李晓明

（西安电子科技大学 机电工程学院，西安 710075）

信息技术和电子产品的核心是集成电路芯片。在目前半导体器件及集成电路产品的封装制程中，由前至后依次包括粘胶带（Taping）、背面研磨（Back Side Grinder，BSG）、晶圆粘贴（Wafer Mount）、晶圆切割（Dicing）、照紫外线（Ultraviolet，UV）、基板烘烤（SBT baking）、基板刷胶主动对准技术（Active Alignment，AA）、AA后烘烤（AA post baking）、晶圆粘贴（Die Bond，DB）、基板清洗（WB Plasma）、焊线（Wire Bond，WB）、模封（Molding）、激光打印（Marking）、植球（Ball Mount）、基板切割（Saw Singulation）、性能测试（O/S test）、自动外观检测（Automated Visual Inspection，AVI）和人工外观检测（Final Visual Inspection，FVI）。其中，基板的切割制程是封装的最后一道加工工序，也是后端封装中最重要的一步。

在半导体行业中，常见有3种基板料条的切单方法，即等离子切割、激光切割和刀片切割[1]。等离子切割具有最佳的切割性能，切单的缺陷几乎为零，但运行成本高。激光切割使用激光烧蚀分离单元，产生侧壁的热影响区域，降低芯片强度[2]。传统的切单方法即刀片切割，与其他方法相比更加成熟且成本低[3]。其中，使用金刚石切割刀片的切单技术目前仍是半导体行业封装制程中应用最广泛的方法，主要作用是将做完植球工序的整条基板产品进行切单，完成切单的集成电路（Integrated Circuit，IC）用特定的Tray盘进行装置，再经自动外观检测和人工外观检测，待合格后即可使用。在基板的切割制程中，使用的包装材料为Tray，直接材料为黑色矩阵（Black Matrix，BM）后的基板，间接材料也是最关键的材料为切割刀，即本文的研究对象。

在半导体集成电路封装中，金刚石切割刀由金刚石颗粒、黏合剂和Chip pockets组成。金刚石颗粒用来进行打碎、切断基板料条中除IC外的边角料。黏合剂用于固定金刚石。Chip pockets则用于带走微粒/粉末，同时带来冷却液。

1 表面形貌分析

使用扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪（Oxford INCA Energy EDX）分析金刚石切割刀的表面形貌，以获取其内部参数因子，为后续分析提供数据。

确保X射线探测器内的液态氮足够，且扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）高压已开，将X射线探测器分别移动至切割刀的分析位置，设定电镜控制放大倍数为2 000，工作距离为15 mm，收集影像如图1所示。

图1 部分影像收集

此外，为保证金刚石切割刀表面形貌的定量分析最佳化，将随机台随附的CO标准品放入SEM内观察，并在影像截取后、图谱采集前设定X-ray收集条件为收集比率1～2 kc·s-1和时间40%以下，使得电镜达到分析所需条件，所得数据无限趋向于样本的真实情况[4]。

在影像选择的不规则区域进行谱图分析，结果如图2所示。从扫描结果可以看到，某些区域的元素分布比较多，那么其曲线比较高。

图2 部分元素线扫描谱图

2 作业机理分析

当工作物体属于较软的材质（如铜、生陶瓷等）时，切割刀片会利用切割刀口的某一部分将工作物体一点一点挖除，并移除切割制程中产生的粉末，即课题涉及的作业原理。当工作物体的移动方向与金刚石颗粒旋转的方向在某一点发生相交时，并不会产生某一范围内的微小裂痕，相反仅仅产生工作物体中的粉末碎屑，并在工作过程中可通过Chip Pockets移除粉末。这种切割方式的主要缺点是易产生毛边，是目前在半导体器件和集成电路产品封装制程中广泛使用的一种切割技术[5]。

基板切割制程包括两个主要准备工作，分别为测量刀高与磨刀/预切割环节。根据测量方式不同，测量刀高包括接触式测高和非接触式测高。接触式测高通过切割刀片与切割平台接触确定高度。非接触式测高通过非接触式位置传感器（Non Contacting Position Sensor，NCS）测量。正常情况下，非接触式测高不会造成刀片损伤，接触式测高需注意刀片是否与切割平台上测高点有接触。接触式测高可代替非接触式测高，而非接触式测高不可代替接触式测高。接触式测高常在换刀后进行，非接触式测高主要在切割工作中进行。

在正式切割作业前，往往会增加一个磨刀与预切割环节，主要目的是使金刚石颗粒裸露出来，为产品修建良好的刀口，达到更好的真圆度，使得实际刀片的外径更加贴合理想状态下的圆，保证切割品质。

