硅芯片封裝中改善芯片崩裂的劃片工藝

龐 零

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215104)

硅芯片封裝中改善芯片崩裂的劃片工藝

龐 零

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215104)

對崩裂產生的原因及其機理進行分析,確定劃片站發生崩裂的根本原因,并針對老型號的切割刀無法適用于新的窄切割槽產品的問題,研究并分析了一種新型切割刀.通過對比實驗,確定此新型切割刀在切割新產品時所需要的參數,以最終減少崩裂現象的發生.

硅芯片；崩裂；劃片；切割刀

Abstract:The paper analyses the reason and mechanism of disintegration of silicon chips. It is ascertained that the dicing process is responsible for disintegration as the old model of dicing blade is not fit for new products with narrow kerf. Thus a new type of blade is proposed.Comparative experiment gets the correct parameter for the new blade dicing new products, which eventually reduces disintegration.

Key words:silicon chip; disintegration; dicing; blade

崩裂是半導體后道制造過程中產生的一種失效模式.隨著集成電路向小型化和高集成度發展，對晶圓的厚度以及裸晶的尺寸要求也越來越小，這對集成電路封裝中的一些工藝帶來很大的挑戰.

1 問題產生的背景

1.1 數據分析

在導入一種新產品(T01016)時，發現在老化測試(Burn In)過程中，有大量的芯片在TBL和BE2這兩項測試項目上fail.TBL是在常溫測試條件下，對Open/Short和簡單功能測試，主要抓取芯片由大型封裝問題而引起的失效;而BE2是在高溫測試條件下，對詳細復雜的功能測試，主要抓取芯片由小型/細小封裝問題而引起的失效.這2個項目fail的dppm與同期其他產品(T01015)相比較，要高很多.

1) 老化測試.T01016的TBL和BE2的PPM水平，總和的平均數大約在9 000 dppm，而同期T01015的則為1 400 dppm左右.

2) TBL、BE2的數據對比.TBL:T01016約6 800 dppm，而T01015則為1 000 dppm;BE2:T01016約2 200 dppm，而T01015則為390 dppm左右.

3) 對T01016這種產品TBL和BE2所設定的fail limit(每個lot)測試.TBL= 0.1% = 1 000 dppm(每個lot里，fail TBL的芯片數量/lot總數量);BE2= 0.15% =1 500 dppm(每個lot里，fail BE2的芯片數量/lot總數量)

對所有T01016產品fail這個limit的批次(lot)進行機器相關性分析，發現這些lot都來自不同的機器，分布較分散，據此排除可能因為某架特定機器故障而導致問題的發生.

對失效的一些芯片首先進行EFA方面的分析，根據bitmap，發現失效的區域主要集中在芯片的邊緣.

bitmap結果如圖1所示.

根據以上EFA的發現和結論，對芯片進行PFA的分析，結果發現主要是芯片的邊緣崩裂-edge chipping.此崩裂是在裸晶die邊緣或者四角的物理損傷，并且這種損傷已經跨過stop line(die的電路區域與切割槽的分界線)進入到die的電路區域的一種現象.

1.2 崩裂機理

硅芯片是一種脆性材料，脆性高、斷裂韌性低，材料的彈性極限和強度非常接近.當材料所承受的負載超過彈性極限時，即使是在很小負載的作用下，仍然會產生一定的塑性形變并在表面產生裂紋和凹坑.從圖2可以看出，有些崩裂并不是一次產生，而是有很明顯的層次關系，是由內部的微小裂紋增長出來的，在經過外界多種因素放大后最終形成了崩裂.一般來說，中介裂紋總是先產生，并垂直于材料表面向內部擴展.實現精密磨削加工的條件是磨輪單個磨粒的最大切削深度應小于脆性材料的臨界切削厚度.臨界切削厚度是指在磨粒的作用下，材料表面剛好產生微裂紋，而此時磨粒切入的厚度值[1].

圖1 EFA bitmap

圖2 崩裂的SEM照片

c為斷裂韌性.

