芯片失效分析趙工 半導體工程師 2022-06-29 10:00 發表於北京
先進封裝(advanced packaging)的後端工藝(back-end)之一，將晶圓或組件進行劃片或開槽，以利後續製程或功能性測試。
晶圓劃片方法：
現階段，硬脆材料切割技術主要有外圓切割、內圓切割和線銘切割。
外圓切割組然操作簡單，但據片剛性差，切割全過程中鋸片易方向跑偏.造成被切割工們的平面度差；而內圓切割只有進行直線切割，沒法進行斜面切割。線鋸切割技術具備割縫窄、高效率、切成片性價比高、可進行曲線圖切別等優點成為口前普遍選用的切割技術。
內圓切割時晶片表層損害層大，給CMP產生挺大黔削拋光工作中最；刃口寬。材料損害大。品片出率低；成木高。生產效率低；每一次只有切割一片。當晶圓直徑達到300mm時。內圓刀頭外徑將達到1.18m。內徑為410mm。在生產製造、安裝與調節上產生許多艱難。故後期主要發展趨勢線切別主導的晶圓切割技術。
晶圓切片簡述：
在過去三十年期間，切片(dicing)系統與刀片(blade)已經不斷地改進以對付工藝的挑戰和接納不同類型基板的要求。最新的、對生產率造成最大影響的設備進展包括：採用兩個切割(two cuts)同時進行的、將超程(overtravel)減到最小的雙軸(dual-spindle)切片系統。
切片機制(The Dicing Mechanism)
硅晶圓切片工藝是在“後端”裝配工藝中的第一步。該工藝將晶圓分成單個的芯片，用於隨後的芯片接合(die bonding)、引線接合(wire bonding)和測試工序。
一個轉動的研磨盤(刀片)完成切片(dicing)。一根心軸以高速，30,000~60,000rpm (83~175m/sec的線性速度)轉動刀片。該刀片由嵌入電鍍鎳矩陣黏合劑中的研磨金剛石製成。
在芯片的分割期間，刀片碾碎基礎材料(晶圓)，同時去掉所產生的碎片。材料的去掉沿着晶方(dice)的有源區域之間的專用切割線(跡道)發生的。冷卻劑(通常是去離子水)指到切割縫內，改善切割品質，和通過幫助去掉碎片而延長刀片壽命。每條跡道(street)的寬度(切口)與刀片的厚度成比例。
關鍵工藝參數：
硅圓片切割應用的目的是將產量和合格率最大，同時資產擁有的成本最小。可是，挑戰是增加的產量經常減少合格率，反之亦然。晶圓基板進給到切割刀片的速度決定產出。隨着進給速度增加，切割品質變得更加難以維持在可接受的工藝窗口內。進給速度也影響刀片壽命。
在許多晶圓的切割期間經常遇到的較窄跡道(street)寬度，要求將每一次切割放在跡道中心幾微米範圍內的能力。這就要求使用具有高分度軸精度、高光學放大和先進對準運算的設備。
當用窄跡道切割晶圓時的一個常見的推薦是，選擇儘可能最薄的刀片。可是，很薄的刀片(20µm)是非常脆弱的，更容易過早破裂和磨損。結果，其壽命期望和工藝穩定性都比較厚的刀片差。對於50~76µm跡道的刀片推薦厚度應該是20~30µm。
碎片(Chipping)
頂面碎片(TSC, top-side chipping)，它發生晶圓的頂面，變成一個合格率問題，當切片接近芯片的有源區域時，主要依靠刀片磨砂粒度、冷卻劑流量和進給速度。
背面碎片(BSC, back-side chipping)發生在晶圓的底面，當大的、不規則微小裂紋從切割的底面擴散開並匯合到一起的時候(圖1b)。當這些微小裂紋足夠長而引起不可接受的大顆粒從切口除掉的時候，BSC變成一個合格率問題。