3 Abaqus仿真分析

基于Abaqus CAE建立金刚石切割刀与基板料条两者的三维图形。建立切割制程的三维模型是进行封装切割制程仿真的第一个关键步骤，也是体现金刚石切割刀在封装制程应用时具体过程的关键环节。是否能够完整并贴合实际地建立实际金刚石切割刀和基板料条的三维模型，直接影响后续Abaqus物理仿真的结果和后续试验设计（Design of Experiment，DOE）验证的必要性。金刚石切割刀和基板料条的三维图形，如图3所示。

图3 金刚石切割刀和基板料条的三维图形

此外，由于切割刀片与基板料条的封装切割制程中切割刀片发生的变形十分小，无限趋向于零，故不予考虑切割刀片在作业中的磨损和变形，一概设定为刚体。

金刚石切割刀片-tool部件的粒度/颗粒尺寸设置为320目（颗粒尺寸较大）。将黏合剂类型参数选取为M1黏合剂时，金刚石切割刀在与基板料条的封装切割作业中极易发生IC边缘拉毛。金刚石颗粒粒度较小时，每一颗金刚石颗粒尺寸较大，造成IC边缘拉毛，如图4所示[6]。由于黏合剂与金刚石颗粒共同承担切割的行为，并无黏合剂起固定角色，导致切割作业不稳定，IC边缘拉毛，切割品质低，封装良率不达标。将金刚石粒度调整为360目甚至是400目，亦或是将黏合剂参数选取为V1时，改良后的切割刀片与基板料条作业后的边缘拉毛现象有所减少。

图4 IC边缘拉毛

在金刚石切割刀片参数影响因子设置中，若粒度偏高（400目）、集中度偏低（50集度）或粒度偏低（320目）、集中度偏高（400集度），即二者水平差距过大时，在切割刀片与基板料条的封装制程作业中常发生模面和基板面的崩边（IC和基板均发生不同程度的崩裂/崩碎），如图5所示。究其原因，主要是粒度和集中度水平差距过大时，作用主体-金刚石颗粒在切割刀片中密度过大，极易发生切割品质不良的情形。

图5 模面和基板面崩边

若固定其他影响因子，将切割刀片的真圆度设定为30 μm（较高水平），则在CH1第一条切割道作业初即发生切缝异常的情形，切割道并非按照预定的为一条均匀合规的直线，而是一条不规则曲线，可验证当金刚石切割刀片的真圆度高、尺寸精度差时，发生切割异常、切缝大的不良情形的概率上升。如图6所示，当切割刀片内部的金刚石颗粒发生异常，如粒度、集中度偏离正常值如粒度（-∞，200）∪（500，＋∞）、集中度（-∞，30）∪（600，＋∞）时，该条件下切割刀片未能按预期完成制程作业，即与基板料条的切割发生未切透的现象（理想状态下的作业极限趋向于仅发生轻微弹性形变）。

图6 切缝异常

4 DOE试验

本文试验是在1k洁净室内进行的，如表1所示，试验4因子分别是粒度x1、集中度x2、真圆度x3、黏合剂类型x4。令切割品质及封装良率水平为输出结果，一个处理就是一次试验。

表1 切割品质及封装良率水平

4.1 极差分析

如表2所示，借助Minitab软件，采用极差分析法，对试验设计结果进行4因子的重要性排序。

表2 均值响应表

如图7所示，如果仅仅使用极差分析来总结DOE试验的结论，那么最优组合是A3B3C1D3（粒度400目、集中度100集度、真圆度10 μm、黏合剂类型V1）。但是，在分析极差的同时，需要考虑这4个金刚石切割刀的因素对切割品质及封装良率的影响在统计学上是否是显著的，所以需要进行方差分析。

图7 因子趋势图

4.2 方差分析

如表3所示，对试验结果采用方差分析进行F检验，再次验证4因子对切割制程的影响显著程度。

表3 方差分析结果

由试验数据可以得出，粒度、集中度、真圆度、黏合剂类型这4个参数影响因子在金刚石切割刀和基板料条的制程中都是显著的影响因子。结合极差分析可得，真圆度1（10 μm）＞集中度3（100集度）＞粒度3（400目）＞黏合剂类型3（V1）。

5 结语

基于目前集成电路和半导体器件封装行业的应用现状，传统的金刚石切割刀片作业在未来一段时间仍是使用最广泛、成熟的切割工艺，但其在一些方面仍存在缺陷，需要深入研究，如探寻新的黏合剂类型、研发具有普适性的设备机台等，以期提高IC封装的生产力。