淺析砂輪劃片機(jī)劃切工藝

文 赟，王克江，孫 敏，楊云龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊065201)

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，市場對半導(dǎo)體封裝技術(shù)提出了更高的要求。對其更小、更輕、更低功耗和更高可靠性的要求日新月異，并且新興的工藝劃切對象不再單一，導(dǎo)致劃切工藝更加復(fù)雜。為了提高劃切品質(zhì)和加工效率，必須透徹分析影響劃切品質(zhì)的因素。

劃片機(jī)是以強(qiáng)力磨削為劃切原理,空氣靜壓電主軸為執(zhí)行元件,以每分鐘3萬到6萬的轉(zhuǎn)速劃切晶圓的劃切區(qū)域,同時承載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的劃切線方向呈直線運(yùn)動,將每一個具有獨(dú)立電氣的芯片分裂出來。這個過程就是劃片或劃切(DicingSaw)。工作原理如圖1和圖2所示。

圖1 劃切區(qū)工作圖

圖2 原理示意圖

1 劃切原理分析

金剛石刀具在劃切不同的材料時，會產(chǎn)生不同切削形式，下面是劃切原理的一些關(guān)鍵名詞解釋。

1.1 刀口

刀口為鉆石顆粒和結(jié)合劑粘結(jié)時形成的空穴，在刀具的劃切過程中有很重要的作用，刀口最基本的功能是排屑和冷卻刀具。刀口能在高速旋轉(zhuǎn)的過程中將冷卻液帶到劃切部位，達(dá)到冷卻效果。如果刀口被堵塞，冷卻效果與切削力都會受到影響。采用不同的結(jié)合劑將造成不同形式的刀口，但無論什么形式的刀口，在劃切中都起同樣的功用。圖3為刀口模擬形狀。

圖3 刀口形狀

1.2 撞擊

當(dāng)劃切材料是一些硬、脆材料時，例如硅晶圓、玻璃等，在劃切過程中金剛石顆粒是以撞擊的形式把加工物敲碎，然后利用刀口將產(chǎn)生的廢屑帶走，如圖4所示。

圖4 撞擊示意圖

1.3 挖除

當(dāng)工件屬于較軟的材質(zhì)，刀具會利用刀口部分將工作物一點(diǎn)一點(diǎn)挖除，并將粉末帶出，如圖5所示。

1.4 自銳

刀具在劃切過程中，由于鉆石顆粒的磨損，切削力會受到影響，導(dǎo)致劃切品質(zhì)變化，這就需要刀具具有自我再生的能力，就是我們所說的自銳。由于鉆石顆粒的硬度和結(jié)合劑不同，刀具的自銳有兩種方式：金剛石斷裂和金剛石磨損。

圖5 挖除示意圖

金剛石的斷裂是指鉆石顆粒在長期的撞擊之下，某些鉆石顆粒會破裂，并在斷裂面形成一些銳角，使刀片能夠繼續(xù)維持在鋒利的狀態(tài)。通常鉆石顆粒為氮化硼時，多產(chǎn)生此類自銳。

金剛石的磨損是指因為長時間的摩擦使固定鉆石顆粒的結(jié)合劑減少，當(dāng)結(jié)合劑少到某一種程度，同時在外力的驅(qū)使下，鉆石顆粒會自然脫落，而新的鉆石顆粒也會顯露出來，從而達(dá)到自銳的效果。

不管哪種自銳方式，劃切品質(zhì)和劃切時間的關(guān)系示意圖如圖6所示，在新的顆粒或者鋒利刀口產(chǎn)生出來之前，劃切品質(zhì)會隨著時間的增長而變差。

