1 傳統劃片技術所面臨的難題 隨著向輕薄短小的發展趨勢，IC的封裝也起了很大的變化．如記憶體IC，已由早期的單一chip變成多層chip堆棧的封裝，一顆IC里疊了7、8層芯粒（chip），韓國三星半導體今年稍早更公開展示了其超薄晶圓的封裝技術已達16層的堆棧，而封裝后的尺寸還要比原來同容量的IC更小。因此芯片的厚度也由650μm一路減薄至120、100、75、50、25、20 μm。當厚度降到100 μm以卜，傳統的劃片技術已經山現問題，產能節節下降，破片率大幅攀升。芯片在此階斷價值不斐，幾個百分點的破片率可能吃掉工廠辛苦創造的利潤。 另外，晶圓的制造技術中，為了提升效能，采用了low-k材料，在其結構中有多層的金屬和一些易碎的材料。當傳統鉆石刀片遇到這些延展性高的金屬層，鉆石顆粒極易被金屬削包住而失去部份切削能力，在此情況下進刀，極易造成破片或斷刀。 其實，除了先進的IC之外，在傳統二極管（Diode）的晶圓劃片，鉆石刀同樣有許多無法滿足業界需求的地方：比如Gpp晶圓的劃片，機械方式的磨削造成玻璃批覆層嚴重破損而導致絕緣不良和嚴重漏電，為了克服這一問題，業界只好自求多福發展出各種復雜的工藝去彌補這項缺陷。將玻璃層只長在切割道（Cutting Street）兩旁。對方形晶粒而言，這個方式已被業界延用多年。但對六角型晶粒（Hexagonal Dice）而言，還存在問題，即六角型每邊的三角型被浪費。在每一分一毫都需計較的二極體行業，30％～40％主原料（芯片）的損失是極可怕的。通過新的技術，這些長期以來的失血，是完全可以被止住。 在以藍寶石為基板的高亮度LED晶圓的劃片．亦存在嚴重的劃片問題。傳統的藍寶石晶圓的劃片_豐要有2種方式：用鉆石筆或鉆石刀片。在藍寶石晶圓上先劃很淺的線，再裂片。由于藍寶石材質本身相當硬，無論選哪種方式，工具的損耗都非常嚴重；裂片后，整體良品率也不高。這些長期困擾LED、業界的問題，現在隨著紫外激光劃片系統的運用，已大為改善。 在微機電（MEMS）方面，有越來越多的芯片需要打孔、異形孔開孔和局部減薄等加工。玻璃與硅片鍵合在一起的復合芯片的切割、披覆有鉆石層的芯片，以及復雜微結構之芯片切割等，都不是鉆石刀片所能勝任的。而這些產品的市場需求卻不斷成長，迫使業界尋找新一代的劃片解決方案。 2 激光劃片順勢崛起 激光劃片其實在多年前已被使用，光源多為1 064 nm的Nd：YAG，在某些低階應用方面的品質尚可接受，但在集成電路的加工處理中，鑒于其過大熱影響區、污染嚴重、熱變形嚴重等缺陷，始終無法被認可。近年來，紫外激光技術漸趨成熟，其切割質量比l 064 nm的激光源改進很多，特別是在藍寶石晶圓的劃片應用中，其優勢極為明顯，已漸成為業界主流解決方案。在各類激光解決方案中，最為特殊且鮮為人知的則是世界專利之瑞士微水刀激光技術。該技術在許多方面的表現確有其獨到之處，尤其在消除熱影響區方面表現優異。微水刀激光劃片技術已獲得全球半導體封裝大廠的認同和采用，特別是針對超薄晶圓、LOW-k晶圓、鉆石披覆晶圓、二極管玻璃鈍化晶圓、微機電芯片、復合晶圓以及異形晶粒的劃片切割，都有不俗的表現。 3 微水刀激光科技 3．1 技術原理 幾千年來"水火不融"的觀念于1993年被瑞士杰出的科學家Dr．Bernold Richerzhagen打破。他巧妙地結合水刀技術和激光技術的優點，創造出微水刀激光（Laser Micro Jet）。更精確的說法是水導激光（Water Jet Guided Laser）。他將激光聚焦后導入比發絲還細的微水柱中，從而引導光束，并冷卻工件，消除了傳統激光熱影響區（Heat Affected Zone）過大的缺陷。大大提高了激光切割的質量，因而非常適合半導體、醫療器材、電子、航天等高精密、高潔凈要求的加工。 從圖l可看出激光束（Laser Beam）由上方導入，經過聚焦鏡及水腔（Water Chamber）的窗戶進入，聚焦于噴嘴（Nozzle）的圓心． [align=center] 圖1 微水刀激光原理[/align] 低壓純凈水從水腔左邊進入，經鉆石噴嘴（Diamond Nozzle）上的微孔噴出。