在集成電路電子元件向精密微型與高度集成方向發(fā)展中，晶圓厚度越來越薄、晶圓尺寸越來越大、芯片之間的線寬、切割槽以及芯片尺寸逐漸微縮，這對劃切技術(shù)提出更加苛刻的要求，高穩(wěn)定性、高精度、高效率與智能化成為劃片機的標桿。劃片機作為半導體芯片后道工序的封裝環(huán)節(jié)加工設(shè)備之一，用于晶圓的劃片、分割或開槽等微細加工。

晶圓劃片機，或切割機（Dicing Equipment），是一種使用刀片或激光等方式切割晶片的高精度設(shè)備。是半導體后道封測中晶圓切割和 WLP 切割環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。切割的質(zhì)量與效率直接影響到芯片的封裝質(zhì)量和生產(chǎn)成本。劃片機廣泛用于硅基集成電路、分立器件、光電器件、傳感器等多種半導體產(chǎn)品的劃切工藝，用于汽車半導體的封裝工序。

晶圓劃片主要有刀輪切割和激光切割兩種，刀片切割是使用最廣泛的切割工藝，占市場份額的80%,用在較厚的晶圓（>100微米）切割，具備效率高、成本低、使用壽命長。激光切割屬于非接觸式加工，市場占比約20%，主要適用于切割較薄的晶圓（<100微米），具有高精度、高效率，且可避免對晶體硅表面造成損傷（厚度不到30um的晶圓則使用等離子切割，等離子切割速度快）。Chiplet技術(shù)切割芯粒最重要的設(shè)備就是激光劃片機。目前國際主流劃片設(shè)備的參數(shù)標準為：

X軸的直線度，誤差控制在1-3um以內(nèi)；

Y軸的定位精度≤2μm；

Z軸的重復定位精度1μm，還有測高精度、工作盤精度；

均切割速度為600mm/s，最高達1000mm/s；

工作行程300mm；

切割道寬度20um。


劃片機發(fā)展歷程

縱觀過去的半個世紀，大規(guī)模集成電路時代已向超大規(guī)模方向發(fā)展，集成度越來越高，劃切槽也越來越窄，其對劃片的工藝要求越發(fā)精細化。迄今為止，在芯片的封裝工序中，劃片工藝的發(fā)展歷史大致可分為以下三個階段。


第一階段：金剛刀劃片機

19世紀60年代是硅晶體管的發(fā)展初期，當時主要應用的劃片裝置是金剛石劃片機，采用的是劃線加工法，類似于劃玻璃的原理。在晶片的切割街區(qū)劃出寬2-5μm，深0.15-1.5μm的切線，再從劃過線的晶片背面，用圓柱狀的碎片工具邊壓邊搓的分裂方法，將晶片分裂成單個芯片。這種方法非常依賴于人工操作，換句話說，操作人員的經(jīng)驗成分占比很大，加壓分裂的依賴性就更大。因此，加工成品率很低。


第二階段：砂輪劃片機

六十年代中期進入集成電路時代，晶圓開始向2英寸、3英寸等大直徑化發(fā)展。同時，晶圓厚度也從100微米加厚到200-300μm。就器件的劃線街寬而言，晶體管發(fā)展到了60-100μm，IC為100-150μm，但是當時的砂輪刀片的厚度為150-200μm。在這種情況下，采用原來的工藝方法并不適用。

此時，日本研制出世界第一臺極薄金剛石砂輪劃片機，預示著劃片機進入了薄金剛砂輪劃片機時代。這種砂輪劃片機有效避免了晶圓的裂開性和切槽崩邊現(xiàn)象。其原理是通過電沉積法研制而成，即將金剛石粉附著在電鍍的金屬膜上，因沙粒與沙粒間的間隙被金屬填滿，增大了沙粒間的粘結(jié)力和砂輪的整體韌性，不會產(chǎn)生像樹脂和金屬粘結(jié)劑制成的砂輪上那樣的氣孔，達到了切割晶圓的實用目的。

激光劃片機在當時也被認為是接近半導體劃片工序的理想設(shè)備。其是采用激光束的光熔化硅單晶而進行切割，與金屬熔斷的加工工藝相似。因此，在切割晶體時燒出的硅粉會四處飛濺，氣化狀的硅微粒子附著在芯片表面造成污染，芯片也就不能用了。這也是激光劃片機的致命缺點。

第三階段：自動化劃片機

對于金剛刀劃片機和砂輪劃片機來說，主要目的是提高劃片的成品率。但是，隨著半導體的需求和產(chǎn)量逐漸增大，對效率的要求越來越高。此時，就有了自動化劃片機的需求。自動化劃片機主要分為半自動和全自動兩種類型。