圖6 劃切品質(zhì)與劃切時間關(guān)系示意圖

1.5 過載

當(dāng)?shù)犊诘目昭ū灰恍┤嵝晕镔|(zhì)堵塞后，導(dǎo)致刀口不能發(fā)生作用，刀具也不能達(dá)到自銳的效果，如圖7所示。

圖7 過載示意圖

1.6 鈍化

因為沒有足夠的力量可以讓鉆石顆粒脫落、破裂和完成自我再生的動作導(dǎo)致刀口消失而無劃切的能力，如圖8所示。

圖8 鈍化示意圖

2 刀具參數(shù)對劃切品質(zhì)的影響

刀具是由鉆石顆粒通過粘結(jié)劑粘結(jié)而成，主要參數(shù)有鉆石粒度、結(jié)合劑、集中度、刀口。

砂輪劃片機(jī)刀具按外形可分為硬刀和軟刀。硬刀可以直接安裝在主軸前端，而軟刀需要在主軸前端安裝一對法蘭盤，將刀具夾緊固定于軸端。外形如圖9和圖10所示。

圖9 硬刀

圖10 軟刀

按照制作工藝可以分為電鍍刀具與燒結(jié)刀具。電鍍刀具刀體為金屬,其上鍍制金剛砂，厚度一般為0.015～0.1 mm；燒結(jié)刀具由金屬粉或樹脂同金剛砂粉混合后,采用高溫高壓的方式燒結(jié)而成，厚度一般為0.1～1 mm。

鉆石顆粒種類可以分為金剛石和氮化硼兩種，見表1。由于兩種鉆石顆粒的硬度和溫度穩(wěn)定度不同，可以用于不同材料的劃切。氮化硼自銳的原理多為斷裂，而金剛石自銳則通過脫落完成。

表1 鉆石顆粒分類

2.1 鉆石顆粒尺寸的影響

鉆石顆粒的大小直接影響切削力及劃切品質(zhì)。鉆石顆粒較大的刀具在劃切時每次帶走的切削粉末較多，不容易污染工件，并且由于鉆石顆粒和結(jié)合劑接觸的范圍較大，鉆石顆粒的抓緊力強(qiáng)，不易磨損，切削能力強(qiáng)。但劃切時產(chǎn)生的崩裂較大，影響劃切品質(zhì)。

選擇刀具時，首先選擇刀具金剛砂顆粒大小，不僅要考慮加工效率問題，還要考慮減輕對加工物的沖擊力，減小崩邊的產(chǎn)生。圖11和圖12是其它劃切參數(shù)均相同，不同磨粒的劃切效果圖。

圖11 #2000的顆粒刀片

圖12 #4500超微細(xì)顆粒刀片

2.2 集中度的影響

刀具集中度是指鉆石顆粒在刀片中所占比例或數(shù)量。在1 cm3的體積中，如果鉆石顆粒的數(shù)量占其中的25%，我們稱此集中度為100，如圖13所示。

圖13 集中度的定義

集中度較高時，劃切時每一個鉆石顆粒所承受的阻力相對較小，并且由于集中度高產(chǎn)生的刀口較多，排屑能力較好，產(chǎn)生的正崩邊較小，劃切品質(zhì)有所提高。但由于鉆石顆粒的增加導(dǎo)致結(jié)合劑減少，刀具的強(qiáng)度減小，在實際使用中容易斷刀，如圖14所示。

圖14 集中度影響等效圖

2.3 結(jié)合劑的影響

結(jié)合劑硬度較大時，會導(dǎo)致刀具的自銳能力降低，劃切時受到的阻力也較大，影響了劃切品質(zhì)，但其刀具的強(qiáng)度較大，不易磨損和損壞，適用一些對劃切品質(zhì)要求不是很高，但對加工效率和成本有所控制的工藝。結(jié)合劑一般分為樹脂結(jié)合劑，金屬結(jié)合劑，金屬電鍍型3種，硬度依次增加。

3 劃切參數(shù)對劃切品質(zhì)的影響

3.1 轉(zhuǎn)速的影響

采用較高轉(zhuǎn)速時，每顆鉆石顆粒所承受的負(fù)載減小，可減小劃切產(chǎn)生的崩裂，劃切產(chǎn)生的阻力較小，可以增加進(jìn)給速度。但超過一定進(jìn)給速度之后，隨著轉(zhuǎn)速的提高，主軸的震動也會相應(yīng)增加，對劃切品質(zhì)產(chǎn)生影響。如圖15和16分別為低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下劃切示意圖。圖17和18為其它工藝參數(shù)均相同，轉(zhuǎn)速分別為30 000 r/min和40 000 r/min的劃切效果圖。

圖17 30 000 r/min劃切效果

圖18 40 000 r/min劃切效果

3.2 進(jìn)給速度的影響

進(jìn)給速度較快時，每顆鉆石顆粒所受的負(fù)載增加，有損壞刀具的可能，并且進(jìn)給速度增加會導(dǎo)致崩裂增大，冷卻效果不佳等。如圖19為進(jìn)給速度快和慢時的劃切示意圖。

