金剛石切割刀對封裝切割制程的影響因子分析

李曉明

（西安電子科技大學 機電工程學院，西安 710075）

信息技術和電子產品的核心是集成電路芯片。在目前半導體器件及集成電路產品的封裝制程中，由前至后依次包括粘膠帶（Taping）、背面研磨（Back Side Grinder，BSG）、晶圓粘貼（Wafer Mount）、晶圓切割（Dicing）、照紫外線（Ultraviolet，UV）、基板烘烤（SBT baking）、基板刷膠主動對準技術（Active Alignment，AA）、AA后烘烤（AA post baking）、晶圓粘貼（Die Bond，DB）、基板清洗（WB Plasma）、焊線（Wire Bond，WB）、模封（Molding）、激光打印（Marking）、植球（Ball Mount）、基板切割（Saw Singulation）、性能測試（O/S test）、自動外觀檢測（Automated Visual Inspection，AVI）和人工外觀檢測（Final Visual Inspection，F(xiàn)VI）。其中，基板的切割制程是封裝的最后一道加工工序，也是后端封裝中最重要的一步。

在半導體行業(yè)中，常見有3種基板料條的切單方法，即等離子切割、激光切割和刀片切割[1]。等離子切割具有最佳的切割性能，切單的缺陷幾乎為零，但運行成本高。激光切割使用激光燒蝕分離單元，產生側壁的熱影響區(qū)域，降低芯片強度[2]。傳統(tǒng)的切單方法即刀片切割，與其他方法相比更加成熟且成本低[3]。其中，使用金剛石切割刀片的切單技術目前仍是半導體行業(yè)封裝制程中應用最廣泛的方法，主要作用是將做完植球工序的整條基板產品進行切單，完成切單的集成電路（Integrated Circuit，IC）用特定的Tray盤進行裝置，再經自動外觀檢測和人工外觀檢測，待合格后即可使用。在基板的切割制程中，使用的包裝材料為Tray，直接材料為黑色矩陣（Black Matrix，BM）后的基板，間接材料也是最關鍵的材料為切割刀，即本文的研究對象。

在半導體集成電路封裝中，金剛石切割刀由金剛石顆粒、黏合劑和Chip pockets組成。金剛石顆粒用來進行打碎、切斷基板料條中除IC外的邊角料。黏合劑用于固定金剛石。Chip pockets則用于帶走微粒/粉末，同時帶來冷卻液。

1 表面形貌分析

使用掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜儀（Oxford INCA Energy EDX）分析金剛石切割刀的表面形貌，以獲取其內部參數(shù)因子，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)。

確保X射線探測器內的液態(tài)氮足夠，且掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）高壓已開，將X射線探測器分別移動至切割刀的分析位置，設定電鏡控制放大倍數(shù)為2 000，工作距離為15 mm，收集影像如圖1所示。

圖1 部分影像收集

此外，為保證金剛石切割刀表面形貌的定量分析最佳化，將隨機臺隨附的CO標準品放入SEM內觀察，并在影像截取后、圖譜采集前設定X-ray收集條件為收集比率1～2 kc·s-1和時間40%以下，使得電鏡達到分析所需條件，所得數(shù)據(jù)無限趨向于樣本的真實情況[4]。

在影像選擇的不規(guī)則區(qū)域進行譜圖分析，結果如圖2所示。從掃描結果可以看到，某些區(qū)域的元素分布比較多，那么其曲線比較高。

圖2 部分元素線掃描譜圖

2 作業(yè)機理分析

當工作物體屬于較軟的材質（如銅、生陶瓷等）時，切割刀片會利用切割刀口的某一部分將工作物體一點一點挖除，并移除切割制程中產生的粉末，即課題涉及的作業(yè)原理。當工作物體的移動方向與金剛石顆粒旋轉的方向在某一點發(fā)生相交時，并不會產生某一范圍內的微小裂痕，相反僅僅產生工作物體中的粉末碎屑，并在工作過程中可通過Chip Pockets移除粉末。這種切割方式的主要缺點是易產生毛邊，是目前在半導體器件和集成電路產品封裝制程中廣泛使用的一種切割技術[5]。

基板切割制程包括兩個主要準備工作，分別為測量刀高與磨刀/預切割環(huán)節(jié)。根據(jù)測量方式不同，測量刀高包括接觸式測高和非接觸式測高。接觸式測高通過切割刀片與切割平臺接觸確定高度。非接觸式測高通過非接觸式位置傳感器（Non Contacting Position Sensor，NCS）測量。正常情況下，非接觸式測高不會造成刀片損傷，接觸式測高需注意刀片是否與切割平臺上測高點有接觸。接觸式測高可代替非接觸式測高，而非接觸式測高不可代替接觸式測高。接觸式測高常在換刀后進行，非接觸式測高主要在切割工作中進行。

在正式切割作業(yè)前，往往會增加一個磨刀與預切割環(huán)節(jié)，主要目的是使金剛石顆粒裸露出來，為產品修建良好的刀口，達到更好的真圓度，使得實際刀片的外徑更加貼合理想狀態(tài)下的圓，保證切割品質。

