芯片SIP封裝與工程設(shè)計(jì)

摘要：

等離子劃片是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新型圓片劃片工藝。與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片等工藝不同，該工藝技術(shù)可以同步完成一張圓片上所有芯片的劃片，生產(chǎn)效率明顯提升，是對(duì)現(xiàn)有劃片工藝的一個(gè)顛覆。介紹了圓片劃片工藝的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其在解決圓片劃片應(yīng)用中的典型問(wèn)題和不足之處進(jìn)行了討論。

1  引言

圓片劃片是集成電路板制造工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無(wú)論是傳統(tǒng)芯片封裝還是先進(jìn)的圓片級(jí)封裝技術(shù)，劃片工序都是不可或缺的。對(duì)于傳統(tǒng)芯片封裝而言，圓片劃片是封裝過(guò)程的前段工序，而對(duì)于圓片級(jí)封裝，劃片往往成為封裝的最后步驟，一前一后都直接關(guān)系到封裝成品的最終可靠性。

圓片通常采用刀片切割進(jìn)行芯片分離，即所謂的刀片劃片，刀片劃片工藝多采用金剛砂刀片作為劃片刀具，存在刀片磨損、切割過(guò)程中硅屑飛濺、崩邊、顆粒沾污等現(xiàn)象且無(wú)法避免。

隨著集成電路板技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片集成度在提升，圓片上的有效芯片尺寸也在不斷增加，伴隨的是劃片槽尺寸的進(jìn)一步縮小，傳統(tǒng)的刀片劃片技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)，激光劃片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光劃片技術(shù)大致分為基于激光熔融的常規(guī)激光劃片、激光隱形切割(SD) 劃片和微水刀激光劃片 3 種主要形式。常規(guī)激光劃片技術(shù)主要用于 Low-K 工藝的圓片表面開槽，即采用高能激光將在 Low-K 工藝圓片表面的易碎鈍化層包括 PCM 圖形燒蝕 ；激光隱形切割技術(shù)則是利用特殊波長(zhǎng)的激光打斷圓片劃片槽上的硅晶格，此過(guò)程不會(huì)在硅片有效圖形區(qū)中形成高溫，劃片后形成的劃痕寬度只有數(shù)微米；微水刀激光劃片結(jié)合常規(guī)激光劃片與水冷技術(shù)的特點(diǎn)，將高能量的激光束約束在一個(gè)狹小的水道中，劃片過(guò)程中同樣不會(huì)造成硅片中的熱損傷。

等離子劃片是近年來(lái)興起的一項(xiàng)全新的圓片劃片技術(shù)，它是采用等離子刻蝕技術(shù)在圓片劃片槽中形成窄小的蝕刻槽，使得芯片分離，與其他幾種劃片技術(shù)相比，可以一次性同步完成所有芯片的劃片，無(wú)需先后對(duì)所有劃片槽進(jìn)行分步切割，其劃片速度與芯片大小無(wú)關(guān)，僅與圓片厚度相關(guān)，劃片效率明顯提升，是對(duì)現(xiàn)有劃片技術(shù)的一個(gè)顛覆。本文重點(diǎn)介紹這種先進(jìn)的圓片劃片技術(shù)。

