1 傳統(tǒng)劃片技術(shù)所面臨的難題 隨著向輕薄短小的發(fā)展趨勢(shì)，IC的封裝也起了很大的變化．如記憶體IC，已由早期的單一chip變成多層chip堆棧的封裝，一顆IC里疊了7、8層芯粒（chip），韓國(guó)三星半導(dǎo)體今年稍早更公開展示了其超薄晶圓的封裝技術(shù)已達(dá)16層的堆棧，而封裝后的尺寸還要比原來同容量的IC更小。因此芯片的厚度也由650μm一路減薄至120、100、75、50、25、20 μm。當(dāng)厚度降到100 μm以卜，傳統(tǒng)的劃片技術(shù)已經(jīng)山現(xiàn)問題，產(chǎn)能節(jié)節(jié)下降，破片率大幅攀升。芯片在此階斷價(jià)值不斐，幾個(gè)百分點(diǎn)的破片率可能吃掉工廠辛苦創(chuàng)造的利潤(rùn)。 另外，晶圓的制造技術(shù)中，為了提升效能，采用了low-k材料，在其結(jié)構(gòu)中有多層的金屬和一些易碎的材料。當(dāng)傳統(tǒng)鉆石刀片遇到這些延展性高的金屬層，鉆石顆粒極易被金屬削包住而失去部份切削能力，在此情況下進(jìn)刀，極易造成破片或斷刀。 其實(shí)，除了先進(jìn)的IC之外，在傳統(tǒng)二極管（Diode）的晶圓劃片，鉆石刀同樣有許多無法滿足業(yè)界需求的地方：比如Gpp晶圓的劃片，機(jī)械方式的磨削造成玻璃批覆層嚴(yán)重破損而導(dǎo)致絕緣不良和嚴(yán)重漏電，為了克服這一問題，業(yè)界只好自求多福發(fā)展出各種復(fù)雜的工藝去彌補(bǔ)這項(xiàng)缺陷。將玻璃層只長(zhǎng)在切割道（Cutting Street）兩旁。對(duì)方形晶粒而言，這個(gè)方式已被業(yè)界延用多年。但對(duì)六角型晶粒（Hexagonal Dice）而言，還存在問題，即六角型每邊的三角型被浪費(fèi)。在每一分一毫都需計(jì)較的二極體行業(yè)，30％～40％主原料（芯片）的損失是極可怕的。通過新的技術(shù)，這些長(zhǎng)期以來的失血，是完全可以被止住。 在以藍(lán)寶石為基板的高亮度LED晶圓的劃片．亦存在嚴(yán)重的劃片問題。傳統(tǒng)的藍(lán)寶石晶圓的劃片_豐要有2種方式：用鉆石筆或鉆石刀片。在藍(lán)寶石晶圓上先劃很淺的線，再裂片。由于藍(lán)寶石材質(zhì)本身相當(dāng)硬，無論選哪種方式，工具的損耗都非常嚴(yán)重；裂片后，整體良品率也不高。這些長(zhǎng)期困擾LED、業(yè)界的問題，現(xiàn)在隨著紫外激光劃片系統(tǒng)的運(yùn)用，已大為改善。 在微機(jī)電（MEMS）方面，有越來越多的芯片需要打孔、異形孔開孔和局部減薄等加工。玻璃與硅片鍵合在一起的復(fù)合芯片的切割、披覆有鉆石層的芯片，以及復(fù)雜微結(jié)構(gòu)之芯片切割等，都不是鉆石刀片所能勝任的。而這些產(chǎn)品的市場(chǎng)需求卻不斷成長(zhǎng)，迫使業(yè)界尋找新一代的劃片解決方案。 2 激光劃片順勢(shì)崛起 激光劃片其實(shí)在多年前已被使用，光源多為1 064 nm的Nd：YAG，在某些低階應(yīng)用方面的品質(zhì)尚可接受，但在集成電路的加工處理中，鑒于其過大熱影響區(qū)、污染嚴(yán)重、熱變形嚴(yán)重等缺陷，始終無法被認(rèn)可。近年來，紫外激光技術(shù)漸趨成熟，其切割質(zhì)量比l 064 nm的激光源改進(jìn)很多，特別是在藍(lán)寶石晶圓的劃片應(yīng)用中，其優(yōu)勢(shì)極為明顯，已漸成為業(yè)界主流解決方案。在各類激光解決方案中，最為特殊且鮮為人知的則是世界專利之瑞士微水刀激光技術(shù)。該技術(shù)在許多方面的表現(xiàn)確有其獨(dú)到之處，尤其在消除熱影響區(qū)方面表現(xiàn)優(yōu)異。