เวเฟอร์หั่นลูกเต๋าคืออะไร?

A เวเฟอร์ต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงสามครั้งจึงจะกลายเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์จริง ประการแรก แท่งโลหะรูปบล็อกถูกตัดเป็นเวเฟอร์ ในกระบวนการที่สอง ทรานซิสเตอร์จะถูกแกะสลักไว้ที่ด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์ผ่านกระบวนการก่อนหน้านี้ ในที่สุด บรรจุภัณฑ์ก็จะดำเนินการ นั่นคือ ผ่านกระบวนการตัดเวเฟอร์กลายเป็นชิปเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์ จะเห็นได้ว่ากระบวนการบรรจุภัณฑ์เป็นของกระบวนการแบ็คเอนด์ ในกระบวนการนี้ แผ่นเวเฟอร์จะถูกตัดออกเป็นชิปหกเหลี่ยมหลายชิ้นแยกกัน กระบวนการรับชิปอิสระนี้เรียกว่า "Singulation" และกระบวนการเลื่อยแผ่นเวเฟอร์ให้เป็นทรงลูกบาศก์อิสระเรียกว่า "การตัดแผ่นเวเฟอร์ (Die Sawing)" เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีการปรับปรุงการรวมเซมิคอนดักเตอร์ ความหนาของเวเฟอร์มีขนาดบางลงเรื่อยๆ ซึ่งแน่นอนว่าจะทำให้กระบวนการ "singulation" ยากขึ้นมาก

วิวัฒนาการของการหั่นเวเฟอร์

กระบวนการส่วนหน้าและส่วนหลังมีการพัฒนาผ่านการโต้ตอบในรูปแบบต่างๆ: วิวัฒนาการของกระบวนการส่วนหลังสามารถกำหนดโครงสร้างและตำแหน่งของชิปขนาดเล็กทรงหกเหลี่ยมที่แยกออกจากแม่พิมพ์บนเวเฟอร์ตลอดจนโครงสร้างและตำแหน่งของแผ่นอิเล็กโทรด (เส้นทางเชื่อมต่อไฟฟ้า) บนแผ่นเวเฟอร์ ในทางตรงกันข้ามวิวัฒนาการของกระบวนการ front-end มีการเปลี่ยนแปลงกระบวนการและวิธีการของเวเฟอร์การทำให้ผอมบางลงและ "die dicing" ในกระบวนการแบ็คเอนด์ ดังนั้นรูปลักษณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นของแพ็คเกจจะมีผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการแบ็คเอนด์ นอกจากนี้จำนวน ขั้นตอน และประเภทของการหั่นลูกเต๋าก็จะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ของบรรจุภัณฑ์ด้วย

นักเขียน Dicing

ในสมัยแรกๆ การ “ทำลาย” โดยใช้แรงภายนอกเป็นวิธีเดียวที่สามารถแบ่งแยกได้เวเฟอร์เป็นรูปหกเหลี่ยมก็ตาย อย่างไรก็ตามวิธีนี้มีข้อเสียของการบิ่นหรือแตกร้าวที่ขอบของชิปขนาดเล็ก นอกจากนี้ เนื่องจากไม่สามารถขจัดครีบบนพื้นผิวโลหะออกได้หมด พื้นผิวที่ตัดจึงมีความหยาบมากเช่นกัน
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วิธีการตัด "Scribing" จึงเกิดขึ้น นั่นคือ ก่อนที่จะ "แตกหัก" พื้นผิวของเวเฟอร์ถูกตัดให้เหลือความลึกประมาณครึ่งหนึ่ง “Scribing” ตามชื่อหมายถึงการใช้ใบพัดเพื่อเลื่อย (ตัดครึ่ง) ด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์ล่วงหน้า ในสมัยแรกๆ เวเฟอร์ส่วนใหญ่ที่มีความสูงต่ำกว่า 6 นิ้วใช้วิธีการตัดนี้ โดยเริ่มจากการ "หั่น" ระหว่างชิปก่อน แล้วจึง "หัก"

การเลื่อยใบมีดหรือการเลื่อยใบมีด

วิธีการตัดแบบ "Scribing" ค่อยๆ พัฒนาเป็นวิธีการตัด (หรือเลื่อย) แบบ "Blade dicing" ซึ่งเป็นวิธีการตัดโดยใช้ใบมีดสองหรือสามครั้งติดต่อกัน วิธีการตัดแบบ "ใบมีด" สามารถชดเชยปรากฏการณ์เศษเล็ก ๆ ลอกออกเมื่อ "แตกหัก" หลังจาก "ขีดเขียน" และสามารถป้องกันเศษเล็ก ๆ ในระหว่างกระบวนการ "แยกออก" ได้ การตัดแบบ “ใบมีด” แตกต่างจากการตัดแบบ “หั่นเต๋า” ก่อนหน้านี้ กล่าวคือ หลังจากการตัดแบบ “ใบมีด” จะไม่ “หัก” แต่ตัดอีกครั้งด้วยใบมีด ดังนั้นจึงเรียกว่าวิธี "หั่นลูกเต๋าแบบขั้นตอน"