2　等離子劃片原理

等 離 子 劃 片 技 術(shù) 源 于 ON Semiconductors 和Plasma-Therm 的專利授權(quán)，由 DISCO 公司開發(fā)成一種商用技術(shù)。等離子劃片的技術(shù)核心是等離子刻蝕工藝，即博世公司的深反應(yīng)離子刻蝕工藝（DRIE），是一種微電子圓片制造過(guò)程中的硅材料干法腐蝕工藝，以博世公司開發(fā)的基于氟基氣體的具有高深寬比的硅刻蝕工藝最具代表性，即 Bosch 工藝，其典型工藝過(guò)程如圖 1 所示。Bosch 工藝中使用兩種含氟氣體 C 4 F 8 、SF 6 ，在第一套射頻電源的螺旋線圈產(chǎn)生感應(yīng)耦合的電場(chǎng)作用下，刻蝕氣體輝光放電產(chǎn)生高密度等離子體，其中 C 4 F 8 生成聚合物，分別沉積在側(cè)壁和底部，形成抗腐蝕膜，以阻止側(cè)向刻蝕，該過(guò)程為鈍化過(guò)程；SF 6 為刻蝕氣體，SF 6 產(chǎn)生的等離子體首先對(duì)表面及底部沉積的聚合物進(jìn)行轟擊，然后大流量的等離子體開始刻蝕硅。由于 SF 6 對(duì)于硅有較高的刻蝕選擇比，側(cè)壁的聚合物刻蝕速率較慢，所以形成一個(gè)深寬比較大（~ 20:1）的溝槽，此過(guò)程為刻蝕過(guò)程。在 Bosch 工藝中鈍化和刻蝕過(guò)程交替進(jìn)行，一個(gè)完整的深反應(yīng)刻蝕過(guò)程由數(shù)個(gè)鈍化 - 刻蝕循環(huán)組成。日本 Panasonic 公司開發(fā)了類似的等離子劃片技術(shù)，二者采用的是相同的深反應(yīng)刻蝕工藝原理，同樣實(shí)現(xiàn)了商用化。

在圓片制造中，Bosch 工藝主要應(yīng)用于 MEMS器件的結(jié)構(gòu)形成以及 TSV 中的通孔制作。DISCO 公司聯(lián)合 ON Semiconductors 和 Plasma-Therm，巧妙利用了 DRIE 工藝原理，通過(guò)針對(duì)性的優(yōu)化和改進(jìn)，成功開發(fā)出一種圓片劃片工藝技術(shù)。

SF 6 對(duì)于圓片表面不同鈍化層的刻蝕速率是不同的，等離子刻蝕工藝也正是利用刻蝕氣體不同的刻蝕選擇比來(lái)實(shí)現(xiàn)正常刻蝕過(guò)程。所謂刻蝕選擇比 S R 是指同一刻蝕條件下，被刻蝕材料（即主體材料）的刻蝕速率與另一種材料（如光刻膠、PI 等屏蔽材料）的刻蝕速率之比，即：S R = E f / E r ，其中，E f 為被刻蝕材料的刻蝕速率，E r 為屏蔽材料的刻蝕速率。

SF 6 氣體對(duì) Si 材料的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) SiO 2 、Si 3 N 4 和 PI，PI 刻蝕速率慢，即 Si 對(duì) PI 的刻蝕選擇比較高，故通常選擇厚度大于 5 μm 的 PI 層來(lái)作為屏蔽層。光刻膠 PR 也是一種較好的屏蔽層。

典型的等離子劃片側(cè)壁形貌如圖 2 所示。與標(biāo)準(zhǔn)的硅刻蝕工藝不同，等離子劃片僅僅是劃片槽中的局部硅材料區(qū)域進(jìn)行刻蝕，也就是說(shuō)適用于等離子劃片的圓片與傳統(tǒng)的圓片有所不同，前者需要在劃片槽的刻蝕區(qū)域暴露出需要刻蝕的硅本體材料，其他區(qū)域須被屏蔽層所覆蓋，否則其他區(qū)域會(huì)被同時(shí)刻蝕。

3　等離子劃片工藝流程

典型的等離子劃片工藝流程如圖 3 所示。

（1）減薄

按照工藝要求，將圓片減薄至設(shè)計(jì)厚度。通常情況下，減薄屬于劃片上工序。在等離子劃片中，減薄成為工序的一部分，目的是降低等離子刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。