微水刀激光劃片技術(shù)已獲得全球半導(dǎo)體封裝大廠的認(rèn)同和采用，特別是針對(duì)超薄晶圓、LOW-k晶圓、鉆石披覆晶圓、二極管玻璃鈍化晶圓、微機(jī)電芯片、復(fù)合晶圓以及異形晶粒的劃片切割，都有不俗的表現(xiàn)。 3 微水刀激光科技 3．1 技術(shù)原理 幾千年來"水火不融"的觀念于1993年被瑞士杰出的科學(xué)家Dr．Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地結(jié)合水刀技術(shù)和激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造出微水刀激光（Laser Micro Jet）。更精確的說法是水導(dǎo)激光（Water Jet Guided Laser）。他將激光聚焦后導(dǎo)入比發(fā)絲還細(xì)的微水柱中，從而引導(dǎo)光束，并冷卻工件，消除了傳統(tǒng)激光熱影響區(qū)（Heat Affected Zone）過大的缺陷。大大提高了激光切割的質(zhì)量，因而非常適合半導(dǎo)體、醫(yī)療器材、電子、航天等高精密、高潔凈要求的加工。 從圖l可看出激光束（Laser Beam）由上方導(dǎo)入，經(jīng)過聚焦鏡及水腔（Water Chamber）的窗戶進(jìn)入，聚焦于噴嘴（Nozzle）的圓心． [align=center] 圖1 微水刀激光原理[/align] 低壓純凈水從水腔左邊進(jìn)入，經(jīng)鉆石噴嘴（Diamond Nozzle）上的微孔噴出。由于噴嘴考慮到流體力學(xué)的設(shè)計(jì)，出來的水柱像光纖一樣既直又圓。水柱的直徑根據(jù)噴嘴孔徑而異，一般比人的頭發(fā)還細(xì)，有100～30 μm多種規(guī)格。激光被導(dǎo)入水柱中心，利用微水柱與空氣界面全反射的原理，激光將沿著水柱行進(jìn)。在水柱維持穩(wěn)定不開花的范圍內(nèi)都能進(jìn)行加工。通常有效的工作距離為噴嘴孔徑的l 000倍。如噴嘴為100 μm，則其有效工作距離為1 00mm。這是傳統(tǒng)激光所望塵莫及的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)激光只能在焦點(diǎn)處加工。激光光源可選配不同的波長(zhǎng)，只要該波長(zhǎng)的能量不會(huì)被水吸收即可。精密加工常用的波長(zhǎng)，1 064～355 nm。 另外，用于微加工的激光幾乎都是脈沖激光（Pulsed Laser），傳統(tǒng)激光不論是脈沖或連續(xù)，總會(huì)有能量殘留在切割道上，該能量的累積和傳導(dǎo)是造成燒傷切割道旁熱損傷的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，將每個(gè)脈沖殘留的熱量迅速帶走，不會(huì)累積在工件上，因此切割道干凈利落。熱影響區(qū)的困擾得到大幅改善。因此，Laser MicroJet技術(shù)才適用于半導(dǎo)體等高精密的應(yīng)用。 3．2 特點(diǎn) 相對(duì)于傳統(tǒng)激光，微水刀激光有很多顯著的特點(diǎn)。如無熱影響區(qū)（Zero Heat Affected Zone），完全不燒傷工件，切割道干凈利落、無熔渣、無毛刺、無熱應(yīng)力、無機(jī)械應(yīng)力、無污染，極適合半導(dǎo)體、電子、醫(yī)療、航天等高精密器件切割加工。 微水刀激光適用于從金屬到其合金的多種材料，如不銹鋼、鈦、鉬、鎂、鎳、銅、Invar等，以及硅（Silicon）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料，乃至碳化硅（Sic）、CBN、鉆石、陶瓷、橡膠……軟硬通吃。甚至可同時(shí)切割橡膠及不銹鋼片而不燒傷橡膠層，這在傳統(tǒng)激光是完全不可能的事情。 該項(xiàng)技術(shù)可用于切割、鉆孔、挖槽、打印、表面熱處理等多項(xiàng)極細(xì)微及復(fù)雜的形狀加工。