半導(dǎo)體集成電路封裝流程及博捷芯劃片機(jī)工藝步驟

半導(dǎo)體制造始于硅的加工，首先是達(dá)到純度 99.999%的硅晶柱被切割成不同厚度的晶圓，一般4in晶圓的厚度為 520um，6in 的為670um，8in 的為 725m，12in的為 775um。晶圓上的電路芯片按窗口刻蝕，在晶圓上呈現(xiàn)小方形陣列，每個(gè)小方形代表一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)特定功能的電路芯片。

在半導(dǎo)體制造過程中，晶圓邊緣某一區(qū)域的芯片圖形工藝不完整，如圖所示 2-1 所示?？紤]到邊緣區(qū)域圖形不完整，在制作掩模板時(shí)將其去除。每個(gè)圖形都是工藝和功能齊全的晶粒，便于良率統(tǒng)計(jì)、晶粒分揀和盲密封。硅晶柱尺寸越大，可切割的晶圓面積越大，功能齊全的有效芯片晶粒數(shù)量越多。因此，芯片制造工藝越先進(jìn)，晶圓尺寸越大，每個(gè)電路芯片的成本越薄，半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本就越低。

半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向是單芯片越來越小，單芯片集成的晶體管越來越多。硅晶圓的發(fā)展趨勢(shì)是晶圓尺寸越來越大，隨著工藝的進(jìn)步，硅晶柱可以生長到1in、2in、4in、6in（約150mm）、8in（約200mm），近幾年發(fā)展了12in甚至開發(fā)更大的規(guī)格(14)in、16in，甚至20in以上）。

in英寸(舊也作時(shí))，lin～2.54cm。

幾到幾十萬個(gè)電路芯片被一個(gè)晶圓重復(fù)刻蝕。在晶圓上，電路芯片單元通過一定區(qū)域相互隔離，稱為芯片晶粒隔離區(qū)，如圖2-2、圖2-3所示。在使用芯片晶粒之前，需要通過有效的手段將其分割并單獨(dú)去除。此時(shí)，有必要將晶圓劃分為單獨(dú)的芯片晶粒，然后對(duì)芯片晶粒進(jìn)行鏡檢、焊接、鍵合、密封等工序，以便包裝成品集成電路，可以實(shí)現(xiàn)各種功能，不易被環(huán)境損壞。

晶圓生產(chǎn)線制造的整個(gè)晶圓，經(jīng)過探針臺(tái)電試驗(yàn)后，通過切割工藝分割成具有電氣性能的獨(dú)立芯片，稱為晶圓切割或劃片。

圖2-4顯示了集成電路制造的包裝過程和分割過程的位置。晶圓片是電子包裝過程中的第一道工序，主要通過研磨、燃燒等方式進(jìn)行分割。在此期間，隨著晶圓的固定和清洗，以確保芯片不被分割過程中產(chǎn)生的污垢污染，并保持晶粒的清潔度。同時(shí)，還要確保芯片電路功能在分割過程中的完整性和可靠性。

劃片方式

最早的晶圓切割方法是物理切割，通過橫向、縱向切割運(yùn)動(dòng)，將晶圓分成方形芯片晶粒。目前，用金剛石砂輪切片刀(見圖2-5)晶圓切割方法仍占據(jù)主流地位。機(jī)械劃片的力直接作用于晶圓表面，會(huì)對(duì)晶體內(nèi)部造成應(yīng)力損傷，容易造成芯片崩邊和晶圓損傷。尤其是對(duì)厚度 100um 在下面的晶圓劃片中，很容易導(dǎo)致晶圓破碎。機(jī)械切片速唐一般為8~10mm/s，分區(qū)速度慢，要求分區(qū)槽寬度大于 30um，高可靠電路的劃片槽寬度應(yīng)更大，甚至達(dá)到 50~60um，確保芯片劃片后的完整性和可靠性。一般芯片的預(yù)留槽寬度和金剛石砂輪切割刀的推薦值如表所示 2-1 所示。機(jī)械劃片原理如圖所示 2-6所示。

激光切割屬于無接觸式切片，不對(duì)晶圓產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，對(duì)晶圓損傷小，可避免芯片破碎、損壞等問題 (見圖 2-7)。由于激光在聚焦上可以達(dá)到亞微米數(shù)量級(jí)的特點(diǎn)，因此對(duì)晶圓的微處理更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，激光片的速度可以達(dá)到 150mm/s，與機(jī)械切片率相比，它可以大大提高，可以勝任薄晶圓的加工任務(wù)，也可以用來切割一些形狀復(fù)雜的芯片，如六角形。但昂貴的設(shè)備成本是制約激光劃片普及的因素之一。

劃片工藝步驟

劃片工藝開始前，首先要做好必要的準(zhǔn)備；之后，將待切割的晶片粘貼在藍(lán)膜上，將藍(lán)膜框架放入劃片機(jī)，開始劃片過程，實(shí)時(shí)清除劃片產(chǎn)生的硅渣和污垢；最后，撿起并保存分割芯片。具體步驟如圖所示 2-8 所示。

