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一种MEMS硅晶圆片划片切割和结构释放方法
申请（专利）号：
申请日期：
公开(公告)日：
公开(公告)号：
主分类号：
B81C1/00,B,B81,B81C,B81C1
B81C1/00,B,B81,B81C,B81C1
申请（专利权）人：
烟台睿创微纳技术有限公司
发明（设计）人：
甘先锋,杨水长,王宏臣,孙瑞山
主申请人地址：
264006 山东省烟台市经济技术开发区贵阳大街11号
专利代理机构：
北京轻创知识产权代理有限公司 11212
国别省市代码：
一种MEMS硅晶圆片划片切割和结构释放方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：贴UV膜,在MEMS硅晶圆片背面贴UV膜；对硅晶圆片正面进行涂胶保护；步骤2：第一次划片，将贴UV膜的硅晶圆片正面朝上放置在划片机的划片台上，根据硅晶圆片厚度，设置硅晶圆片的第一次划片的厚度或划片刀的刀高；第一次划片的厚度为硅晶圆片厚度的40～55%；设置划片刀的进刀速度小于10毫米/秒；设置硅晶圆片的划片切割参数，对硅晶圆片进行对位操作，进行第一次划片；步骤3：第二次划片，全划透时，设置第二次划片的厚度为所述硅晶圆片厚度或划片刀的刀高为UV膜厚度；半划透时，设置第二次划片的刀高为所述硅晶圆片需要保留的残留硅厚度加UV膜厚度，进行第二次划片；步骤4：划片后，对硅晶圆片进行划片后的清洗和甩干；步骤5：消除UV粘性，对划片后的硅晶圆片的背面粘贴的UV膜进行照射2～10分钟，消除UV膜粘性的80%～90%；步骤6：湿法去胶，对半划透的硅晶圆片，揭下硅晶圆片背面的UV膜后，放置在设有滤孔的托盘内；对全划透的硅晶圆片，在UV膜上拾取芯片放在设有滤孔的托盘格子内；再将托盘放入去胶液中去胶；步骤7：去胶后，脱液和脱水，将放置硅晶圆片或芯片的托盘浸入异丙醇（IPA）溶液中脱液和脱水；步骤8：结构释放，将放置硅晶圆片或芯片的托盘放在结构释放设备的工艺腔体中，进行结构释放。
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各专业都有目录摘要..................................................................................................................... 1第一章绪论.......................................................................................................................................................21.1 课题的研究背景......................................................................................................................... 21.2 划片机的发展过程..................................................................................................................... 21.3 三种划片机的技术比较............................................................................................................. 31.4 国内外划片机的发展现状......................................................................................................... 41.5 划片机的发展趋势..................................................................................................................... 51.6 砂轮划片机的基本功能与系统构成.........................................................................................51.7 本课题的主要研究内容............................................................................................................. 6第二章 IC 封装的介绍及划片机的工作原理................................................................................................. 72.1 IC 封装的介绍.......................................................................................................................... 72.2 划片机的工作原理................................................................................................................... 