由于噴嘴考慮到流體力學的設計，出來的水柱像光纖一樣既直又圓。水柱的直徑根據噴嘴孔徑而異，一般比人的頭發還細，有100～30 μm多種規格。激光被導入水柱中心，利用微水柱與空氣界面全反射的原理，激光將沿著水柱行進。在水柱維持穩定不開花的范圍內都能進行加工。通常有效的工作距離為噴嘴孔徑的l 000倍。如噴嘴為100 μm，則其有效工作距離為1 00mm。這是傳統激光所望塵莫及的，因為傳統激光只能在焦點處加工。激光光源可選配不同的波長，只要該波長的能量不會被水吸收即可。精密加工常用的波長，1 064～355 nm。 另外，用于微加工的激光幾乎都是脈沖激光（Pulsed Laser），傳統激光不論是脈沖或連續，總會有能量殘留在切割道上，該能量的累積和傳導是造成燒傷切割道旁熱損傷的主要原因。而微水刀激光因水柱的作用，將每個脈沖殘留的熱量迅速帶走，不會累積在工件上，因此切割道干凈利落。熱影響區的困擾得到大幅改善。因此，Laser MicroJet技術才適用于半導體等高精密的應用。 3．2 特點 相對于傳統激光，微水刀激光有很多顯著的特點。如無熱影響區（Zero Heat Affected Zone），完全不燒傷工件，切割道干凈利落、無熔渣、無毛刺、無熱應力、無機械應力、無污染，極適合半導體、電子、醫療、航天等高精密器件切割加工。 微水刀激光適用于從金屬到其合金的多種材料，如不銹鋼、鈦、鉬、鎂、鎳、銅、Invar等，以及硅（Silicon）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等半導體材料，乃至碳化硅（Sic）、CBN、鉆石、陶瓷、橡膠……軟硬通吃。甚至可同時切割橡膠及不銹鋼片而不燒傷橡膠層，這在傳統激光是完全不可能的事情。 該項技術可用于切割、鉆孔、挖槽、打印、表面熱處理等多項極細微及復雜的形狀加工。超薄硅片（Ultra Thin Silicon Wafer）切割速度比傳統鉆石刀快5～10倍，并且可以切任意形狀，功能超強，在半導體芯片切割的應用上，突破了多年來芯片劃片只能走直線的桎錮。從此設計者可以毫無限制地發揮其創意。 從圖2、圖3兩張不銹鋼切割的照片可清楚地看出熱影響區（HAZ）大小所造成的差異。傳統激光因熱影響區過大，無法進行精微切割，大大限制了其應用領域。 [align=center] 圖 2 不銹鋼片以傳統激光切割 熱耦傳嚴重 圖 3 不銹鋼片微水刀激光切割[/align] 微水刀激光（Laser Micro Jet）以其優異的斷熱切割技術，大幅開拓精密微加工的領域，催生了許多新產品、新工藝。 4 低介電系數材料和超薄晶圓的劃片問題 原來只用于高階產品的超薄晶圓（Ultra thin wafer）已經越來越普及，而且越來越薄。處理超薄晶圓不僅是Silicon substrate本身厚度的問題，在加上許多硬脆易碎及延展性高的金屬Pad后，問題更加復雜。鉆石刀片既使小心翼翼地切過Silicon substrate，但金屬層的碎屑卻可能包粘在鉆石顆粒上，使切削能力大打折扣。此時若維持進刀速度，必然造成破片斷刀的結果。各主要劃片機廠，如Disco、TSK．等均轉向激光，由此可見機械方式已經到了克服不了的困境。不幸的是激光也有激光的問題。在此，就鉆石刀片，傳統激光及微水刀激光的特性探討如下： 4．1 鉆石刀片 易造成wafer表面崩邊或龜裂。遇金屬層易斷刀破片，切割速度慢，破片率高。但在切割Silicon substrate時斷面平整，深度控制容易。在使用DAF（Die Attach Film）時可正好切穿DAF而不傷Blue Tape。 4．2 傳統激光 傳統激光（Conventional Laser）或稱干式激光（Dry Laser），因為熱影響區的問題未克服，僅能用在低階芯片，如太陽能芯片等。采用3倍頻方式雖然有改善，但也只能劃劃線。