1. 準(zhǔn)備工作

用乙醇和無塵布擦拭膜機(jī)，用氮?dú)鈽屒逑垂ぷ髋_(tái)和區(qū)域。必要時(shí)，打開去離子風(fēng)扇，吹工作區(qū)域，消除靜電干擾。檢查待劃片的晶圓（見圖2-9），檢查晶圓數(shù)量和批次信息，確保晶圓完好無損。

2、貼裝藍(lán)膜

貼上藍(lán)膜后的晶圓如圖所示 2-10 所示。

(1) 藍(lán)膜

藍(lán)膜用于將晶圓背面固定在金屬膜框上，固定晶圓，約束晶粒，使晶圓切割分離成晶粒粒不會(huì)散落。晶圓通常根據(jù)尺寸來區(qū)分，這里的尺寸是指晶圓的直徑，通常是6in、8in、12in。目前使用的高可靠電路，一些穩(wěn)定的老品種也使用4in 晶圓。藍(lán)膜也有不同尺寸的規(guī)格。

藍(lán)膜的特征參數(shù)是厚度和附著力。大多數(shù)用于硅晶圓片的藍(lán)膜厚度為 80~95um。膜的附著力必須足夠大，以確保分離的每個(gè)晶粒在分割過程中牢牢固定在膜上。當(dāng)分區(qū)完成后，晶粒可以很容易地從膜上取出。

最常用的是普通藍(lán)膜和紫外線 (UV) 膜。普通藍(lán)膜的成本約為 UV 膜的 1/3。UV 膜的粘接強(qiáng)度是可變的。紫外線照射后，粘合劑聚合固化，粘附力降低90%.脫膜、揭膜、無殘留物更容易。UV 膜具有很強(qiáng)的粘附力來固定晶圓，即使是小晶粒也不會(huì)有位移或剝離問題。即使是大晶粒也可以通過紫外線力極弱，晶粒背面無殘留。

(2) 貼膜框

膜框架又稱晶圓環(huán)、膜框架、金屬框架等，由金屬材料制成，具有一定的剛度，不易變形，與膜機(jī)一起使用。膜框用于收緊藍(lán)膜，固定晶圓，便于后期的晶圓劃片和晶粒分類，避免藍(lán)膜褶皺碰撞擠壓造成的損壞。

(3)裝配過程

圖2-11 晶圓、藍(lán)膜和貼膜框的膜框的裝配圖 2-12給出了晶圓、藍(lán)膜和貼膜框的組裝過程。首先，取出一塊晶圓，正面朝下，背面朝上，放在貼膜機(jī)工作盤上，打開真空開關(guān)，吸收晶圓。然后將貼膜框放在貼膜機(jī)工作臺(tái)上，使其中心與晶圓中心對(duì)齊，并將側(cè)定位框移動(dòng)到貼膜框外側(cè)，將其左右限位。最后，拉出足夠長的藍(lán)膜，拉緊，貼在貼膜機(jī)后部，覆蓋整個(gè)貼膜框區(qū)域，用滾筒壓過藍(lán)膜，將晶圓、藍(lán)膜和框架組裝在一起。

3、晶圓切割

晶圓按芯片大小分成單晶粒，用于隨后的芯片貼裝、引線鍵合等工序。雖然機(jī)械分區(qū)存在許多可靠性和成本問題，如晶圓機(jī)械損壞嚴(yán)重、晶圓分區(qū)線寬大、分區(qū)速度慢、冷卻水切割、刀具更換維護(hù)成本高等，但機(jī)械切割仍是主要的分區(qū)方法。通過調(diào)整切片工藝參數(shù)，選擇最佳刀具類型，采用多次切片等方法，解決機(jī)械切片芯片崩邊、分層、硅渣污染等問題。

4、清洗

晶圓切割過程主要是清洗分區(qū)產(chǎn)生的各種硅屑和粉塵，清洗晶粒，冷卻分區(qū)刀。

根據(jù)切割材料的質(zhì)量要求，冷卻介質(zhì)采用去離子水或自來水等冷卻介質(zhì)。冷卻流量通常由流量計(jì)控制，正常 0.2~4L/mn。流量尺寸應(yīng)根據(jù)刀片和切割材料的類型和厚度進(jìn)行調(diào)整。流量會(huì)沖走切割過程中粘附不牢固的芯片。對(duì)于特別薄的刀片，大流量有時(shí)會(huì)影響刀片的剛度：小流量會(huì)影響刀片的使用壽命和切割質(zhì)量。

5、芯片拾取

用UV 光照射后，UV 膜粘度降低，易于拾取分割晶粒，如圖所示 2-14 所示

表 2-2 主要設(shè)備、部件、耗材及劃片過程中涉及的功能。

審核編輯 黃昊宇