8第三章划片机原理方案和结构方案设计.................................................................................................... 113.1 划片机设计方案的论证........................................................................................................... 113.2 划片机的原理方案及结构方案设计..................................................................................... 11第四章划片机结构参数的初步设计及相关计算........................................................................................144.1 原动机参数的初步的设计..................................................................................................... 144.2 X 轴参数的初步设计............................................................................................................. 144.3 θ轴参数的初步设计............................................................................................................. 144.4 支承和导轨的确定................................................................................................................. 144.5 砂轮主轴的确定..................................................................................................................... 15第五章划片机 X、θ轴机械结构具体设计................................................................................................ 165.1 X 轴机械结构的设计及计算................................................................................................. 165.2 θ轴机械结构的设计及计算................................................................................................. 18总结....................................................................................................................... 25参考文献......................................................................................................... 261划片机的总体规划及 X、θ轴设计学生:指导教师:学院摘要:IC 封装是半导体三大产业之一,划片机是 IC 后封装线上的第一道关键设备,其作用是把制作好的晶片切割成单元器件,为下一步单元晶片粘接做好准备。划片机切割晶片的规格一般为 3-6 晶片,单元晶片的外型一般为矩形或多边形。目前,我国的半导体封装设备所用的划片机,还主要从美国、日本、新加坡引进。为了促进划片机的国产化,本课题组开展了 IC 封装设备划片机的研制工作。因此把“划片机的总体规划及 X、θ轴设计”作为本次本科毕业论文的课题,既有较大的学术价值,又有广阔的应用前景。关键词:晶片;划片机;半导体;切割。Abstract: IC encapsulation is one of the three largest industries in semiconductor, and its firstkey equipment is wafer incision . Wafer incision is used to cut the chips into unitdevices,preparing for the next step of bonding of unit chips.The specifications of cutting chipis usually 3 to 6 chips,and the shape of unit chips are rectangular or polygonal.Since tonow ,wafer incision is used for IC encapsulation in our country is mainly introduced fromAmerica,Japan and Singapore.In order to promote the localization of wafer incision,Thisresearch group has carried out the development of IC encapsulation equipment.So we putThe overall planning of wafer incision and its design of X,θ axis as the subject research ofundergraduate thesis,it has great academic value and broad application prospects.Keyword: cut.2第一章绪论1.1 课题的研究背景IC 封装是半导体三大产业之一(器件设计、晶片制作和器件封装)。