激光器的应用与芯片切割工艺的现况

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激光器的应用与芯片切割工艺的现况
依据其波长的变化、输出方式(连续波或者脉波输出)的不同、不同的输出功率与能量,不论是电子工业、汽车工业、飞机工业、五金加工、塑料加工、医学、通讯、军事、甚至于娱乐业都可以找到激光的应用范例, 可谓不胜枚举、洋洋大观, 难怪有人称激光器为万能工具。
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' {' j+ k' w) r# ~7 p    专就激光器切割(Laser Cutting or Laser Scribing)而论,其原理系利用高能量集中于极小面积上所产生的热效应(Thermal Technique), 所以非常适用于切割具有硬(Hard)、脆(Brittle)特性的陶瓷材料, 氧化铝(Alumina)基板就是一个常见激光器切割成功的应用案例。 然而将激光器使用于8”以下硅芯片的切割案例并不多见, 虽然作者亦曾于1999 Productronica Munchen实地参观过瑞士Synova公司所开发以亚格激光器为核心的硅芯片切割机。至于学术界对于激光器切割硅材质的研究则至少可以追溯到1969年L. M. Lumley发表于Ceramic Bulletin的文章”Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser”。

将激光器切割机使用于硅芯片切割工艺, 除了激光器本身巨大的热量问题需要克服之外,其实不论就售价、工艺良率、与产能而论, 激光器切割机均未较以钻石刀具(Diamond Blade)为基础的芯片切割机(Wafer Saw)优越, 所以8”硅芯片的切割工艺目前仍以芯片切割机为主流, 不过由于电子产品轻薄化的趋势与硅芯片延伸至300 mm,   使得芯片切割机的地位受到激光器切割机极大的挑战, 请参考以下说明。

* t% `5 i  d8 s6 E0 T; V( x2. 芯片切割的未来
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以钻石刀具来切割芯片将使得芯片的背面承受拉应力(Tension Stress), 因此, 当厚度变薄时会造成更严重的芯片背崩(Back Side Chipping or Cracking), 而Flip Chip的封装方式更加突显芯片背崩的品质问题。
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虽然降低切割速度或者采取阶段切割(Step Cutting)的方式都可以改善芯片背崩的品质问题, 不过二者皆需付出降低产能的代价。日本DISCO公司研发出所谓DBG(Dicing Before Grinding)的工艺来解决此问题, 不过除了Dicing(切割)与Grinding(背磨)之外, 此DBG工艺尚包括繁复的Tape(上胶带)与De-tape(去胶带)程序,所以此构想至今并未广为业界接受。

如果切割时刀具能够不施力于芯片, 无疑的将可避免芯片背崩的产生, 因此非接触(Non Contact)的切割方式, 如激光器或者蚀刻(Etch), 就特别受到业者的注意与期待。不过以上的两种替代(Alternative)工艺亦都有其需要克服的问题, 所以目前亦未有量产的相关芯片切割机种出现。

: Z" t0 j5 {+ C. i除了芯片背崩的问题之外, 其实Low-k材质的出现才是目前激光器切割机受到大家瞩目的真正原因。许多Low-k材质由于其Porous或者Polymer的特性, 并不宜以钻石刀具来切割, 然而如以传统的激光器为之, 亦会因高热而产生不良的切割品质。  

最理想的状况就是希望激光器的能量能够全部用以去除Low-k材质, 而不会残留多余的热量, 换句话说, 激光器仅需负责去除Low-k材质, 而芯片本身则仍以传统的钻石刀具来切割, 除非日后芯片厚度薄到无法承受钻石刀具的撞击或者激光器光能够将其轻易的切穿, 否则此种Hybrid(复合)的方式应是比较合理的作法。

7 b- a" q1 [0 T& TLow-k材质的激光器切割机虽然被许多人看好, 不过它充其量只是许多候选设备中较被看好的一个, 在正式成为主流量产设备前, 它尚有许多问题需要去克服, 例如: 当切割道(Cutting Street)有测试点(Metal Pad)时所造成的剥离品质问题等等, 其实, 我们可由台湾目前尚无乙台被半导体业者验证成功的Low-k材质激光器切割机的这个事实来判断, 就可以很清楚的了解这场战役尚未结束, 国内产学研如有不错的构想, 也不是完全没有在这场新的竞赛里拔得头筹的机会。依据其波长的变化、输出方式(连续波或者脉波输出)的不同、不同的输出功率与能量,不论是电子工业、汽车工业、飞机工业、五金加工、塑料加工、医学、通讯、军事、甚至于娱乐业都可以找到激光的应用范例, 可谓不胜枚举、洋洋大观, 难怪有人称激光器为万能工具。