超薄硅片（Ultra Thin Silicon Wafer）切割速度比傳統(tǒng)鉆石刀快5～10倍，并且可以切任意形狀，功能超強(qiáng)，在半導(dǎo)體芯片切割的應(yīng)用上，突破了多年來芯片劃片只能走直線的桎錮。從此設(shè)計(jì)者可以毫無限制地發(fā)揮其創(chuàng)意。 從圖2、圖3兩張不銹鋼切割的照片可清楚地看出熱影響區(qū)（HAZ）大小所造成的差異。傳統(tǒng)激光因熱影響區(qū)過大，無法進(jìn)行精微切割，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。 [align=center] 圖 2 不銹鋼片以傳統(tǒng)激光切割 熱耦傳嚴(yán)重 圖 3 不銹鋼片微水刀激光切割[/align] 微水刀激光（Laser Micro Jet）以其優(yōu)異的斷熱切割技術(shù)，大幅開拓精密微加工的領(lǐng)域，催生了許多新產(chǎn)品、新工藝。 4 低介電系數(shù)材料和超薄晶圓的劃片問題 原來只用于高階產(chǎn)品的超薄晶圓（Ultra thin wafer）已經(jīng)越來越普及，而且越來越薄。處理超薄晶圓不僅是Silicon substrate本身厚度的問題，在加上許多硬脆易碎及延展性高的金屬Pad后，問題更加復(fù)雜。鉆石刀片既使小心翼翼地切過Silicon substrate，但金屬層的碎屑卻可能包粘在鉆石顆粒上，使切削能力大打折扣。此時(shí)若維持進(jìn)刀速度，必然造成破片斷刀的結(jié)果。各主要?jiǎng)澠瑱C(jī)廠，如Disco、TSK．等均轉(zhuǎn)向激光，由此可見機(jī)械方式已經(jīng)到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的問題。在此，就鉆石刀片，傳統(tǒng)激光及微水刀激光的特性探討如下： 4．1 鉆石刀片 易造成wafer表面崩邊或龜裂。遇金屬層易斷刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割Silicon substrate時(shí)斷面平整，深度控制容易。在使用DAF（Die Attach Film）時(shí)可正好切穿DAF而不傷Blue Tape。 4．2 傳統(tǒng)激光 傳統(tǒng)激光（Conventional Laser）或稱干式激光（Dry Laser），因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的問題未克服，僅能用在低階芯片，如太陽能芯片等。采用3倍頻方式雖然有改善，但也只能劃劃線。如果切穿同樣燒傷芯片和DAF及Blue Tape。 4．3 微水刀激光 可以輕易去除切割道表層材料及Silicon substrate。切割超薄片（50 μm）時(shí)速度比diamond saw快數(shù)倍。缺點(diǎn)為與干式激光同樣會(huì)燒壞DAF，切割斷面不如機(jī)械磨削光滑。 從上述看來各有所長(zhǎng)，也各有缺陷。 4．4 解決方案 既然沒有十全十美的方法，只好退而求其次。對(duì)Diamond Saw而言，難解決的是Wafer的表層材料。對(duì)微水刀激光而言，頭痛的是會(huì)燒壞DAF。因此如各取所長(zhǎng)，分成2個(gè)步驟處理，就差強(qiáng)人意。 首先用微水刀激光劃淺淺的一刀，加工手段上稱之為開槽（Grooving），以清除切割道上所有的材料，不管是金屬或易碎材料。微水刀激光可以選用與切割道（Cutting Street）同寬的噴嘴，像推土機(jī)一樣一次推掉表層上各種找麻煩的材料，露出Silicon Substrate。再接著用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并剛好停在 Blue Tape表面上。 因?yàn)镚rooving 只能去除表層幾十微米的深度，微水刀激光可以250 mm/s的高速進(jìn)行。