其后封装工序主要包括:划片、粘片、超声球焊、封装、检测、包装。划片机是 IC 后封装线上的第一道关键设备,其作用是把制作好的晶片切割成单元器件,为下一步单元晶片粘接做好准备。划片机切割晶片的规格一般为 3-6 晶片,单元晶片的外型一般为矩形或多边形。目前,我国的半导体封装设备(如划片机、粘片机、金丝球焊机等)还主要从美国、日本、新加坡引进。为了促进 IC 封装设备的国产化,本课题组开展了 IC 封装设备划片机的研制工作。因此把“划片机的总体规划及 X、θ轴设计”作为本科论文的课题,既有较大的学术价值,又有广阔的应用前景[7]。1.2 划片机的发展过程划片技术是集成电路后封装的一道工序,划片机的划片方法根据其发展过程可以分为三种:金刚石划片、激光划片和砂轮划片。(1)金刚石划片这是最早出现的划片方法,是目前用得最少的方法,与划玻璃的原理相同。使用锋利的金刚石尖端,以 50 克左右的固定载荷划出小片的分割线,再加上弯曲力矩使之分成小片。一般来说,金刚石划片时线条宽度为 6 一 8μm 、深度为 5μm ,硅表面发生塑性变形,线条周围有微裂纹等。如果划片时出现切屑,掰片时就可能裂开,小片的边缘又不整齐,分片就不能顺利进行。金刚石尖有圆锥形(l 点式)、四方锥形(4 点式)等。圆锥形的金刚石尖是采用其十二面体晶格上的(111&轴,并将尖端加工成半径 2 一 5 μm 的球面。划片的成品率在很大程度上取决于金刚石尖端的加工精度及其锋利性的保持情况。(2)激光划片第二代划片的方法是激光划片。激光划片就是将激光呈脉冲状照射在硅片表面上,被光照的那一部分硅就会因吸收激光而被加热到 10000℃的高温,并在一瞬间即气化或熔化了,使硅片留下沟槽,然后再沿沟槽进行分开的方法。激光划片时,硅粉会粘在硅片表面上,所以还必须对硅片上的灰尘进行必要的处理。该方法划硅片比金刚石划片的成品率高,所以曾经在一个时期内替代了金刚石划片。但激光划片对工艺条件十分敏感。激光功率、划片速度、焦点位置、气流压力等参3数的波动或变化都会影响划片质量,致使划片深度尺寸不均匀,导致分片时容易碎片,降低成品率,增加了成本。同时激光划片时,高温对热组织区内的材料也有很大的影响,从而影响到芯片的性能。但激光划片相对于其他的划片技术来说,结构简单,在切割中和切割后芯片碎裂率少,无论单晶硅片薄厚,切口宽度均小于 3μm,切口边缘平直、精准、光滑,能够在每片晶圆上制作并切割出更多数量的芯片。(3)砂轮划片第三代划片机是砂轮划片机。砂轮划片机是利用高速运转的空气静压主轴带动刀片,通过光栅尺和导轨系统的控制,将刀刃定位在加工材料上,最终形成具有一定深度和宽度的切口[1]。砂轮划片工艺质量与主轴转速、切割速度、刀片厚度等都有一定的关系。相对合理的主轴转速能有效地控制刀片在随主轴转动时的相对震动、有利于刀片在切割时的径向稳定性,从而提高切割质量。刀片的切割速度决定工作效率,如果切割速度不断变大,在切割的过程中沿沟槽的***的速度也会变得不好控制。切割速度会受制于待加工材料的硬度,如硅晶圆表面材料的硬度直接决定切割速度。如果切割超硬材料时切割深度过大都不利于刀片的正常使用,并最终影响到刀片的寿命。1.3 三种划片机的技术比较三种划片技术的比较如表 1 所示。由表 1 可以看出,砂轮划片的加工速度、加工深度、加工宽度、加工效果等相对其他两种加工技术具有突出的优点,因此砂轮划片是目前的主流加工技术。表 1 三种划片机的技术比较指标分类金刚石划片激光划片砂轮划片加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s加工深度 3~10μm ~100μm ~100μm加工宽度 3~10μm 20~25μm ≤刀片厚度+10μm划片效果裂纹大有热损耗只有微小裂纹成品率 60~70% 70~80% 98%噪音小大较小其他硅片厚度为小片尺寸的 1/4 以下有黏着灰尘的问题需要切削液、压缩空气41.4 国内外划片机的发展现状在国外,划片机自七十年代初问世以来,发展非常迅速,应用领域也越来越广,品种也在不断增加。刚开始时,只有日本、英国、美国三个国家的四、五个公司制造划片机,而如今俄罗斯、台湾、中国大陆也都制造出了划片机,划片机制造厂家己经发展到十多个公司[2]。目前,国外生产划片机的厂商主要有:日本 DISCO、东京精密 TSK,以色列ADT,以及英国流星 Loadpoint 公司最初生产的划片机只是用来切割晶体管半导体硅片,只能切割最大为 3 英寸的硅片。而如今,它不仅可以切割硅片,还可以切割其它的薄、脆、硬材料,应用领域越来越广泛。日本 DISCO 公司生产的划片机占世界划片机销量的 80%,代表着当今划片机的较高水平。该公司在 2002 年 12 月推出了 DFD636O 型划片机,该机最大划片尺寸达 3O0mm(12 英寸),划片槽宽度达到 20μm 切割速度高达 600mm/s,定位精度最高达 0.003mm。JPsereezAssoeiateS 公司生产紫外(UV)激光划片机,可用于切割300mm 直径的单晶硅圆片,采用 355un 或 266nm 的短脉冲 UV 激光光源,采用了高性能、超精确的气动操作台,获得了较高的速度和加速度,断面边缘光滑平直,而且划片槽仅有2.5μm 宽。我国真正研制划片机的时间较晚,基本上是从七十年代开始的。1982 年我国研制出第一台国产化的砂轮划片机,结束了当时我国划片机完全依赖进口的局面。