    专就激光器切割(Laser Cutting or Laser Scribing)而论,其原理系利用高能量集中于极小面积上所产生的热效应(Thermal Technique), 所以非常适用于切割具有硬(Hard)、脆(Brittle)特性的陶瓷材料, 氧化铝(Alumina)基板就是一个常见激光器切割成功的应用案例。 然而将激光器使用于8”以下硅芯片的切割案例并不多见, 虽然作者亦曾于1999 Productronica Munchen实地参观过瑞士Synova公司所开发以亚格激光器为核心的硅芯片切割机。至于学术界对于激光器切割硅材质的研究则至少可以追溯到1969年L. M. Lumley发表于Ceramic Bulletin的文章”Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser”。

将激光器切割机使用于硅芯片切割工艺, 除了激光器本身巨大的热量问题需要克服之外,其实不论就售价、工艺良率、与产能而论, 激光器切割机均未较以钻石刀具(Diamond Blade)为基础的芯片切割机(Wafer Saw)优越, 所以8”硅芯片的切割工艺目前仍以芯片切割机为主流, 不过由于电子产品轻薄化的趋势与硅芯片延伸至300 mm,   使得芯片切割机的地位受到激光器切割机极大的挑战, 请参考以下说明。

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以钻石刀具来切割芯片将使得芯片的背面承受拉应力(Tension Stress), 因此, 当厚度变薄时会造成更严重的芯片背崩(Back Side Chipping or Cracking), 而Flip Chip的封装方式更加突显芯片背崩的品质问题。

虽然降低切割速度或者采取阶段切割(Step Cutting)的方式都可以改善芯片背崩的品质问题, 不过二者皆需付出降低产能的代价。日本DISCO公司研发出所谓DBG(Dicing Before Grinding)的工艺来解决此问题, 不过除了Dicing(切割)与Grinding(背磨)之外, 此DBG工艺尚包括繁复的Tape(上胶带)与De-tape(去胶带)程序,所以此构想至今并未广为业界接受。

如果切割时刀具能够不施力于芯片, 无疑的将可避免芯片背崩的产生, 因此非接触(Non Contact)的切割方式, 如激光器或者蚀刻(Etch), 就特别受到业者的注意与期待。不过以上的两种替代(Alternative)工艺亦都有其需要克服的问题, 所以目前亦未有量产的相关芯片切割机种出现。

" h1 u- @# S' J) s除了芯片背崩的问题之外, 其实Low-k材质的出现才是目前激光器切割机受到大家瞩目的真正原因。许多Low-k材质由于其Porous或者Polymer的特性, 并不宜以钻石刀具来切割, 然而如以传统的激光器为之, 亦会因高热而产生不良的切割品质。  
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3 k; j1 y: y3 o) T3 g3 r1 ^最理想的状况就是希望激光器的能量能够全部用以去除Low-k材质, 而不会残留多余的热量, 换句话说, 激光器仅需负责去除Low-k材质, 而芯片本身则仍以传统的钻石刀具来切割, 除非日后芯片厚度薄到无法承受钻石刀具的撞击或者激光器光能够将其轻易的切穿, 否则此种Hybrid(复合)的方式应是比较合理的作法。

Low-k材质的激光器切割机虽然被许多人看好, 不过它充其量只是许多候选设备中较被看好的一个, 在正式成为主流量产设备前, 它尚有许多问题需要去克服, 例如: 当切割道(Cutting Street)有测试点(Metal Pad)时所造成的剥离品质问题等等, 其实, 我们可由台湾目前尚无乙台被半导体业者验证成功的Low-k材质激光器切割机的这个事实来判断, 就可以很清楚的了解这场战役尚未结束, 国内产学研如有不错的构想, 也不是完全没有在这场新的竞赛里拔得头筹的机会。