创新封装技术：拥有TSV通孔层的超薄晶圆切割

割（Dicing）工艺在晶圆后道和封装后段都是关键技术之一。晶圆后道阶段涉及将芯片（DIE）从晶圆上切割下来；而在封装后段，它指的是将贴晶打线塑封后的多个芯片连接在一起的框架或载体切割成单个成品。晶圆后道的切割工艺通常更为复杂。

在先进封装领域，尤其是对于切割难度最大的产品，其晶圆厚度小于75um，并且含有“via-middle” 3DI/TSV通孔层。切割是在晶圆减薄和背面处理后进行的，这意味着常用的先切割后减薄工艺无法应用。此外，背面对齐标记、TSV或其他特征的存在进一步增加了切割过程的挑战。在整个晶圆结构中使用力学性能较差的低k和超低k介质也可能引发一系列问题，例如：

器件层分层；

正面和/或背面过度崩角（DIE chipping）；

DIE边缘侧壁开裂或DIE Chipping；

与裂纹扩展相关的长期可靠性问题；

取DIE过程中DIE容易断裂。

切割质量受多种因素影响，包括切割设备、刀片、Dicing Tape（切割时晶圆附着的膜）、切割参数等。

面对这些挑战时，切割工艺需要精心设计和优化，以确保最终产品的质量和可靠性。同时，对切割设备和相关参数的精准控制也至关重要，以最大程度地降低切割过程中可能出现的问题，并确保产品符合严格的制造要求和标准。

图1  ZH05-SD2000刀片边缘显微镜图：金刚石在表面分布

图2  ZH05-SD3500刀片边缘显微镜图： 金刚石在表面分布

匿痕切割技术为晶圆切割提供了更为精确和可控的方法，减少了切割过程中晶片损伤的可能性，提高了生产效率和芯片质量。

图3  DIE chipping 崩角；a) 由晶圆上方开始出现的裂纹；b)头发丝裂纹

根据Wafer晶圆布线不同，切割形式有多种多样。如图4和图5所示。还有一种完全由激光切割的方法，但是由于激光强度太大，很容易在切割边缘产生如图6所示的缺陷：（1）金属熔化产生的高低不平的边缘和（2）硅熔化产生的的不规则体。

图4  Step1: 晶圆制备时自带隔离区，Step2：匿痕切割，Step3：扩膜将晶粒分开

图5  激光通切示意图

图6   激光通切产生的缺陷

激光划槽方法的特点在于，通过激光先在晶圆表面开槽，然后在激光开槽之间使用刀片进行切割。这种方法可以减少切割时产生的DIE边缘chipping和分层现象，从而提高切割质量和芯片的可靠性。

综合考虑各种切割方法的优缺点，选择适合特定应用和材料的切割方式对于晶圆加工过程至关重要。

图7  Laser Scribing (Grooving) 示意图

图8  混合切割法

在等离子切割过程中，利用深度活性离子蚀刻技术，通过将晶圆暴露在特定的等离子气体中，在高频电场的作用下，对晶圆进行蚀刻。这种方法在切割过程中不会对晶片产生机械应力，也不会产生碎片或边缘chipping，更不会在DIE的侧壁产生应力，因此大大提高了晶圆切割的良率和可靠性。

等离子切割法的引入为晶圆切割带来了新的可能性，提高了晶圆切割的效率和质量，同时降低了生产成本和损耗。随着技术的不断发展和成熟，等离子切割法有望成为晶圆切割领域的重要技术之一。

图9  松下公司的等离子切割样品

图10  等离子切割示意图

当然，各种切割工艺都不是完美的，需要根据产品的特性进行选择。就拿等离子切割为例，虽然具有前文描述的种种优势，但也存在一些明显的缺点。

首先，等离子切割的切割效率较低，这意味着它可能无法满足一些对生产速度要求较高的场景。

其次，设备成本昂贵，需要投资大量资金购买和维护专用的设备，这对于一些规模较小的生产厂家来说可能是一个负担。

再者，该工艺的工艺复杂度较高，特别是在掩膜和去膜步骤方面。这需要更多的时间和劳动力投入，同时也增加了生产的复杂性和难度。

表1  不同厂家切割机性能对比

在选择主流切割装备时，需要考虑多个参数，包括定位精度、切割精度、工作范围、最大行程、移动分辨率、重复精度、最大旋转角度、刀片转速、额定扭矩和清洗方式等。这些参数直接影响着设备的可控性和稳定性，进而影响最终产品的良率。

在晶圆切割设备领域，目前主要有国内外的三家主要厂商。从技术指标上看，除了Disco在Z轴的移动分辨率可以达到0.00005mm这一点比较突出外，其它厂商公布的参数没有太大差异。然而，在加工过程中，设备的可控性和稳定性等因素对最终产品的良率有着极大的影响。

值得一提的是，Disco目前被认为是切割机技术最强的厂商。而国内的和研和光力科技也是该领域的强有力跟随者，特别是在传统封装领域，国产设备基本可以完全满足需求。

在先进封装设备方面，类似于前道晶圆制造设备，供应商也受益于先进封测产业的增长。随着先进封装技术的发展，对于Bumping（凸块）、Flip（倒装）、TSV和RDL（重布线）等新连接形式所需的设备也越来越先进。

以长球凸点为例，其主要工艺流程包括预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等步骤，因此所需设备包括清洗机、PVD设备、光刻机、刻蚀机、电镀设备和清洗机等。同时，所需材料包括光刻胶、显影剂、刻蚀液和清洗液等。

综上所述，对于切割装备和先进封装设备的选择，除了技术参数外，稳定性和可控性同样重要。随着技术的发展，国内厂商在这一领域的竞争力不断增强，能够满足不同客户的需求。

在选择主流切割装备时，需要考虑多个参数，包括定位精度、切割精度、工作范围、最大行程、移动分辨率、重复精度、最大旋转角度、刀片转速、额定扭矩和清洗方式等。这些参数直接影响着设备的可控性和稳定性，进而影响最终产品的良率。对于我们公司而言，在这些关键参数的选择上，能够平衡产品需求与技术实现，以确保生产的稳定性和效率，从而保障产品质量和客户满意度。