国产划片机设备制造商主要有:中国电子科技集团公司第 45 研究所、沈阳仪表科学研究院、西安捷盛电子技术有限责任公司、上海富安工厂自动化有限公司、武汉三工光电设备制造有限公司。我国的划片机主要以中国电子科技集团第45研究所为代表,该研究所从1994年开始先后生产了 HP602 型(150mm)精密自动划片机,该款划片机采用恒力矩变频分相调速技术,可以减少圆片正反面的崩角情况并能够提高芯片的抗折强度,从而提高了芯片的质量,工作台采用滚动导轨;在此基础上于 2004 年研制了 HP801 型(200mm)精密自动划片机,在增大硅晶圆片一的直径的同时,也增加了硅晶圆片上芯片的数量,提高了芯片产出的效率,并达到了实用化,定位精度为士 10μm;而后又研制了 KS780 等型号的划片机。沈阳仪表科学研究院研制了 ZSHS 型自动砂轮划片机,精度达到了士 5μm μm /35Omm,切割晶圆的行程为 152.4mm,与当时国际上 203.2mm 有很大的差距,切割速度为 150mm/S,与当时的国外先进的划片速度 300mlm/s 还相差很大。目前,国产新型的双轴 200mm(8 英寸)精密自动划片机,也已进入了实用化阶段,划片槽宽度达到 30~40μm。2010 年 1 月 3 日,苏州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圆激光划片机 TH 一 321 型激光划片机,采用高精度的两维直线电机工作台及直驱旋转平台,划片槽宽度降低到 3μm。武汉三工光电设备制5造有限公司生产的晶圆激光划片机,采用数控的工作方式,最大线切害速度为 140mm/S,定位精度为士 10μm。1.5 划片机的发展趋势伴随着电子技术及相关产业的飞速发展,国际半导体业的生产已发生了巨大变化。集成电路由大规模向超大规模发展,集成度越来越高,划片槽越来越窄,一般在 30~40μm[14]。迄今为止,其遵循的主要规律是:每个芯片上的晶体管数每年增加 50﹪,或每 3.5 年增加 4 倍;特征尺寸、门延迟、连线的步径(线宽+间距)每年减少 13﹪。这对于以金刚石砂轮为刃具的强力磨削加工工艺来说,已进入临界尺寸。为了降低成本,硅片的直径越做越大,目前国际上已有 15 个国家(地区)建有 160 多条 8 英寸生产线,7 个国家(地区)建有 12 英寸生产线。硅片直径由 6 英寸增大到 8 英寸,面积只增加 78﹪,但其中可供芯片利用的面积增加了 90﹪,晶圆片的成本和价值大幅增加,给划片机的加工精度、可靠性、稳定性提出了越来越苛刻的要求,使划片设备的设计更加复杂,加工制造更加困难。为了适应集成电路的发展,划片设备技术和工艺有了较快发展。最初的砂轮划片机只是半自动设备,控制系统采用的是单片机,容量小,设备的功能较少,设备的加工精度也不高。随着相关技术的发展,现在国外已有全自动的砂轮划片机,一般由主机部分、自动对准、自动上下片、自动清洗 4 个单元组成。砂轮划片机的控制系统已开始采用工控机控制系统,控制功能增强;采用光栅测长系统控制各轴的精密分度定位,步进定位精度小于 0.003D 光学对准显微镜进行自动图像识别,自动图形对准。目前日本的 DISCO 公司又推出了引领划片机潮流、代表划片机最高技术水平的双轴对装式 12英寸的全自动划片机,并逐渐进入实用化阶段。1.6 砂轮划片机的基本功能与系统构成从划片的要求出发,砂轮划片机应具备以下一些功能和装置:1.具有能进行精确平行线切割的机构,所以砂轮刀片或承载工件的承片台应能作 X 一 Y运动。2.为了切割不同深度的工件和让刀的需要,应具有能进行高度调整的机构,所以砂轮刀片或承片台应能作 Z 运动。3.为了进行两个以上方向的切割,应具有能进行转向的机构,所以砂轮刀片或承片台应能作θ向运动。64.为了固定薄脆工件,应具有合适的夹紧装置。5.应具有高转速、高精度的砂轮刀片驱动装置——中频空气静压电主轴。6.图形对准装置——光学显微镜及其调整机构,精确切割带有图形的工件。7.空气压缩机和空气过滤装置,给中频空气静压电主轴提供洁净的压缩空气。8.上、下冷却水装置,提供充足的冷却液。9.满足生产率和精度要求的计算机控制系统、相应的硬件以及控制软件。1.7 本课题的主要研究内容(1) 通过调研和参阅相关资料,了解 IC 封装及划片机的工作原理;(2) 完成原理方案设计和结构方案设计,确定实施方案;(3) 对划片机进行结构参数的初步设计,并完成相关的计算;(4) 完成划片机的机械结构 X、θ轴进行具体设计;(X 轴效行程大于 180mm,划片速度0-300mm/s; θ转台:转角为±100°,转角最小分辨率小于 8 角秒);(5) 完成装配图和零件图。7第二章 IC 封装的介绍及划片机的工作原理2.1 IC 封装的介绍2.1.1 IC 封装的概念IC 封装,就是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接.封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用,而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接,从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面,封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 PCB(印制电路板)的设计和制造,因此它是至关重要的。2.1.2 IC 封装的分类封装主要分为 DIP 双列直插和 SMD 贴片封装两种。从结构方面,封装经历了最早期的晶体管 TO(如 TO-89、TO92)封装发展到了双列直插封装,随后由 PHILIP 公司开发出了 SOP 小外型封装,以后逐渐派生出 SOJ(J 型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型 SOP)、TSSOP(薄的缩小型 SOP)及 SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。从材料介质方面,包括金属、陶瓷、塑料、塑料,目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。封装大致经过了如下发展进程:结构方面:TO-&DIP-&-&QFP-&BGA -&CSP;材料方面:金属、陶瓷-&陶瓷、塑料-&塑料;引脚形状:长引线直插-&短引线或无引线贴装-&球状凸点;装配方式:通孔插装-&表面组装-&直接安装。2.1.3 具体封装形式(1) SOP/SOIC 封装 SOP 是英文 Small Outline Package 的缩写,即小外形封装。SOP 封装技术由