半自動劃片機主要是指被加工物的安裝及卸載作業(yè)均采用手動方式進行，只有加工工序?qū)嵤┳詣踊僮鞯难b置。而全自動劃片機可全部實現(xiàn)全自動化操作。

自從進入大規(guī)模集成電路時代之后，器件的設(shè)計原則開始追求微細化，即在提高元件工作速度的同時，減小芯片的面積。這時晶圓的線寬已經(jīng)發(fā)展到5μm、3μm，甚至達到1μm左右。由于芯片表面圖形復雜，若在劃片時產(chǎn)生磨屑附著在刀片上，在以后的工序中，不僅會造成電氣短路，封裝好后，芯片工作發(fā)熱也會使得硅屑向四周擴散，致使保護膜和鋁線變質(zhì)。因此，劃片自動化需要充分考慮劃片過程中所包含的各種不良因素，比如機床校準、自動劃片、故障診斷、各部件功能、性能和可靠性等。

目前，國際市場上的自動化劃片機已有效解決上述問題，且半自動劃片機已實現(xiàn)切割速度為800mm/s,定位精度≤5μm ；全自動切割速度最高達1000mm/s，定位精度≤2μm。

我國真正開始研制砂輪劃片機是從70年代末開始的，一直到1982年研制出了第一臺國產(chǎn)化的砂輪劃片機。經(jīng)過三十多年的努力與追趕，國內(nèi)自主研發(fā)的金剛砂輪劃片機性能已基本與國際市場持平。


劃片工藝

1、工藝比較

刀片切割方法包括一次切割和分步連續(xù)切割。效率高、成本低、使用壽命長。它是使用最廣泛的切割工藝，在較厚的晶圓（>；100微米）上具有優(yōu)勢。激光切割具有高精度和高速度。它主要適用于切割較薄的晶圓（<；100微米）。切割較厚的晶片時，存在高溫損壞晶片的問題，需要刀片進行二次切割。此外，激光頭價格昂貴，使用壽命短。目前，刀片切割占市場份額的80%，激光切割僅占20%。刀片切割預計將長期保持主流模式。


2、主流技術(shù)

金剛石切割是切割的主流技術(shù)。切割采用金剛石顆粒和粘結(jié)劑組成的刀片。切削過程中，金剛石顆粒以金屬鎳作為磨料顆粒固定在工具體上。刀片以一定的速度旋轉(zhuǎn)和進給，并使用水作為切削液。在切割過程中，金剛石顆粒膨脹并與粘合劑形成稱為“夾屑槽”的結(jié)構(gòu)，鏟挖切割通道材料，然后將其分離。在切割過程中，金剛石顆粒不斷磨損，暴露出新的顆粒，保持刀片鋒利并清除切割碎屑。切割過程中產(chǎn)生的碎屑會粘附在刀片上，因此在切割過程中盡量防止切割碎屑粘附，并妥善處理切割碎屑，以確保刀片在切割過程中的正常運行。

對于金剛石切割，金剛石顆粒越大，刀片的切割能力越強，金剛石顆粒的磨損越慢，葉片使用壽命越長。但是，顆粒越大，切削過程對切削表面的影響越大，容易造成裂紋、崩邊等嚴重缺陷。較小的金剛石磨?？梢詼p少切割過程中對切割表面的影響，并減少出現(xiàn)較大切割缺陷的風險。但是，如果金剛石不能及時脫落和更新，很容易包裹刀具，導致刀片的切割能力急劇下降和嚴重缺陷。

刀體的金剛石顆粒濃度將顯著影響切割切屑的質(zhì)量。當金剛石顆粒濃度較大時，金剛石顆粒會隨著粘結(jié)劑的磨損及時脫落和更新，有利于延長刀片的使用壽命。此外，粘結(jié)劑越軟，金剛石越容易脫落，反之亦然。因此，使用較硬的粘結(jié)料進行切割會對切割表面造成嚴重損壞，而較軟的粘結(jié)料沖擊較小，損壞較小。金剛石粒度和濃度的選擇應與粘結(jié)劑的類型相結(jié)合，并應綜合考慮。


3、切割劃片流程

芯片被晶圓切割成單獨的顆粒，然后被芯片封裝后即可使用。劃片時，應控制劃片刀的移動速度和劃片刀的旋轉(zhuǎn)速度。不同芯片的厚度和藍色薄膜的粘度需要有相應的匹配參數(shù)，以減少劃片過程中的碎片現(xiàn)象。切割過程中殘留的硅渣會損壞切割工具和切屑，導致成品率損失。切割過程中，需要用清水清洗以去除硅渣，并控制噴射角度和水量。

