陆芯半导体晶圆划片机行业介绍及切割工艺

一、精密划片机行业介绍
 

划片机是使用刀片或通过激光等方式高精度切割被加工物的装置，是半导体后道封测中晶圆切割和WLP切割环节的关键设备。随着集成电路沿大规模方向发展，划片工艺呈现愈发精细化、高效化的趋势。从19世纪60年代采用划线加工法依赖于人工操作的金刚刀划片机，到1968年英国LP公司发明的金刚石砂轮划片机采用研磨的工艺替代了传统的划线断裂工艺，再到后续的自动化划片机进一步提升了划片的效率。目前划片机广泛用于半导体封测、EMC导线架、陶瓷薄板、PCB、蓝宝石玻璃等材料的精密切割领域。

 

半导体晶圆划片机是将含有很多芯片的wafer晶圆分割成晶片颗粒，切割的质量与效率直接影响芯片的质量和生产成本。半导体晶圆划片机主要包括砂轮划片机和激光划片机，砂轮划片机是综合了水气电、空气静压高速主轴、精密机械传动、传感器及自动化控制等技术的精密数控设备，其特点为切割成本低、效率高，适用较厚晶圆的切割。激光划片机是利用高能激光束照射工件表面，使被照射区域局部熔化、气化，从而达到划片目的，其特点为切割精度高、切割速度快，适用于较薄晶圆的切割。

 

 

二、划片工艺

1、工艺比较

刀片切割方法包括一次切割和分步连续切割。效率高、成本低、使用寿命长。它是使用最广泛的切割工艺，在较厚的晶圆（>；100微米）上具有优势。激光切割具有高精度和高速度。它主要适用于切割较薄的晶圆（<；100微米）。切割较厚的晶片时，存在高温损坏晶片的问题，需要刀片进行二次切割。此外，激光头价格昂贵，使用寿命短。目前，刀片切割占市场份额的80%，激光切割仅占20%。刀片切割预计将长期保持主流模式。

  

 2、主流技术

金刚石切割是切割的主流技术。切割采用金刚石颗粒和粘结剂组成的刀片。切削过程中，金刚石颗粒以金属镍作为磨料颗粒固定在工具体上。刀片以一定的速度旋转和进给，并使用水作为切削液。在切割过程中，金刚石颗粒膨胀并与粘合剂形成称为“夹屑槽”的结构，铲挖切割通道材料，然后将其分离。在切割过程中，金刚石颗粒不断磨损，暴露出新的颗粒，保持刀片锋利并清除切割碎屑。切割过程中产生的碎屑会粘附在刀片上，因此在切割过程中尽量防止切割碎屑粘附，并妥善处理切割碎屑，以确保刀片在切割过程中的正常运行。

 对于金刚石切割，金刚石颗粒越大，刀片的切割能力越强，金刚石颗粒的磨损越慢，叶片使用寿命越长。但是，颗粒越大，切削过程对切削表面的影响越大，容易造成裂纹、崩边等严重缺陷。较小的金刚石磨粒可以减少切割过程中对切割表面的影响，并减少出现较大切割缺陷的风险。但是，如果金刚石不能及时脱落和更新，很容易包裹刀具，导致刀片的切割能力急剧下降和严重缺陷。 

刀体的金刚石颗粒浓度将显著影响切割切屑的质量。当金刚石颗粒浓度较大时，金刚石颗粒会随着粘结剂的磨损及时脱落和更新，有利于延长刀片的使用寿命。此外，粘结剂越软，金刚石越容易脱落，反之亦然。因此，使用较硬的粘结料进行切割会对切割表面造成严重损坏，而较软的粘结料冲击较小，损坏较小。金刚石粒度和浓度的选择应与粘结剂的类型相结合，并应综合考虑。 

 3、切割划片流程

芯片被晶圆切割成单独的颗粒，然后被芯片封装后即可使用。划片时，应控制划片刀的移动速度和划片刀的旋转速度。不同芯片的厚度和蓝色薄膜的粘度需要有相应的匹配参数，以减少划片过程中的碎片现象。切割过程中残留的硅渣会损坏切割工具和切屑，导致成品率损失。切割过程中，需要用清水清洗以去除硅渣，并控制喷射角度和水量。