就生產(chǎn)線的平衡來看，一臺(tái)微水刀激光系統(tǒng)需至少5臺(tái)以上Diamond Saw與之配合才消化得掉。 從設(shè)備投資的角度來看，這似乎是最有效益的方式。不僅不會(huì)因?yàn)橐M(jìn)新設(shè)備而閑置舊機(jī)器，反而會(huì)提高產(chǎn)能，真正相輔相成，相得益彰。 微水刀激光尚可從事異型晶粒切割，打通孔或盲孔等鉆石刀具作不了的事情，見圖4、圖5。 [align=center] 圖 4 Silicon wafer 激光打孔 圖 5 較大顯微鏡照片孔徑100微米 [/align] 5 瑞士喜諾發(fā)公司之半導(dǎo)體晶圓劃片系列 全系列均配備高精度線性滑軌及CNC控制，TFT LCD觸控螢?zāi)患跋冗M(jìn)人機(jī)界面軟件，CCD Camera，自動(dòng)視覺瞄準(zhǔn)，遠(yuǎn)端通訊診斷。可切任何形狀品粒，如六角形，圓形和不規(guī)則形。 5．1 設(shè)備介紹 （1）LDS 200A/LDS：300A。LDS 200A/LDS：300A一全自動(dòng)200 mm/300 mm硅片水刀激光切割系統(tǒng)，Cassette to Cassette，自動(dòng)視覺系統(tǒng)對(duì)位，切割，清潔，進(jìn)退料一氣呵成。適合連續(xù)人量生產(chǎn)。住超薄硅片切割之表現(xiàn)比傳統(tǒng)鉆石刀切割方式快數(shù)倍。 （2）LDS 200C。LDS 200C一自動(dòng)200 mm硅片水刀激光切割系統(tǒng)，人工或視覺系統(tǒng)自動(dòng)瞄準(zhǔn)，切割，切割完了自動(dòng)以超純水清洗，手動(dòng)進(jìn)退料，適合量產(chǎn)。 （3）LDS 200M。LDS 200M一手動(dòng)200 mm硅片水刀激光切割系統(tǒng)，手動(dòng)進(jìn)退料，人工或視覺系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。切割，適合研究發(fā)展或少量多樣生產(chǎn)形態(tài)用途。 （4）LGS 200。LGS 200為200 mm Cassette to Cassette水刀激光全自動(dòng)硅片削邊系統(tǒng)，特別適用于超薄硅片外圓之削邊，大幅降低超薄片（Ultra thin wafer）之破片率，并可作鉆孔（Hole drilling），開槽（Slotting），異型晶粒切割（Free shape chip dicing）等用途。 5．2 即將問世的混合機(jī)種 Synova （喜諾發(fā)）公司亦宣布和Diamond Saw頗富盛名的DISCO公司的子公司共同開發(fā)出結(jié)合鉆石刀具和微水刀激光的混合機(jī)種。此混合機(jī)種將在晶圓劃片技術(shù)上樹力新的里程碑。該系統(tǒng)結(jié)合了2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并考慮到半導(dǎo)體晶圓新材料所延生的問題以及未來趨勢(shì)，預(yù)期將可解決目前半導(dǎo)界在劃片上的種種困擾，且讓我們拭目以待。 6 結(jié)論 盡管己越來越多人注意到微水刀激光技術(shù)，無可諱言，絕大多數(shù)人還是對(duì)此很陌生。雖然在國(guó)內(nèi)外已開發(fā)了許多應(yīng)用，事實(shí)上有更大的應(yīng)用市場(chǎng)尚待發(fā)掘，如果能對(duì)各行業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝加以重新檢討和思考，有沒有那項(xiàng)工藝覺得不滿意?有沒有那些難解的企業(yè)疑難?有沒有切不了，切不好的材料?有沒有以為激光可以做的了，試過后卻很失望的?我們覺得這些問題都包藏著商機(jī)，有問題的存在，解決方案才能彰顯其價(jià)值。