全自動晶圓劃切設備之可靠性分析

張 偉，王宏智，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

全自動晶圓劃片機是集光機電計算機于一體的復雜設備，劃片工序是將集成電路整片晶圓通過劃切分割成單個芯粒的工藝過程，是集成電路制造過程中整片晶圓操作的最后一道工序，承載了包括晶圓減薄以及材料制備、光刻等幾百個前道工序的材料和制造成本，一旦出現問題，整個投入就會前功盡棄。同時，劃片工藝又是一種無法恢復的不可逆過程,一旦出現問題整片晶圓就可能全部報廢。因此,材料和制造成本的積累以及工藝的不可重復性決定了劃片工藝成為封裝、甚至整個集成電路制造過程中最關鍵和最危險的工藝環節，使得其對設備晶圓劃片機的可靠性要求達到了極致，不僅要從晶圓上片、對準、劃切、清洗甩干到下片的完全自動化，而且整個過程幾乎不容出現任何失誤，其可靠性要求達到了工業化設備的最高層級，業內只要提到劃片機首先關心的問題就是其可靠性如何。因此,可靠性對全自動劃片機來說具有極其特殊的意義，是其進入生產線的決定性因素，極高等級的可靠性是劃片機進入生產線的首要條件。在此動機之下，目的就是在建立一個測試標準、程序或其它的依據，提供一個失效標準以做參考：首先假設系統下的子系統及其子系統下的元件皆為各自獨立的個體，開始運作在同一時間內，計算出故障的幾率，求出整體系統的可靠性，最終從結果中判斷及分析。對于眼前系統可能故障的事件作預先的防護，進而提升其可靠的程度，延長系統壽命，解決不可靠的成分因素，最終提高全自動晶圓劃切設備的可靠性，這是分析全自動劃切設備可靠性的主要目的。

1 全自動晶圓劃切設備各部分介紹

網際網絡之興起與無線通訊之普及，再加上個人電腦及消費性電子產品的持續需求，半導體產業循環已從1998年開始復原。半導體產能提高的兩大推動力為：半導體技術上的進步，制造生產力的提升，在技術上，由于線寬的不斷縮小，使得電晶體的產能每2年增加1倍，在制造生產力的提升上，由于更多的制造工廠、較多的矽晶圓使用、更高的可使用率及可靠性、更高的生產速率及良率等促成因素，使得電晶體的產能每3年有5倍的提升。

就目前的產業來說，為提升產能已從200mm晶圓漸漸進入到300 mm晶圓發展，對于全自動晶圓劃切設備本身可以分為上料模組、物料傳輸模組、劃切工作臺模組和清洗模組，其主要實現功能如圖1所示。

上料模組：用于晶圓的自動上料；物料傳輸模組：用于晶圓在設備中各個環節的傳輸；劃切工作臺模組：用于晶圓的劃切過程；

清洗模組：用于清洗和甩干劃切結束后的晶圓。

圖1 全自動劃片流程

2 可靠性的定義和特性

一般來說，可靠性的定義為一個系統在已知運行條件下，且于一個特定時間內操作正常的幾率，以此定義就相對可知故障幾率，可了解到系統何時無法正常操作，同樣對于該條件的處理，我們必須明確系統所受的負擔及系統操作所在的條件環境，可靠性最重要的變數就是時間，因為故障率是可靠性最常見的現象。

3 全自動劃切設備可靠性分析

全自動劃切設備系統的整體到細節的可靠性模組分析是針對全自動晶圓劃切設備的整體部分從上部的整體功能一直往下延伸到下部的子系統功能，如此可以確認所有的故障模式隨后定義出每一個故障模式的故障率，然后評估整體的故障率，為了求出全自動劃切設備的故障率必須先求出分派在系統下子系統的故障率，其步驟為：

(1)建立系統的方框圖。首先分析整體系統的最上層系統，對整體的系統進行分隔，分隔出這些整體系統的子系統，或者更向下分出子系統。最下層系統的故障有其潛在的故障模式，一個故障模式是由物理過程或是由發生的產生率所定義，這些故障模式的獲得是由分析最下層系統的功能并分析其可能潛在故障的模式，然后畫出所有設備的方框圖，其所用的圖形區域與子系統的相似，如圖2所示。

（2）建立系統的故障模型。圖3給出了全自動晶圓劃片機可靠性模型框圖。整機系統采用單一的串聯模型，系統中每個子系統的失效都會導致系統失效。

（3）對系統的可靠性進行分配。按照全自動劃片機設計階段可靠性模型框圖進行可靠性指標的分配。串聯系統中各部分MTBF值的指標分配公

圖2 依序式系統整體到細節方框圖

圖3 全自動劃片機可靠性模型

從計算結果來看，每個單元Mi的可靠性分配指標有大小差異，最大的為5.6 kh，最小的為840 h。通過每個單元Mi的分配指標計算出整機的MMTBF為176 h，能夠滿足項目指標MMTBF大于168 h的要求，可靠性分配是合理的。根據以上的方式進一步分解到元件一級就可以來作為選擇各個元器件的標準指標。

表1 全自動晶圓劃片機各單元可靠性指標分配

4 結 論

對于全自動晶圓劃切設備的系統而言，該方法雖然只能提供一個近似參考結果，但是增進深一層的分析效率，利用整體到細節方框圖的分析，及系統模型圖等圖形的表示，來展現系統內元件或子系統之間的關系，是一種可靠性的分析方法。由于是配合著圖形，可以清楚地了解到整體系統下子系統之間相互配合的關系，來求得元件或子系統間的內部連結部分,可以用來直接求出全自動晶圓劃切設備的可靠性，分析可靠性的同時可以初步確定出各個元件的評判指標。

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