圖19 進(jìn)刀速度比較示意圖

3.3 刀座的影響

由于刀座平整度的誤差導(dǎo)致刀具高速旋轉(zhuǎn)時的擺動，會產(chǎn)生較大崩邊，如圖20所示。

某客戶的陶瓷開槽為例，客戶需要一個0.15mm，偏差±5%μm的斜槽。都使用厚0.15 mm的刀具及相同劃切參數(shù)，圖21為刀座誤差5%μm的情況，引起刀痕偏大，圖22為刀座誤差1%μm，刀痕就可以滿足要求。

圖20 刀座擺動示意圖

圖21 刀座誤差5 μm

圖22 刀座誤差1 μm

法蘭的平整度也同樣會影響劃切品質(zhì)。法蘭如粘有廢屑，平整度不夠，會使刀具和法蘭無法充分接觸，導(dǎo)致刀片擺動。當(dāng)?shù)逗圯^粗，大于刀片厚度的1.1倍時，或刀痕的產(chǎn)生單邊崩邊時，就必須及時檢查、清潔和修整刀盤，使它的平整度保持在2%μm以內(nèi)。如果頻繁更換、裝卸刀具，一個月應(yīng)修整一次，才能確保劃切品質(zhì)。

3.4 冷卻液的影響

冷卻液包括劃切冷卻液和主軸冷卻液。

穩(wěn)定的劃切冷卻液(去離子水)流量，不僅在劃切過程中起到冷卻刀片的作用，還可以防止電擊、電弧現(xiàn)象發(fā)生，同時沖掉劃切過程中碾碎的碎粒，減少芯片表面的硅粉污染，提高劃切品質(zhì)。如果冷卻液在劃切過程中突然減少，就會出現(xiàn)刀痕突然加深，嚴(yán)重時劃傷工作臺、刀體打火、刀痕燒糊、刀體卡在芯片中、損毀刀具，以至于芯片報廢。如圖23和圖24分別為其它劃切參數(shù)均相同，冷卻效果好與不好的情況下的劃切效果圖。

圖23 冷卻效果不佳

圖24 冷卻效果佳

主軸冷卻液的溫度變化，也會引起劃切品質(zhì)的下降。如果水溫的變化保持在一定的范圍內(nèi)，就能保證主軸在劃切過程中的穩(wěn)定，刀痕就不會前后漂移。但如果水溫變化較大，劃切較窄的劃切道(小于40%μm)時，就很容易傷及芯片。

3.5 工件固定方式的影響

一般來說，我們需要將工件固定在一層膠帶上，其一面具有黏性并且柔軟。除了固定作用，膠帶還起到提高劃切品質(zhì)、減少劃切過程中飛片以及保護(hù)工作臺的作用。根據(jù)膠帶的受熱粘貼方式的不同，分為受熱粘貼的膠帶和受UV照射粘貼的膠帶，分別適用于一些可加熱和對溫度敏感的工件，而且UV膠帶的粘著力要比熱膠帶大很多。黏性越大的膠帶越適用于厚的工件與容易掉片的工件。膠帶厚度由膠的厚度與薄膜的厚度組成，厚度的選擇會直接影響背面崩邊。除了用膠帶粘貼，還可以使用石蠟或者強(qiáng)力膠水將一些比較特殊的工件固定在平整的石墨板或硅片上。如圖25和26顯示分別采用藍(lán)膜固定和石蠟固定的LTCC背面崩邊情況，用石蠟固定的工件背面崩邊要好的多，只是在撿片的時候增加了工序與難度。

圖25 膠帶固定

圖26 石蠟固定

4 刀具和工藝參數(shù)選擇的一般規(guī)則

4.1 刀具型號選擇的一般規(guī)則

材料較硬的工件，需選取較軟結(jié)合劑、較大顆粒的刀具，通常半導(dǎo)體使用刀具顆粒度范圍為#1700～4000，#320～600的刀具適用于石英、陶瓷和玻璃等較硬的材料；對于比較脆的材料比如石英，通常選擇結(jié)合劑較軟的刀具；對于材料黏性比較大的工件，比如金屬、高分子化合物，通常選擇顆粒比較大的刀具；在正崩要求比較高時，可以選擇顆粒較小，集中度較高的刀具；在有背崩要求的情況下，選擇較低集中度、低強(qiáng)度結(jié)合劑的刀具；對于生產(chǎn)規(guī)模大，要求刀體壽命不能過短的工藝，通常選擇集中度低，結(jié)合劑較硬的刀具。