เพื่อปกป้องเวเฟอร์จากความเสียหายภายนอกในระหว่างขั้นตอนการตัด ฟิล์มจะถูกติดไว้กับเวเฟอร์ล่วงหน้าเพื่อให้แน่ใจว่า "แยกเดี่ยว" ได้อย่างปลอดภัยยิ่งขึ้น ในระหว่างกระบวนการ "บดกลับ" ฟิล์มจะถูกติดไว้ที่ด้านหน้าของแผ่นเวเฟอร์ แต่ในทางกลับกัน ในการตัดแบบ "ใบมีด" ควรติดฟิล์มไว้ที่ด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ ในระหว่างการติดดายยูเทคติก (การติดดาย การติดชิปที่แยกออกจากกันบน PCB หรือเฟรมคงที่) ฟิล์มที่ติดอยู่ด้านหลังจะหลุดออกโดยอัตโนมัติ เนื่องจากมีแรงเสียดทานสูงระหว่างการตัด จึงควรฉีดน้ำ DI อย่างต่อเนื่องจากทุกทิศทาง นอกจากนี้ควรติดใบพัดด้วยอนุภาคเพชรเพื่อให้สามารถหั่นเป็นชิ้นได้ดีขึ้น ขณะนี้การตัด (ความหนาของใบมีด: ความกว้างของร่อง) จะต้องสม่ำเสมอและต้องไม่เกินความกว้างของร่องลูกเต๋า
เป็นเวลานานแล้วที่การเลื่อยเป็นวิธีการตัดแบบดั้งเดิมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดคือสามารถตัดเวเฟอร์จำนวนมากได้ในเวลาอันสั้น อย่างไรก็ตาม หากความเร็วในการป้อนชิ้นงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความเป็นไปได้ที่ขอบชิปเล็ตจะหลุดก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นควรควบคุมจำนวนรอบการหมุนของใบพัดไว้ที่ประมาณ 30,000 ครั้งต่อนาที จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์มักเป็นความลับที่สะสมอย่างช้าๆ ผ่านการสะสมและการลองผิดลองถูกมาเป็นเวลานาน (ในหัวข้อถัดไปเกี่ยวกับพันธะยูเทคติก เราจะพูดถึงเนื้อหาเกี่ยวกับการตัดและ DAF)

การหั่นลูกเต๋าก่อนเจียร (DBG): ลำดับการตัดเปลี่ยนวิธีการ

เมื่อทำการตัดใบมีดบนแผ่นเวเฟอร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 นิ้ว ไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการลอกหรือการแตกร้าวของขอบชิปเล็ต แต่เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นเวเฟอร์เพิ่มขึ้นเป็น 21 นิ้วและความหนาบางมาก ปรากฏการณ์การลอกและการแตกร้าวก็เริ่มปรากฏขึ้นอีกครั้ง เพื่อลดผลกระทบทางกายภาพต่อแผ่นเวเฟอร์ในระหว่างกระบวนการตัดอย่างมีนัยสำคัญ วิธี DBG "การหั่นก่อนการเจียร" แทนที่ลำดับการตัดแบบดั้งเดิม ต่างจากวิธีการตัดแบบ "ใบมีด" แบบดั้งเดิมที่ตัดอย่างต่อเนื่อง DBG จะดำเนินการตัดแบบ "ใบมีด" ก่อน จากนั้นค่อย ๆ ลดความหนาของแผ่นเวเฟอร์ลงโดยทำให้ด้านหลังบางลงอย่างต่อเนื่องจนกว่าชิปจะแยกออก อาจกล่าวได้ว่า DBG เป็นเวอร์ชันอัปเกรดของวิธีการตัดแบบ "ใบมีด" ก่อนหน้านี้ เนื่องจากสามารถลดผลกระทบของการตัดครั้งที่สองได้ วิธี DBG จึงได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วใน "บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์"

เลเซอร์ลูกเต๋า

กระบวนการแพ็คเกจมาตราส่วนชิประดับเวเฟอร์ (WLCSP) ใช้การตัดด้วยเลเซอร์เป็นหลัก การตัดด้วยเลเซอร์สามารถลดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การลอกและการแตกร้าว ส่งผลให้ได้เศษที่มีคุณภาพดีขึ้น แต่เมื่อความหนาของแผ่นเวเฟอร์มากกว่า 100μm ผลผลิตจะลดลงอย่างมาก ดังนั้นจึงส่วนใหญ่จะใช้กับเวเฟอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 100μm (ค่อนข้างบาง) การตัดด้วยเลเซอร์จะตัดซิลิคอนโดยการใช้เลเซอร์พลังงานสูงไปที่ร่องอาลักษณ์ของแผ่นเวเฟอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้วิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบธรรมดา (Conventional Laser) จะต้องติดฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวเวเฟอร์ล่วงหน้า เนื่องจากการให้ความร้อนหรือการฉายรังสีพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ด้วยเลเซอร์ การสัมผัสทางกายภาพเหล่านี้จะทำให้เกิดร่องบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และเศษซิลิคอนที่ถูกตัดก็จะเกาะติดกับพื้นผิวด้วย จะเห็นได้ว่าวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมยังตัดพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์โดยตรงด้วย และในแง่นี้ ก็คล้ายกับวิธีการตัดแบบ "ใบมีด"

