需要充分考慮劃片過程中所包含的各種不良因素，比如機(jī)床校準(zhǔn)、自動(dòng)劃片、故障診斷、各部件功能、性能和可靠性等。

目前，國際市場上的自動(dòng)化劃片機(jī)已有效解決上述問題，且半自動(dòng)劃片機(jī)已實(shí)現(xiàn)切割速度為800mm/s,定位精度≤5μm ；全自動(dòng)切割速度最高達(dá)1000mm/s，定位精度≤2μm。

我國真正開始研制砂輪劃片機(jī)是從70年代末開始的，一直到1982年研制出了第一臺(tái)國產(chǎn)化的砂輪劃片機(jī)。經(jīng)過三十多年的努力與追趕，國內(nèi)自主研發(fā)的金剛砂輪劃片機(jī)性能已基本與國際市場持平。


劃片工藝

1、工藝比較

刀片切割方法包括一次切割和分步連續(xù)切割。效率高、成本低、使用壽命長。它是使用最廣泛的切割工藝，在較厚的晶圓（>；100微米）上具有優(yōu)勢。激光切割具有高精度和高速度。它主要適用于切割較薄的晶圓（<；100微米）。切割較厚的晶片時(shí)，存在高溫?fù)p壞晶片的問題，需要刀片進(jìn)行二次切割。此外，激光頭價(jià)格昂貴，使用壽命短。目前，刀片切割占市場份額的80%，激光切割僅占20%。刀片切割預(yù)計(jì)將長期保持主流模式。


2、主流技術(shù)

金剛石切割是切割的主流技術(shù)。切割采用金剛石顆粒和粘結(jié)劑組成的刀片。切削過程中，金剛石顆粒以金屬鎳作為磨料顆粒固定在工具體上。刀片以一定的速度旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，并使用水作為切削液。在切割過程中，金剛石顆粒膨脹并與粘合劑形成稱為“夾屑槽”的結(jié)構(gòu)，鏟挖切割通道材料，然后將其分離。在切割過程中，金剛石顆粒不斷磨損，暴露出新的顆粒，保持刀片鋒利并清除切割碎屑。切割過程中產(chǎn)生的碎屑會(huì)粘附在刀片上，因此在切割過程中盡量防止切割碎屑粘附，并妥善處理切割碎屑，以確保刀片在切割過程中的正常運(yùn)行。

對(duì)于金剛石切割，金剛石顆粒越大，刀片的切割能力越強(qiáng)，金剛石顆粒的磨損越慢，葉片使用壽命越長。但是，顆粒越大，切削過程對(duì)切削表面的影響越大，容易造成裂紋、崩邊等嚴(yán)重缺陷。較小的金剛石磨?？梢詼p少切割過程中對(duì)切割表面的影響，并減少出現(xiàn)較大切割缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。但是，如果金剛石不能及時(shí)脫落和更新，很容易包裹刀具，導(dǎo)致刀片的切割能力急劇下降和嚴(yán)重缺陷。

刀體的金剛石顆粒濃度將顯著影響切割切屑的質(zhì)量。當(dāng)金剛石顆粒濃度較大時(shí)，金剛石顆粒會(huì)隨著粘結(jié)劑的磨損及時(shí)脫落和更新，有利于延長刀片的使用壽命。此外，粘結(jié)劑越軟，金剛石越容易脫落，反之亦然。因此，使用較硬的粘結(jié)料進(jìn)行切割會(huì)對(duì)切割表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，而較軟的粘結(jié)料沖擊較小，損壞較小。金剛石粒度和濃度的選擇應(yīng)與粘結(jié)劑的類型相結(jié)合，并應(yīng)綜合考慮。


3、切割劃片流程

芯片被晶圓切割成單獨(dú)的顆粒，然后被芯片封裝后即可使用。劃片時(shí)，應(yīng)控制劃片刀的移動(dòng)速度和劃片刀的旋轉(zhuǎn)速度。不同芯片的厚度和藍(lán)色薄膜的粘度需要有相應(yīng)的匹配參數(shù)，以減少劃片過程中的碎片現(xiàn)象。切割過程中殘留的硅渣會(huì)損壞切割工具和切屑，導(dǎo)致成品率損失。切割過程中，需要用清水清洗以去除硅渣，并控制噴射角度和水量。

金剛石刀片以每分鐘30000-40000轉(zhuǎn)的高速切割晶圓塊。同時(shí)，承載晶片的工作臺(tái)沿刀片與晶片接觸點(diǎn)的切線方向以一定速度直線移動(dòng)，切割晶片產(chǎn)生的硅片被分離器水沖走。為了在劃片過程中達(dá)到特殊的切屑表面保護(hù)效果，一些切屑需要在所有切割中切割兩次。此時(shí)，用于第一次切割的刀片相對(duì)較寬，用于第二次切割的刀片相對(duì)較窄。