圖27 刃厚、刃長與劃切深度的關(guān)系

刀具的刀刃長度、刀片厚度均要根據(jù)劃切深度和刀痕寬度來選擇，如圖27所示。其中如果刀片厚度為T，刀刃長度的選擇范圍：Ex=20T～30T，刀痕寬度的范圍：W=1.1T，劃切深度的范圍：W=10T～15T。

根據(jù)表2中各種結(jié)合劑的優(yōu)缺點(diǎn)來根據(jù)劃切材料選擇適合的結(jié)合劑的刀具。

表2 結(jié)合劑種類及優(yōu)缺點(diǎn)

4.2 修刀參數(shù)設(shè)計

劃切過程中，由于冷卻效果不好，或者材料本身粘刀，使刀片的氣孔堵塞、磨粒不能夠及時脫落更新，就不能產(chǎn)生自銳現(xiàn)象。必須建立一套反復(fù)修整刀片的工序，保證刀片的最佳劃切性能。例如：劃切疊層電容等較軟材料時，會經(jīng)常發(fā)生刀口被堵塞的現(xiàn)象，這就需要我們通過磨刀的手段使刀具重新達(dá)到鋒利的狀態(tài)。

修刀的基本工序：選擇中軟性(小于10μm粒度，320#)的修刀板，或者選擇刀片粒度加2個國標(biāo)粒度。修刀深度也要分不同深度進(jìn)行，可以選擇二次劃切。切割水盡可能的小，或者把修刀板放水里浸濕透。

以劃切320 μm厚的晶圓片為例，一般修刀工藝如表3。

表3 修刀參數(shù)

4.3 優(yōu)化工藝參數(shù)

穩(wěn)定的扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，必須要求進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和冷卻液流量的穩(wěn)定。

進(jìn)給速度主要取決劃切材料硬脆性以及劃切深度，同時進(jìn)給速度與主軸的轉(zhuǎn)速要匹配。一般情況下劃軟材料的進(jìn)給速度比硬材料快；脆的材料速度較慢；劃淺比深速度快。在選擇主軸轉(zhuǎn)速時，劃切軟材料主軸轉(zhuǎn)速比硬材料低；同一種材料，劃切厚的工件主軸轉(zhuǎn)速比薄的要高；劃切厚硬材料時要考慮選用大功率的主軸。

冷卻液的流量和溫度達(dá)到穩(wěn)定，劃切品質(zhì)才能達(dá)到最佳。冷卻液流量的調(diào)節(jié)，包括噴嘴方向、高低、流量大小的調(diào)節(jié)。只有保證了足夠的冷卻效果，才能降低刀片過載、堵塞、污染等現(xiàn)象，有效控制劃切崩裂。冷卻液的溫度并不是越低越好，冷卻液溫在24℃時主軸伸縮量的變化最小，使得刀痕偏移變化量也最小，此時不需要頻繁進(jìn)入圖像調(diào)整，避免劃切時偏離劃槽中心，或劃傷芯片。

4.4 劃切方式

針對某些特殊材料，可以選擇二次劃切的方式，先開槽去除劃槽內(nèi)的金屬氧化物等鈍化層，由于劃槽較淺，冷卻效果也好，刀片也不會過載。開槽刀片一般選用金剛砂顆粒較小，中等強(qiáng)度結(jié)合劑和金剛砂密度，劃切時金剛砂顆粒易削落，形成自銳。第二次劃切劃透工件，刀片就選一般標(biāo)準(zhǔn)即可。

5 結(jié)論

在砂輪劃片機(jī)的劃切工藝中，崩裂及劃切品質(zhì)問題可以通過選擇合適型號的刀具以及調(diào)整、優(yōu)化工藝劃切參數(shù)來改善。由于劃切對象與劃切要求的不同，并且影響劃切品質(zhì)的因素眾多，使得劃切工藝數(shù)據(jù)庫體積龐大復(fù)雜，所以對于各種各樣劃切對象的劃切工藝是一個不斷摸索與總結(jié)的過程。一般經(jīng)驗可以指導(dǎo)大多數(shù)劃切工藝。選擇最佳工藝與刀具，需并行考慮劃切要求和劃切材料的性質(zhì)，在刀片壽命、切削效率、切削品質(zhì)之間作出平衡，具體情況下的問題還需更近一步分析研究與實驗得出具體結(jié)論。