Stealth Dicing (SD) เป็นวิธีการตัดด้านในของเวเฟอร์ด้วยพลังงานเลเซอร์ก่อน จากนั้นจึงใช้แรงกดภายนอกกับเทปที่ติดอยู่ด้านหลังเพื่อหักออก จึงเป็นการแยกชิปออกจากกัน เมื่อกดลงบนเทปที่ด้านหลัง แผ่นเวเฟอร์จะถูกยกขึ้นทันทีเนื่องจากการยืดตัวของเทป จึงเป็นการแยกชิปออกจากกัน ข้อดีของ SD เหนือวิธีการตัดด้วยเลเซอร์แบบเดิมคือ ประการแรก ไม่มีเศษซิลิคอน ประการที่สอง รอยตัด (เคอร์ฟ: ความกว้างของร่องอาลักษณ์) นั้นแคบ จึงสามารถรับเศษได้มากขึ้น นอกจากนี้ ปรากฏการณ์การลอกและการแตกร้าวจะลดลงอย่างมากโดยใช้วิธี SD ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณภาพโดยรวมของการตัด ดังนั้นวิธี SD จึงมีแนวโน้มมากที่จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในอนาคต

การหั่นพลาสม่า
การตัดพลาสม่าเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งใช้การกัดด้วยพลาสม่าเพื่อตัดในระหว่างกระบวนการผลิต (Fab) การตัดด้วยพลาสม่าใช้วัสดุกึ่งแก๊สแทนของเหลว ดังนั้นผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจึงค่อนข้างน้อย และใช้วิธีการตัดเวเฟอร์ทั้งหมดในคราวเดียว ดังนั้นความเร็วในการ "ตัด" จึงค่อนข้างเร็ว อย่างไรก็ตาม วิธีพลาสมาใช้ก๊าซปฏิกิริยาเคมีเป็นวัตถุดิบ และกระบวนการแกะสลักมีความซับซ้อนมาก ดังนั้นการไหลของกระบวนการจึงค่อนข้างยุ่งยาก แต่เมื่อเทียบกับการตัดแบบ “ใบมีด” และการตัดด้วยเลเซอร์ การตัดด้วยพลาสมาไม่ทำให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวเวเฟอร์ จึงช่วยลดอัตราข้อบกพร่องและได้รับเศษมากขึ้น

เมื่อเร็วๆ นี้ เนื่องจากความหนาของแผ่นเวเฟอร์ลดลงเหลือ 30μm และใช้ทองแดง (Cu) หรือวัสดุคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ (Low-k) จำนวนมาก ดังนั้น เพื่อป้องกันการเกิดเสี้ยน (เสี้ยน) จึงนิยมใช้วิธีตัดพลาสมาด้วย แน่นอนว่าเทคโนโลยีการตัดพลาสม่าก็มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเช่นกัน ฉันเชื่อว่าในอนาคตอันใกล้นี้ วันหนึ่งจะไม่จำเป็นต้องสวมหน้ากากพิเศษเมื่อทำการแกะสลัก เพราะนี่คือทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของการตัดพลาสมา

เนื่องจากความหนาของเวเฟอร์ลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 100μm เป็น 50μm และต่อมาเป็น 30μm วิธีการตัดเพื่อให้ได้ชิปที่เป็นอิสระจึงมีการเปลี่ยนแปลงและพัฒนาจากการตัดแบบ "หัก" และ "ใบมีด" ไปจนถึงการตัดด้วยเลเซอร์และการตัดพลาสมา แม้ว่าวิธีการตัดที่โตเต็มที่มากขึ้นจะเพิ่มต้นทุนการผลิตของกระบวนการตัดเอง ในทางกลับกัน โดยการลดปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การลอกและการแตกร้าวที่มักเกิดขึ้นในการตัดเศษเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างมาก และเพิ่มจำนวนชิปที่ได้รับต่อหน่วยเวเฟอร์ ต้นทุนการผลิตชิปตัวเดียวมีแนวโน้มลดลง แน่นอนว่าการเพิ่มจำนวนชิปที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่ของเวเฟอร์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการลดความกว้างของถนนลูกเต๋า เมื่อใช้การตัดพลาสมา สามารถรับเศษได้มากขึ้นเกือบ 20% เมื่อเทียบกับการใช้วิธีตัดแบบ "ใบมีด" ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้ผู้คนเลือกการตัดพลาสมา ด้วยการพัฒนาและการเปลี่ยนแปลงของเวเฟอร์ รูปลักษณ์ของชิป และวิธีการบรรจุภัณฑ์ กระบวนการตัดต่างๆ เช่น เทคโนโลยีการประมวลผลเวเฟอร์และ DBG ก็เกิดขึ้นเช่นกัน