（2）涂膠

在圓片表面涂覆光刻膠，通常采用 PI 作為刻蝕屏蔽層。所用設(shè)備為前道圓片制造中的標(biāo)準(zhǔn)涂膠設(shè)備及工藝。

（3）光刻

按照?qǐng)A片厚度計(jì)算劃片槽刻蝕寬度，在劃片槽中光刻出所需圖形。通常按照?qǐng)A片厚度與刻蝕寬度比小于 20:1 的原則選擇劃片槽刻蝕寬度。

（4）貼膜

按照不同的劃片方向（正面劃片或背面劃片），在圓片背面或正面貼上劃片膜（包括環(huán)框）。

（5）等離子刻蝕

對(duì)圓片正面或背面進(jìn)行等離子刻蝕。以硅圓片為例，通常采用 C 4 F 8 、SF 6 兩種刻蝕氣體交替使用，其中C 4 F 8 用以鈍化，SF 6 用以刻蝕。去膠等離子刻蝕后，采用去膠機(jī)去除多余的光刻膠。

（6）摘片

最后摘取劃開的芯片，完成整個(gè)等離子劃片過(guò)程。

4　等離子劃片的優(yōu)勢(shì)

等離子劃片本質(zhì)上屬于一種化學(xué)反應(yīng)，被刻蝕的硅材料與刻蝕氣體發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)生成物形成氣體而被真空清除，因此與傳統(tǒng)的刀片劃片工藝和激光劃片工藝相比是一種清潔的劃片工藝，其主要優(yōu)勢(shì)包括：

（1）超強(qiáng)的芯片強(qiáng)度

等離子劃片過(guò)程中隨著刻蝕氣體的持續(xù)轟擊作用，雖然圓片本身會(huì)發(fā)熱，但經(jīng)過(guò)合理的冷卻裝置，實(shí)際圓片發(fā)熱遠(yuǎn)低于激光劃片時(shí)由于硅材料的加熱氣化所產(chǎn)生的熱量，也沒有刀片劃片時(shí)高速切割過(guò)程中引入的機(jī)械應(yīng)力，因此，采用等離子劃片獲得的芯片不存在崩邊、裂紋等常規(guī)劃片工藝中存在的常見問(wèn)題，芯片強(qiáng)度明顯改善。

（2）超高的劃片速度

與傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片工藝不同，等離子劃片過(guò)程中一張圓片所有劃片槽被同時(shí)刻蝕，圓片刻蝕速度與圓片厚度相關(guān)而與芯片大小無(wú)關(guān)，借助于等離子刻蝕氣體的高刻蝕選擇比，刻蝕速率可以達(dá)到每分鐘幾十微米，同樣厚度圓片的劃片速度是刀片劃片速度的 4 倍以上。

（3）可切割各種形狀芯片

得益于對(duì)硅材料的高選擇性刻蝕特性，等離子劃片可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的芯片劃片，僅僅需要根據(jù)所要?jiǎng)澠男螤钤趧澠壑斜┞冻鲞m當(dāng)寬度的硅區(qū)域。相比之下，常規(guī)刀片劃片、激光劃片等工藝只能對(duì)排列規(guī)則、方形尺寸的芯片進(jìn)行切割。

此外，等離子劃片后芯片角部通常為圓形，而不是常規(guī)劃片的直角，因而可以大大降低芯片崩邊、崩角現(xiàn)象。圖 4 為典型的等離子劃片外形，其中包括一些特殊器件如呈現(xiàn)圓形的 MEMS，而這種圓形芯片采用常規(guī)劃片工藝是很難實(shí)現(xiàn)的。

（4）可適應(yīng)多種圓片材料

采用不同的刻蝕氣體可適應(yīng)不同圓片材料的刻蝕，如含氟氣體 SF 6 等可適合于硅圓片的劃片，而選用含氯氣體如 HCl 以及其他氣體組合可用于 SiC、GaN 圓片的劃片。

當(dāng)然等離子刻蝕并非適用于各種材料的劃片，如采用藍(lán)寶石基底材料的 LED 圓片就很難采用等離子劃片工藝，這是因?yàn)樗{(lán)寶石的成分為 Al 2 O 3 ，Al 2 O 3 中的Al-O化學(xué)鍵極其牢固，常見的等離子很難打破Al-O鍵。