通常，切割的硅晶圓的質量標準是：如果背面碎片的尺寸在10µm以下，忽略不計。另一方面，當尺寸大於25µm時，可以看作是潛在的受損。可是，50µm的平均大小可以接受，示晶圓的厚度而定。
現在可用來控制背面碎片的工具和技術是刀片的優化，接着工藝參數的優化。
刀片優化(Blade Optimization)
為了接收今天新的切片挑戰，切片系統與刀片之間的協作是必要的。對於高端(high-end)應用特別如此。刀片在工藝優化中起主要的作用。為了接納所有來自於迅速的技術發展的新的切片要求，今天可以買到各種各樣的刀片。這使得為正確的工藝選擇正確的刀片成為一個比以前更加複雜的任務。
除了尺寸，三個關鍵參數決定刀片特性：金剛石(磨料)尺寸、金剛石含量和粘結劑的類型。結合物是各種金屬和/或其中分布有金剛石磨料的基體。
這些元素的結合效果決定刀片的壽命和切削質量(TSC與BSC)。改變任何一個這些參數都將直接影響刀片特性與性能。為一個給定的切片工藝選擇最佳的刀片可能要求在刀片壽命與切削質量之間作出平衡。
其它因素，諸如進給率和心軸速度，也可能影響刀片選擇。切割參數對材料清除率有直接關係，它反過來影響刀片的性能和工藝效率。對於一個工藝為了優化刀片，設計試驗方法(DOE, designed experiment)可減少所需試驗的次數，並提供刀片特性與工藝參數的結合效果。另外，設計試驗方法(DOE)的統計分析使得可以對有用信息的推斷，以建議達到甚至更高產出和/或更低資產擁有成本的進一步工藝優化。
三個關鍵的刀片元素(金剛石尺寸、濃度和結合物硬度)的相對重要性取決於刀片磨料尺寸和工藝參數。為了給一個特定應用選擇最適合的刀片，對這些關係的理解是必要的。
刀片負載監測(Blade Load Monitering)
在切片或任何其它磨削過程中，在不超出可接受的切削質量參數時，新一代的切片系統可以自動監測施加在刀片上的負載，或扭矩。對於每一套工藝參數，都有一個切片質量下降和BSC出現的極限扭矩值。切削質量與刀片基板相互作用力的相互關係，和其變量的測量使得可以決定工藝偏差和損傷的形成。工藝參數可以實時調整，使得不超過扭矩極限和獲得最大的進給速度。
切片工序的關鍵部分是切割刀片的修整(dressing)。在非監測的切片系統中，修整工序是通過一套反覆試驗來建立的。在刀片負載受監測的系統中，修整的終點是通過測量的力量數據來發現的，它建立最佳的修整程序。這個方法有兩個優點：不需要限時來保證最佳的刀片性能，和沒有合格率損失，該損失是由於用部分修整的刀片切片所造成的質量差。
冷卻劑流量穩定(Coolant Flow Stabilization)
以穩定的扭矩運轉的系統要求進給率、心軸速度和冷卻劑流量的穩定。冷卻劑在刀片上施加阻力，它造成扭力。最新一代的切片系統通過控制冷卻劑流量來保持穩定的流速和阻力，從而保持冷卻劑扭矩影響穩定。
當切片機有穩定的冷卻劑流量和所有其它參數都受控制時，維持一個穩定的扭矩。如果記錄，從穩定扭矩的任何偏離都是由於不受控的因素。這些包括由於噴嘴堵塞的冷卻劑流量變化、噴嘴調整的變化、刀片對刀片的變化、刀片情況和操作員錯誤。
總結
切片工藝變得越來越且要求高。切割跡道變得越窄，可能充滿測試用衰耗器(test pad)，並且刀片可能需要切割由不同材料製成的各種塗敷層。在這些條件下達到最大的切片工藝合格率和生產率要求認真的刀片選擇和先進的工藝控制能力。
來源：半導體封裝工程師之家
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