 

  金刚石刀片以每分钟30000-40000转的高速切割晶圆块。同时，承载晶片的工作台沿刀片与晶片接触点的切线方向以一定速度直线移动，切割晶片产生的硅片被分离器水冲走。为了在划片过程中达到特殊的切屑表面保护效果，一些切屑需要在所有切割中切割两次。此时，用于第一次切割的刀片相对较宽，用于第二次切割的刀片相对较窄。

 

 

 

 

 

 4、影响切割质量的因素

影响晶圆切割质量的因素很多，包括材料、切割仪器、工作环境、切割方法等因素。从材料的角度来看，硅片的硅衬底和电路层材料在硅片切割过程中会导致不同的机械性能。不同材料的刀片的选择会对切割方法有不同的要求，因此会表现出不同的切割质量。从切割仪器的角度来看，由于不同机器的切割功率不同，切割台的选择也会影响切割质量。从工作环境来看，冷却水的压力和流量是影响切削质量的因素。水流速度过慢会导致冷却效果不足，切割摩擦产生的热量难以及时排出和积累，可能导致金刚石磨粒破碎，降低刀片的切割能力和切割精度，并因切割碎屑无法及时清除而影响刀片的切割能力。从切割方式来看，主要涉及切割深度、刀片转速和进给速度。适当的参数对于获得良好的切削质量非常重要。其他因素，如机器操作技能，也会影响晶圆切割质量。

 

 

 5、切割缺陷

晶圆切割容易产生的缺陷类型主要有裂纹、崩边和剥落。这些缺陷可能对芯片造成直接损坏，也可能影响芯片的后续封装和后续使用可靠性。例如，切割产生的微裂纹会将应力引入芯片，成为潜在的芯片脆弱区域，影响封装后的可靠性。在切割过程中，芯片受到强力刀体的冲击，金属层和硅基片脱落。如果边缘塌陷过大，损坏芯片的功能区域，将直接导致芯片失效。切割过程中的冲击导致的金属层分层，虽然硅基板没有损坏，但通常不会导致芯片的功能损坏，但如果剥离面积较大并延伸到功能区，也非常危险。

 

 

3、 市场结构

 1、行业企业简介

国内划片设备公司目前主要有深圳陆芯半导体等等企业。高精度气浮主轴是划片机的核心部件，是国内厂家真正实现划片机自主可控技术的关键。目前，国内划片机厂家的气浮主轴主要是进口采购。

 

 

 2、市场份额

2021全球封装设备市场将达到约70亿美元，占全球半导体设备市场的6.8%。2021，晶圆切割机的全球市场份额约为20亿美元。根据半导体封装设备细分市场的市场份额，贴片机、划片机和引线机在封装设备市场的市场份额分别为30%、28%和23%。结合2021全球包装设备总市场，三大包装设备的相应市场空间分别约为21亿美元、19.6亿美元和16.1亿美元。中国密封和测试的生产能力约占世界的25%。2021，中国半导体切割机市场约为4.9亿美元，约32-36亿元
 

 3、工艺比较
 

 2020年，由陆芯半导体深圳工厂自主研发团队带领，业界最主流、最先进的12英寸全自动晶圆切割切割设备成功国产化，受到国内外顶尖客户的高度认可。截至2021年初，该公司已从国内多家公司获得DEMO订单。截至2021年底，陆芯半导体生产的半导体切割机已从数家密封企业获得产品订单。 

目前，陆芯半导体中国的市场份额逐渐增加。作为国内划片机行业四大企业之一，未来，随着国内生产能力的不断提高、人才的不断积累和技术的不断吸收，将依靠国内成本优势，占领更多的国内外市场。不可否认，国内企业市场份额的提高有赖于海外企业的收购，但国内替代的局面已经打开。 

随着国内半导体行业的不断发展和产品需求的不断上升，国内芯片制造能力的不断扩大以及封装和测试能力的不断提高，也带来了对划片机的更多需求。最后，划片机具有巨大的全球和国内市场容量、快速增长和巨大的市场潜力。这些将有助于逐步实现国内替代，在划片机领域也有良好的投资机会。