金剛石刀片以每分鐘30000-40000轉(zhuǎn)的高速切割晶圓塊。同時，承載晶片的工作臺沿刀片與晶片接觸點的切線方向以一定速度直線移動，切割晶片產(chǎn)生的硅片被分離器水沖走。為了在劃片過程中達到特殊的切屑表面保護效果，一些切屑需要在所有切割中切割兩次。此時，用于第一次切割的刀片相對較寬，用于第二次切割的刀片相對較窄。


4、影響切割質(zhì)量的因素

影響晶圓切割質(zhì)量的因素很多，包括材料、切割儀器、工作環(huán)境、切割方法等因素。從材料的角度來看，硅片的硅襯底和電路層材料在硅片切割過程中會導致不同的機械性能。不同材料的刀片的選擇會對切割方法有不同的要求，因此會表現(xiàn)出不同的切割質(zhì)量。從切割儀器的角度來看，由于不同機器的切割功率不同，切割臺的選擇也會影響切割質(zhì)量。從工作環(huán)境來看，冷卻水的壓力和流量是影響切削質(zhì)量的因素。水流速度過慢會導致冷卻效果不足，切割摩擦產(chǎn)生的熱量難以及時排出和積累，可能導致金剛石磨粒破碎，降低刀片的切割能力和切割精度，并因切割碎屑無法及時清除而影響刀片的切割能力。從切割方式來看，主要涉及切割深度、刀片轉(zhuǎn)速和進給速度。適當?shù)膮?shù)對于獲得良好的切削質(zhì)量非常重要。其他因素，如機器操作技能，也會影響晶圓切割質(zhì)量。


5、切割缺陷

晶圓切割容易產(chǎn)生的缺陷類型主要有裂紋、崩邊和剝落。這些缺陷可能對芯片造成直接損壞，也可能影響芯片的后續(xù)封裝和后續(xù)使用可靠性。例如，切割產(chǎn)生的微裂紋會將應力引入芯片，成為潛在的芯片脆弱區(qū)域，影響封裝后的可靠性。在切割過程中，芯片受到強力刀體的沖擊，金屬層和硅基片脫落。如果邊緣塌陷過大，損壞芯片的功能區(qū)域，將直接導致芯片失效。切割過程中的沖擊導致的金屬層分層，雖然硅基板沒有損壞，但通常不會導致芯片的功能損壞，但如果剝離面積較大并延伸到功能區(qū)，也非常危險。

國產(chǎn)晶圓劃片機已到達世界一流

長久以來，在全球半導體晶圓切割設(shè)備市場主要被日資壟斷，行業(yè)進口依賴度較高。未來半導體綜合各調(diào)研機構(gòu)數(shù)據(jù)：2021年的半導體晶圓切割設(shè)備市場約20億美元（中國市場5億美元），全球市場份額日本DISCO占據(jù)了超過70%，東京精密25%，國產(chǎn)化率為5%；2022年的半導體晶圓切割設(shè)備市場約17億美元（中國市場5億美元），2022年前三大廠商DISCO、東京精密和光力科技份額占比超過87%，DISCO占有超65%份額，東京精密25%，國有化率為10%。

近幾年，主要國產(chǎn)劃片設(shè)備廠商對標日企，通過“中國整合 全球并購”模式迅速導入中高端機型市場，劃片機性能、精度和速度等指標達到國際一流水平，主要的OSAT和IDM廠商陸續(xù)批量導入國產(chǎn)劃片設(shè)備。

隨著國產(chǎn)替代加速，逐漸完備的中國半導體產(chǎn)業(yè)鏈將成為必然趨勢，未來半導體預判在2023年用于先進封裝的劃片機/切割機國有率將提升到15%。未來幾年中國新建的12英寸半導體晶圓產(chǎn)能將躋身世界第一，前后道半導體生產(chǎn)設(shè)備的需求量接近全世界的30%，這給中國設(shè)備廠商帶來了巨大的發(fā)展空間，未來劃片機的國有率將持續(xù)提升。但同時在產(chǎn)業(yè)化進程中依舊面臨四大挑戰(zhàn)：

在實現(xiàn)整機高精度的同時，如何提升穩(wěn)定性保證高效穩(wěn)定的產(chǎn)出；

由于工藝差異，如何能快速高效交付以滿足客戶定制需求；

在打破外資壟斷市場同時，如何改變本土客戶長期以來對進口設(shè)備依賴的使用習慣，并制定個性化的本土化批量導入服務方案，提升國產(chǎn)品牌的知名度和占有率；

在提升整機國有率同時，如何在劃片機核心零部件實現(xiàn)國產(chǎn)替代，包括精密封測裝備、空氣主軸、機器視覺系統(tǒng)及自動化控制模塊、精密刀片及耗材、激光器及相關(guān)光學元件。