表 1 從芯片尺寸、劃片效率、芯片完整性及強(qiáng)度等方面對(duì)等離子劃片、刀片劃片、激光隱形切割劃片工藝技術(shù)進(jìn)行了比較。

可以看出，等離子劃片技術(shù)在劃片效率、芯片完整性及芯片強(qiáng)度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。劃片速度約是激光隱形切割速度的 2.5 倍，比常規(guī)刀片劃片速度快3.5 倍 ；采用等離子劃片，芯片完整性更佳，崩邊問(wèn)題可以規(guī)避 ；而采用等離子劃片后的芯片強(qiáng)度大約是

采用常規(guī)刀片劃片后芯片強(qiáng)度的 4.2 倍。DISCO 公司對(duì)等離子劃片、刀片劃片的生產(chǎn)成本進(jìn)行了一個(gè)統(tǒng)計(jì)比較，見圖 5?？梢钥闯鰣A片厚度小于 100 μm、劃片后芯片尺寸小于 100 μm×100 μm時(shí)，采用等離子劃片成本上有優(yōu)勢(shì)。

5　工程應(yīng)用及其推廣成本

從等離子劃片工藝原理可以看出，這是一種有別于常規(guī)劃片工藝的新型劃片工藝。該工藝技術(shù)充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，前道工藝完美應(yīng)用在了后道封裝工藝中。由于與主流的半導(dǎo)體制造技術(shù)兼容，等離子劃片工藝可以應(yīng)用于目前市場(chǎng)上主流半導(dǎo)體圓片的切割。如硅圓片、鍺圓片、氮化鎵圓片、砷化鎵圓片等均可以采用等離子劃片工藝，劃片尺寸涵蓋76~300 mm直徑范圍。產(chǎn)品類型包括功率器件、RFID、LED、紅外傳感器、MEMS、通用 CMOS 器件等。

由于等離子劃片系一次性完成整張圓片的刻蝕，劃片速度僅與圓片厚度相關(guān)，故具有傳統(tǒng)劃片工藝連續(xù)劃片所無(wú)法比擬的劃片速度，尤其適合于尺寸小、厚度薄、芯片數(shù)量多的圓片劃片，從表 1、圖 5可以看出，100 μm 厚、200 mm 圓片切割 1 mm 2 芯片采用等離子劃片，生產(chǎn)效率是刀片劃片的 4 倍以上，同時(shí)成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。當(dāng)圓片厚度減薄至 50 μm時(shí)，傳統(tǒng)的刀片劃片會(huì)面臨碎片等風(fēng)險(xiǎn)，只能借助復(fù)雜的 DBG 工藝加以規(guī)避，而采用等離子劃片工藝就可以輕松快速完成劃片，且不會(huì)造成碎片等異常，在保證成品率的同時(shí)，芯片強(qiáng)度得以提升（大約是采用刀片劃片的 4 倍）。

傳統(tǒng)劃片工藝在處理多項(xiàng)目圓片（MPW）時(shí)通常會(huì)面臨一些困難，特別是針對(duì)由多個(gè)尺寸不規(guī)則芯片的 MPW，劃片過(guò)程會(huì)變得非常復(fù)雜。若是只需要在整張圓片上進(jìn)行切割，通常必須做出一些取舍，即只能保留一些指定的目標(biāo)芯片，而部分或多個(gè)其他芯片必須做出犧牲。倘若要求將圓片中的所有芯片全部保留的話，則必須首先將一張圓片先切割成多個(gè)具有芯片組合的小塊（block），然后將這些 block 轉(zhuǎn)移至另外一張劃片膜中，這些 block 必須按照較高的放置精度排列，然后再進(jìn)行第二次切割而分成更小的block。重復(fù)上述操作，直到所有的芯片被一一切割分離。如果 block 放置精度不滿足劃片要求，則只能有一個(gè)或少量幾個(gè) block 被轉(zhuǎn)移至新的劃片膜中，切割效率很低，同時(shí)切割質(zhì)量也難以保證。相比之下，等離子劃片技術(shù)無(wú)需如此復(fù)雜的流程，只要在所需要?jiǎng)澠?MPW 中預(yù)留了劃片區(qū)，可以一次性完成所有芯片的切割，這也是傳統(tǒng)劃片技術(shù)無(wú)法比擬的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此等離子劃片技術(shù)在 MPW 的劃片中有很好的應(yīng)用前景。