3 Abaqus仿真分析

基于Abaqus CAE建立金剛石切割刀與基板料條兩者的三維圖形。建立切割制程的三維模型是進行封裝切割制程仿真的第一個關鍵步驟，也是體現(xiàn)金剛石切割刀在封裝制程應用時具體過程的關鍵環(huán)節(jié)。是否能夠完整并貼合實際地建立實際金剛石切割刀和基板料條的三維模型，直接影響后續(xù)Abaqus物理仿真的結果和后續(xù)試驗設計（Design of Experiment，DOE）驗證的必要性。金剛石切割刀和基板料條的三維圖形，如圖3所示。

圖3 金剛石切割刀和基板料條的三維圖形

此外，由于切割刀片與基板料條的封裝切割制程中切割刀片發(fā)生的變形十分小，無限趨向于零，故不予考慮切割刀片在作業(yè)中的磨損和變形，一概設定為剛體。

金剛石切割刀片-tool部件的粒度/顆粒尺寸設置為320目（顆粒尺寸較大）。將黏合劑類型參數(shù)選取為M1黏合劑時，金剛石切割刀在與基板料條的封裝切割作業(yè)中極易發(fā)生IC邊緣拉毛。金剛石顆粒粒度較小時，每一顆金剛石顆粒尺寸較大，造成IC邊緣拉毛，如圖4所示[6]。由于黏合劑與金剛石顆粒共同承擔切割的行為，并無黏合劑起固定角色，導致切割作業(yè)不穩(wěn)定，IC邊緣拉毛，切割品質低，封裝良率不達標。將金剛石粒度調整為360目甚至是400目，亦或是將黏合劑參數(shù)選取為V1時，改良后的切割刀片與基板料條作業(yè)后的邊緣拉毛現(xiàn)象有所減少。

圖4 IC邊緣拉毛

在金剛石切割刀片參數(shù)影響因子設置中，若粒度偏高（400目）、集中度偏低（50集度）或粒度偏低（320目）、集中度偏高（400集度），即二者水平差距過大時，在切割刀片與基板料條的封裝制程作業(yè)中常發(fā)生模面和基板面的崩邊（IC和基板均發(fā)生不同程度的崩裂/崩碎），如圖5所示。究其原因，主要是粒度和集中度水平差距過大時，作用主體-金剛石顆粒在切割刀片中密度過大，極易發(fā)生切割品質不良的情形。

圖5 模面和基板面崩邊

若固定其他影響因子，將切割刀片的真圓度設定為30 μm（較高水平），則在CH1第一條切割道作業(yè)初即發(fā)生切縫異常的情形，切割道并非按照預定的為一條均勻合規(guī)的直線，而是一條不規(guī)則曲線，可驗證當金剛石切割刀片的真圓度高、尺寸精度差時，發(fā)生切割異常、切縫大的不良情形的概率上升。如圖6所示，當切割刀片內部的金剛石顆粒發(fā)生異常，如粒度、集中度偏離正常值如粒度（-∞，200）∪（500，＋∞）、集中度（-∞，30）∪（600，＋∞）時，該條件下切割刀片未能按預期完成制程作業(yè)，即與基板料條的切割發(fā)生未切透的現(xiàn)象（理想狀態(tài)下的作業(yè)極限趨向于僅發(fā)生輕微彈性形變）。

圖6 切縫異常

4 DOE試驗

本文試驗是在1k潔凈室內進行的，如表1所示，試驗4因子分別是粒度x1、集中度x2、真圓度x3、黏合劑類型x4。令切割品質及封裝良率水平為輸出結果，一個處理就是一次試驗。

表1 切割品質及封裝良率水平

4.1 極差分析

如表2所示，借助Minitab軟件，采用極差分析法，對試驗設計結果進行4因子的重要性排序。

表2 均值響應表

如圖7所示，如果僅僅使用極差分析來總結DOE試驗的結論，那么最優(yōu)組合是A3B3C1D3（粒度400目、集中度100集度、真圓度10 μm、黏合劑類型V1）。但是，在分析極差的同時，需要考慮這4個金剛石切割刀的因素對切割品質及封裝良率的影響在統(tǒng)計學上是否是顯著的，所以需要進行方差分析。

圖7 因子趨勢圖

4.2 方差分析

如表3所示，對試驗結果采用方差分析進行F檢驗，再次驗證4因子對切割制程的影響顯著程度。

表3 方差分析結果

由試驗數(shù)據(jù)可以得出，粒度、集中度、真圓度、黏合劑類型這4個參數(shù)影響因子在金剛石切割刀和基板料條的制程中都是顯著的影響因子。結合極差分析可得，真圓度1（10 μm）＞集中度3（100集度）＞粒度3（400目）＞黏合劑類型3（V1）。

5 結語

基于目前集成電路和半導體器件封裝行業(yè)的應用現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的金剛石切割刀片作業(yè)在未來一段時間仍是使用最廣泛、成熟的切割工藝，但其在一些方面仍存在缺陷，需要深入研究，如探尋新的黏合劑類型、研發(fā)具有普適性的設備機臺等，以期提高IC封裝的生產力。