年菲利浦公司开发成功,以后逐渐派生出 SOJ(J 型引脚小外形封装)、TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型 SOP)、TSSOP(薄的缩小型 SOP)及 SOT(小外形晶体管)、SOIC(小外形集成电路)等。8(2) DIP 封装 DIP 是英文 Double In-line Package 的缩写,即双列直插式封装。插装型封装之一,引脚从封装两侧引出,封装材料有塑料和陶瓷两种。DIP 是最普及的插装型封装,应用范围包括标准逻辑 IC,存贮器 LSI,微机电路等。(3)
封装 是英文 Plastic Leaded Chip Carrier 的缩写,即塑封 J 引线芯片封装。封装方式,外形呈正方形,32 脚封装,四周都有管脚,外形尺寸比 DIP封装小得多。封装适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线,具有外形尺寸小、可靠性高的优点。(4) TQFP 封装 TQFP 是英文 thin quad flat package 的缩写,即薄塑封四角扁平封装。四边扁平封装(TQFP)工艺能有效利用空间,从而降低对印刷电路板空间大小的要求。由于缩小了高度和体积,这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用,如 PCMCIA卡和网络器件。几乎所有 ALTERA 的 CPLD/FPGA 都有 TQFP 封装。(5) PQFP 封装 PQFP 是英文 Plastic Quad Flat Package 的缩写,即塑封四角扁平封装。PQFP 封装的芯片引脚之间距离很小,管脚很细,一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式,其引脚数一般都在 100 以上。(6) TSOP 封装 TSOP 是英文 Thin Small Outline Package 的缩写,即薄型小尺寸封装。TSOP 内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚, TSOP 适合用SMT 技术(表面安装技术)在 PCB(印制电路板)上安装布线。TSOP 封装外形尺寸时,寄生参数(电流大幅度变化时,引起输出电压扰动) 减小,适合高频应用,操作比较方便,可靠性也比较高。(7) BGA 封装 BGA 是英文 Ball Grid Array Package 的缩写,即球栅阵列封装。20世纪 90 年代随着技术的进步,芯片集成度不断提高,I/O 引脚数急剧增加,功耗也随之增大,对集成电路封装的要求也更加严格。为了满足发展的需要,BGA 封装开始被应用于生产。采用 BGA 技术封装的内存,可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍,BGA 与 TSOP 相比,具有更小的体积,更好的散热性能和电性能。BGA 封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升,采用 BGA 封装技术的内存产品在相同容量下,体积只有 TSOP 封装的三分之一;另外,与传统 TSOP 封装方式相比,BGA 封装方式有更加快速和有效的散热途径。2.2 划片机的工作原理2.2.1 金刚石划片机的工作原理9金刚石划片机的工作原理如图 1 所示。金刚石划片机是通过高速旋转的金刚石刀片对基板进行切割,而传统的激光划片采用脉冲激光在陶瓷上沿直线打一系列互相衔接的盲孔,孔的深度只需要陶瓷厚度的 1∕3 到 1∕4 ,由于应力集中,陶瓷材料沿此线即可折断。所以金刚石划片工艺优势在于划片精度高,基板边缘整齐,而使用激光划片机的基板边缘粗糙,精度难以控制。图 1 金刚石划片机原理2.2.2 激光划片机的工作原理激光划片机由激光晶体、电源驱动与控制系统、冷却系统、光学扫描聚集系统、真空泵、切割控制系统、二维运动工作台、计算机等组成。控制台上有电源、真空泵、冷却水、紧急停止等的开关按钮和电流调节旋钮等。工作台面上布有气孔,气孔与真空泵相连,打开真空泵后电池片就被吸附在控制台上,使电池片在切割过程中保持平整并不易移动。激光具有高亮度、高方向性、高单***和高相干性。激光束通过聚焦后,在焦点处产生数千度甚至上万度的高温,使其能加工所有的材料。激光划片机通过聚焦镜把激光束聚焦在电池片的表面,形成高功率密度光斑(约 1000000w/mm2),使硅片表面材料瞬间气化并在运动过程中形成一定深度的沟槽,由于沟槽处应力集中,所以使电池片很容易沿沟槽整齐断开。“激光划片”为非接触加工,划片效应是通过表层的物质蒸发出深层物质,或是通过光能作用导致物质的化学键断裂而划出痕迹。因此,用激光切割太阳能电池片,能较好地防止电池片的损伤和对电池片的污染,提高电池片的利用率。2.2.3 砂轮划片机的工作原理砂轮划片机是精密切割专用设备。被切割的工件通常是圆形或正方形的薄、脆、硬播放器加载中，请稍候...
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