可以看出，磨輪平均磨粒尺寸、磨輪速度、工件進給速度和磨削深度等都是影響脆性材料在塑性域磨削的重要因素.只有當agmax＜ac時，脆性材料才能在塑性域進行超精密磨削加工，而裂紋也不會轉成脆性破壞.

但是，在整個半導體業界，后道封測類企業大多數都是通過金剛砂切割刀進行切割，考慮到成本、工藝流程的連續性和可操作性等因素，崩裂問題是無法徹底根除的，所以只能通過工藝改善減少崩裂的發生以及減輕崩裂所帶來的潛在危害.

1.3 原因分析

整個后道的封裝生產流程為:劃片→正面貼膜→背面研磨、背面貼膜、正面去膜→芯片鍵合→金線鍵合.

第一次接觸到die邊緣的是劃片(dicing)這個工藝流程.因此，第一步先對這個工藝進行分析.

dicing是通過高速旋轉的切割刀(dicing blade)沿著晶圓的切割槽切割晶圓，將整片的晶圓(wafer)切割成獨立的裸晶(die)[2].切割刀是由金剛砂顆粒和粘合劑粘合而成，在切割時，其表面突起的非常堅硬的金剛砂顆粒對相應部位進行磨削 .在這個過程中，切割刀刀刃的金剛砂顆粒會不斷地磨損、脫落并被更新[3].但如果這種磨損之后的顆粒沒有被及時更新，就會使切割刀變鈍，從而導致切割槽邊緣毛糙、不光滑，造成相應的一些崩裂.崩裂也分為兩種，一種是直接大塊崩裂，即直接崩裂至電路區域，造成電路功能損壞;另一種是小型崩裂，即剛開始并沒有進入電路區域，而是在封裝后期，由于外界因素導致小型崩裂擴大，最終進入到電路內部使得電路功能損壞.

T01015與T01016兩種芯片規格產品的TBL和BE2數據相差較大，芯片厚度分別為200 μm，150 μm;芯片尺寸分別為7.95 mm ×7.01 mm和11.79 mm × 6.77 mm .

圖3為wafer map，截取其中一部分對其結構和尺寸進行研究.

由圖4可知，T01016的切割槽寬度為

CH1=CH2=80 μm，而T01015則為104 μm.T01016的切割槽比T01015窄.現在使用的切割刀型號為A，這種刀的刀刃寬度為40～45 μm.雖然刀刃寬度仍小于T01016定義的切割槽寬度的80 μm，但較T01015的104 μm還是窄了很多.

對于T01016，按照理想狀況，刀片從切割槽的中心開始切割，同時刀刃寬

度按42.5 μm計算，則切完之后，stop line到切割邊緣的距離為18.75 μm.

但實際上，刀片并不完全從中心線開始切割，只要略微有些偏差，就會靠近某一側die的stop line，加上刀片在高速旋轉時的動不平衡、其他工序加上去的材料造成的材料間的應力變化以及溫度變化，一旦有崩裂，就會被這些因素放大而很容易的跨過stop line深入到電路區域.由此可見，A型切割刀并不適用于T01016這種產品.

1.4 問題的改善

基于上述問題的分析，下一步所要做的就是選擇一把合適的刀來切割.考慮到這是一種narrow kerf的產品，而且其經過研磨后的厚度也比老產品薄，所以刀的選擇要同時考慮到這兩個條件.通過對市場的切割刀的篩選和比對，最終選擇B型切割刀，其參數見表1.

選擇B型切割刀的原因:①金剛石顆粒要比A型切割刀更細，對于切割槽較窄的T01016產品來說，如有崩裂產生其尺寸會比較小，一般來說，不同金剛砂顆粒大小會用于不同的領域;②H

型粘合劑是針對半導體后道封裝中崩裂問題發生而特意研制的一種新型粘合劑，可以有效減少崩裂現象的產生;③刀刃寬度要較A型切割刀薄很多，并且理論計算從stop line到切割邊緣的距離應為31.25 μm，距離較大，如有崩裂產生，可以減少其擴大至電路區域的幾率;④對A、B兩種類型的切割刀在固定轉速為50 000 r/min，進給速度為40、60和80 mm/s時，分別切割一些15 mm×15 mm的空白硅片，然后對此硅片進行芯片強度的測試，結果顯示，用B型切割刀切割的硅片能承受更大的壓力，如圖5、圖6所示.