在一些特殊的應(yīng)用中，對(duì)于如 MEMS、Image sensor 等對(duì)顆粒物敏感的芯片，等離子劃片作為一種清潔、劃片過(guò)程無(wú)灰塵產(chǎn)生的潔凈劃片工藝，更是有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于 RFID 等劃片槽僅有 30~40 μm的微小尺寸器件，等離子劃片可以規(guī)避激光隱形切割中后擴(kuò)片引入的微裂紋隱患，劃片成品率更高，成本優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

采用等離子劃片還可以避免刀片劃片工藝中劃片槽 PCM 圖形中的金屬條卷曲、脫落現(xiàn)象，可完全滿足高可靠應(yīng)用中芯片鏡檢要求。

此外，在 2.5D、3D 集成封裝中，如有機(jī)基板、陶瓷基板的異質(zhì)堆疊，不同 TCE 材料會(huì)引入應(yīng)力，超薄芯片邊緣切割缺陷對(duì)此類產(chǎn)品的抗溫變能力以及封裝可靠性有影響，等離子劃片能較好地解決圓片切割引起的芯片邊緣缺陷問(wèn)題。

目前該技術(shù)為日本 DISCO、Panasonic 及美國(guó)幾家公司擁有，其設(shè)備造價(jià)較高，加上需要額外的涂膠、光刻、去膠等專用設(shè)備，對(duì)于傳統(tǒng)的封裝線而言，前期投入較大，市場(chǎng)普及率不高，遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的刀片劃片、激光劃片技術(shù)那樣被業(yè)界廣泛應(yīng)用。雖然等離子劃片在劃片速度上較之刀片劃片、激光劃片有明顯的優(yōu)勢(shì)，但如果將涂膠、光刻、去膠等工序計(jì)算在內(nèi)，僅劃片速度的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。前期投入大、需要相應(yīng)的輔助工序，帶來(lái)較高的推廣成本，這些正是等離子劃片工藝應(yīng)用中的最大不足之處。

6　結(jié)束語(yǔ)

等離子劃片技術(shù)是繼激光隱形切割技術(shù)之后的又一種先進(jìn)劃片工藝技術(shù)，借鑒了半導(dǎo)體圓片制造中先進(jìn)的干法刻蝕技術(shù)，通過(guò)一次性同步刻蝕在整張圓片中形成所有劃道，若僅考慮切割速率，是常規(guī)刀片劃片速率的 4 倍以上，對(duì)小尺寸芯片劃片生產(chǎn)效率的提升尤其明顯。通過(guò)獲得的更加圓滑的切割邊緣，在保證芯片完整性的同時(shí)還改善了芯片的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于超薄芯片而言，可靠性及成品率優(yōu)勢(shì)更明顯，是一種有潛力的劃片工藝技術(shù)。

隨著我國(guó)半導(dǎo)體制造設(shè)備的快速發(fā)展，干法刻蝕技術(shù)及裝備已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)等離子劃片機(jī)擁有量較低，倘若現(xiàn)階段充分利用這些等離子刻蝕機(jī)以及相關(guān)光刻設(shè)備資源，在等離子劃片技術(shù)及裝備上加大研發(fā)投入，應(yīng)該有可能快速開發(fā)出我國(guó)自有品牌的等離子劃片系統(tǒng)，并可能占有市場(chǎng)，從而提升我國(guó)半導(dǎo)體制造設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平及進(jìn)程。