如果切穿同樣燒傷芯片和DAF及Blue Tape。 4．3 微水刀激光 可以輕易去除切割道表層材料及Silicon substrate。切割超薄片（50 μm）時速度比diamond saw快數倍。缺點為與干式激光同樣會燒壞DAF，切割斷面不如機械磨削光滑。 從上述看來各有所長，也各有缺陷。 4．4 解決方案 既然沒有十全十美的方法，只好退而求其次。對Diamond Saw而言，難解決的是Wafer的表層材料。對微水刀激光而言，頭痛的是會燒壞DAF。因此如各取所長，分成2個步驟處理，就差強人意。 首先用微水刀激光劃淺淺的一刀，加工手段上稱之為開槽（Grooving），以清除切割道上所有的材料，不管是金屬或易碎材料。微水刀激光可以選用與切割道（Cutting Street）同寬的噴嘴，像推土機一樣一次推掉表層上各種找麻煩的材料，露出Silicon Substrate。再接著用Diamond Saw切穿silicon substrate和DAF，并剛好停在 Blue Tape表面上。 因為Grooving 只能去除表層幾十微米的深度，微水刀激光可以250 mm/s的高速進行。就生產線的平衡來看，一臺微水刀激光系統需至少5臺以上Diamond Saw與之配合才消化得掉。 從設備投資的角度來看，這似乎是最有效益的方式。不僅不會因為引進新設備而閑置舊機器，反而會提高產能，真正相輔相成，相得益彰。 微水刀激光尚可從事異型晶粒切割，打通孔或盲孔等鉆石刀具作不了的事情，見圖4、圖5。 [align=center] 圖 4 Silicon wafer 激光打孔 圖 5 較大顯微鏡照片孔徑100微米 [/align] 5 瑞士喜諾發公司之半導體晶圓劃片系列 全系列均配備高精度線性滑軌及CNC控制，TFT LCD觸控螢幕及先進人機界面軟件，CCD Camera，自動視覺瞄準，遠端通訊診斷。可切任何形狀品粒，如六角形，圓形和不規則形。 5．1 設備介紹 （1）LDS 200A/LDS：300A。LDS 200A/LDS：300A一全自動200 mm/300 mm硅片水刀激光切割系統，Cassette to Cassette，自動視覺系統對位，切割，清潔，進退料一氣呵成。適合連續人量生產。住超薄硅片切割之表現比傳統鉆石刀切割方式快數倍。 （2）LDS 200C。LDS 200C一自動200 mm硅片水刀激光切割系統，人工或視覺系統自動瞄準，切割，切割完了自動以超純水清洗，手動進退料，適合量產。 （3）LDS 200M。LDS 200M一手動200 mm硅片水刀激光切割系統，手動進退料，人工或視覺系統自動對準。切割，適合研究發展或少量多樣生產形態用途。 （4）LGS 200。LGS 200為200 mm Cassette to Cassette水刀激光全自動硅片削邊系統，特別適用于超薄硅片外圓之削邊，大幅降低超薄片（Ultra thin wafer）之破片率，并可作鉆孔（Hole drilling），開槽（Slotting），異型晶粒切割（Free shape chip dicing）等用途。 5．2 即將問世的混合機種 Synova （喜諾發）公司亦宣布和Diamond Saw頗富盛名的DISCO公司的子公司共同開發出結合鉆石刀具和微水刀激光的混合機種。此混合機種將在晶圓劃片技術上樹力新的里程碑。該系統結合了2種技術的優點，并考慮到半導體晶圓新材料所延生的問題以及未來趨勢，預期將可解決目前半導界在劃片上的種種困擾，且讓我們拭目以待。 6 結論 盡管己越來越多人注意到微水刀激光技術，無可諱言，絕大多數人還是對此很陌生。雖然在國內外已開發了許多應用，事實上有更大的應用市場尚待發掘，如果能對各行業現有的生產工藝加以重新檢討和思考，有沒有那項工藝覺得不滿意?有沒有那些難解的企業疑難?有沒有切不了，切不好的材料?有沒有以為激光可以做的了，試過后卻很失望的?我們覺得這些問題都包藏著商機，有問題的存在，解決方案才能彰顯其價值。