為了驗證B型切割刀在崩裂方面到底有多大的改善，A、B型切割刀在轉速在50 000 r/min和60 000 r/min時，在進給速度分別為60、70和80 mm/s時測量崩裂尺寸.

切完之后，在圓晶(wafer)的反面貼上膠帶，并拿到顯微鏡下進行崩裂尺寸的測量.每片圓晶wafer取5個點，點位位置如圖7.

對于崩裂的標準，通常認為在dicing后的崩裂尺寸不超過15 μm即可.對實驗測得的數據(見表2和表3).(表中50 000-60代表轉速為50 000 r/min，進給速度為60 mm/s)由表2、表3數據可以看出，無論使用哪種參數，B型切割刀的崩裂尺寸要較A型切割刀有較大幅度的

圖3 wafer map

圖4 對圖2中框選部分放大后的結構

表1 A、B型兩種切割刀基本參數比較

改善，同時滿足T01016產品崩裂尺寸小于15 μm的規定.

圖5 芯片強度測試結果

圖6 芯片損壞百分比vs.施加壓力

考慮到目前產品所用的轉速為50 000 r/min，為方便生產線管理，同時考慮到產量和成本控制，最終把B型切割刀的參數定義為50 000 r/min，進給速度為80 mm/s.

同時按照這個參數，測量切割槽邊緣到stop line的距離，5點結果分別為28.81、30.08、28.77、30.61、27.31，平均為29.15，比較滿意.

1.5 改善后的監測結果

設定所有用于切割T01016的機臺全部使用B型切割刀，同時對于使用B型切割刀切割的lot在后續的老化測試過程中進行監測.

根據12周的監測，數據顯示，使用B型切割刀后，在老化測試過程中，TBL的平均PPM水平大約為2 600 dppm，而BE2則為1 400 dppm，較之前的TBL約為6 800 dppm和BE2約為2 200 dppm相比，有了顯著的下降.

圖7 chipping測量點

2 結 論

表2 使用A型切割刀切割后的崩裂尺寸

通過對比分析新老產品崩裂的原因及機理，確定了在劃片站發生崩裂的根本原因，并研究分析了B型切割刀的優勢，通過一些對比實驗確定了B型切割刀在切割T01016這種窄切割槽產品時的工藝參數，且通過一些時間的監測，發現使用B型切割刀后改善明顯，崩裂現象的發生明顯減少.

表3 使用B型切割刀切割后的崩裂尺寸

表3 使用B型切割刀切割后的崩裂尺寸

Point 50 000-60 50 000-70 50 000-80 60 000-60 60 000-70 60 000-80 1 5.20 5.24 5.56 11.11 4.02 10.46 2 4.97 6.21 11.10 4.34 3.43 4.10 3 7.11 6.35 4.63 5.85 5.62 4.48 4 6.77 6.58 4.95 6.81 4.13 5.47 5 6.46 6.95 6.36 6.96 10.26 6.53 MIN 4.97 5.24 4.63 4.34 3.43 4.10 MAX 7.11 6.95 11.10 11.11 10.26 10.46 AVE 6.10 6.27 6.52 7.01 5.49 6.21

[1] 趙奕,周明,董申,等. 脆性材料塑性域超精密加工的研究現狀[J]. 高技術通訊,1999(4):59-62,47.

[2] 龔平. 晶圓切割中背面崩裂問題的分析[J]. 電子與封裝,2008,8(7):1-5.

[3] 姜健,張政林. 超薄圓片劃片工藝探討[J]. 中國集成電路,2009(8):66-69.

(責任編輯: 李 華)

Improvement of Dicing Process of Silicon Chip for Precaution Against its Disintegration in Package

PANG Ling
(College of Electronics and Information，Suzhou University, Suzhou 215021, China)

TN305.1

A

1008-5475(2011)01-0036-04

2010-12-06;

2011-01-02

龐 零(1985-),男,江蘇蘇州人,工程師,碩士,主要從事半導體封測方面的品質管理研究.