4、影響切割質(zhì)量的因素

影響晶圓切割質(zhì)量的因素很多，包括材料、切割儀器、工作環(huán)境、切割方法等因素。從材料的角度來看，硅片的硅襯底和電路層材料在硅片切割過程中會(huì)導(dǎo)致不同的機(jī)械性能。不同材料的刀片的選擇會(huì)對(duì)切割方法有不同的要求，因此會(huì)表現(xiàn)出不同的切割質(zhì)量。從切割儀器的角度來看，由于不同機(jī)器的切割功率不同，切割臺(tái)的選擇也會(huì)影響切割質(zhì)量。從工作環(huán)境來看，冷卻水的壓力和流量是影響切削質(zhì)量的因素。水流速度過慢會(huì)導(dǎo)致冷卻效果不足，切割摩擦產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)排出和積累，可能導(dǎo)致金剛石磨粒破碎，降低刀片的切割能力和切割精度，并因切割碎屑無法及時(shí)清除而影響刀片的切割能力。從切割方式來看，主要涉及切割深度、刀片轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。適當(dāng)?shù)膮?shù)對(duì)于獲得良好的切削質(zhì)量非常重要。其他因素，如機(jī)器操作技能，也會(huì)影響晶圓切割質(zhì)量。


5、切割缺陷

晶圓切割容易產(chǎn)生的缺陷類型主要有裂紋、崩邊和剝落。這些缺陷可能對(duì)芯片造成直接損壞，也可能影響芯片的后續(xù)封裝和后續(xù)使用可靠性。例如，切割產(chǎn)生的微裂紋會(huì)將應(yīng)力引入芯片，成為潛在的芯片脆弱區(qū)域，影響封裝后的可靠性。在切割過程中，芯片受到強(qiáng)力刀體的沖擊，金屬層和硅基片脫落。如果邊緣塌陷過大，損壞芯片的功能區(qū)域，將直接導(dǎo)致芯片失效。切割過程中的沖擊導(dǎo)致的金屬層分層，雖然硅基板沒有損壞，但通常不會(huì)導(dǎo)致芯片的功能損壞，但如果剝離面積較大并延伸到功能區(qū)，也非常危險(xiǎn)。

國產(chǎn)晶圓劃片機(jī)已到達(dá)世界一流

長久以來，在全球半導(dǎo)體晶圓切割設(shè)備市場主要被日資壟斷，行業(yè)進(jìn)口依賴度較高。未來半導(dǎo)體綜合各調(diào)研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)：2021年的半導(dǎo)體晶圓切割設(shè)備市場約20億美元（中國市場5億美元），全球市場份額日本DISCO占據(jù)了超過70%，東京精密25%，國產(chǎn)化率為5%；2022年的半導(dǎo)體晶圓切割設(shè)備市場約17億美元（中國市場5億美元），2022年前三大廠商DISCO、東京精密和光力科技份額占比超過87%，DISCO占有超65%份額，東京精密25%，國有化率為10%。

近幾年，主要國產(chǎn)劃片設(shè)備廠商對(duì)標(biāo)日企，通過“中國整合 全球并購”模式迅速導(dǎo)入中高端機(jī)型市場，劃片機(jī)性能、精度和速度等指標(biāo)達(dá)到國際一流水平，主要的OSAT和IDM廠商陸續(xù)批量導(dǎo)入國產(chǎn)劃片設(shè)備。

隨著國產(chǎn)替代加速，逐漸完備的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈將成為必然趨勢，未來半導(dǎo)體預(yù)判在2023年用于先進(jìn)封裝的劃片機(jī)/切割機(jī)國有率將提升到15%。未來幾年中國新建的12英寸半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)能將躋身世界第一，前后道半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的需求量接近全世界的30%，這給中國設(shè)備廠商帶來了巨大的發(fā)展空間，未來劃片機(jī)的國有率將持續(xù)提升。但同時(shí)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中依舊面臨四大挑戰(zhàn)：

在實(shí)現(xiàn)整機(jī)高精度的同時(shí)，如何提升穩(wěn)定性保證高效穩(wěn)定的產(chǎn)出；

由于工藝差異，如何能快速高效交付以滿足客戶定制需求；

在打破外資壟斷市場同時(shí)，如何改變本土客戶長期以來對(duì)進(jìn)口設(shè)備依賴的使用習(xí)慣，并制定個(gè)性化的本土化批量導(dǎo)入服務(wù)方案，提升國產(chǎn)品牌的知名度和占有率；

在提升整機(jī)國有率同時(shí)，如何在劃片機(jī)核心零部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，包括精密封測裝備、空氣主軸、機(jī)器視覺系統(tǒng)及自動(dòng)化控制模塊、精密刀片及耗材、激光器及相關(guān)光學(xué)元件。