陸芯半導體晶圓劃片機行業(yè)介紹及切割工藝

一、精密劃片機行業(yè)介紹

劃片機是使用刀片或通過激光等方式高精度切割被加工物的裝置，是半導體后道封測中晶圓切割和WLP切割環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。隨著集成電路沿大規(guī)模方向發(fā)展，劃片工藝呈現(xiàn)愈發(fā)精細化、高效化的趨勢。從19世紀60年代采用劃線加工法依賴于人工操作的金剛刀劃片機，到1968年英國LP公司發(fā)明的金剛石砂輪劃片機采用研磨的工藝替代了傳統(tǒng)的劃線斷裂工藝，再到后續(xù)的自動化劃片機進一步提升了劃片的效率。目前劃片機廣泛用于半導體封測、EMC導線架、陶瓷薄板、PCB、藍寶石玻璃等材料的精密切割領(lǐng)域。

半導體晶圓劃片機是將含有很多芯片的wafer晶圓分割成晶片顆粒，切割的質(zhì)量與效率直接影響芯片的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。半導體晶圓劃片機主要包括砂輪劃片機和激光劃片機，砂輪劃片機是綜合了水氣電、空氣靜壓高速主軸、精密機械傳動、傳感器及自動化控制等技術(shù)的精密數(shù)控設(shè)備，其特點為切割成本低、效率高，適用較厚晶圓的切割。激光劃片機是利用高能激光束照射工件表面，使被照射區(qū)域局部熔化、氣化，從而達到劃片目的，其特點為切割精度高、切割速度快，適用于較薄晶圓的切割。

二、劃片工藝

1、工藝比較

刀片切割方法包括一次切割和分步連續(xù)切割。效率高、成本低、使用壽命長。它是使用最廣泛的切割工藝，在較厚的晶圓（>；100微米）上具有優(yōu)勢。激光切割具有高精度和高速度。它主要適用于切割較薄的晶圓（<；100微米）。切割較厚的晶片時，存在高溫損壞晶片的問題，需要刀片進行二次切割。此外，激光頭價格昂貴，使用壽命短。目前，刀片切割占市場份額的80%，激光切割僅占20%。刀片切割預計將長期保持主流模式。

2、主流技術(shù)

金剛石切割是切割的主流技術(shù)。切割采用金剛石顆粒和粘結(jié)劑組成的刀片。切削過程中，金剛石顆粒以金屬鎳作為磨料顆粒固定在工具體上。刀片以一定的速度旋轉(zhuǎn)和進給，并使用水作為切削液。在切割過程中，金剛石顆粒膨脹并與粘合劑形成稱為“夾屑槽”的結(jié)構(gòu)，鏟挖切割通道材料，然后將其分離。在切割過程中，金剛石顆粒不斷磨損，暴露出新的顆粒，保持刀片鋒利并清除切割碎屑。切割過程中產(chǎn)生的碎屑會粘附在刀片上，因此在切割過程中盡量防止切割碎屑粘附，并妥善處理切割碎屑，以確保刀片在切割過程中的正常運行。

對于金剛石切割，金剛石顆粒越大，刀片的切割能力越強，金剛石顆粒的磨損越慢，葉片使用壽命越長。但是，顆粒越大，切削過程對切削表面的影響越大，容易造成裂紋、崩邊等嚴重缺陷。較小的金剛石磨粒可以減少切割過程中對切割表面的影響，并減少出現(xiàn)較大切割缺陷的風險。但是，如果金剛石不能及時脫落和更新，很容易包裹刀具，導致刀片的切割能力急劇下降和嚴重缺陷。

刀體的金剛石顆粒濃度將顯著影響切割切屑的質(zhì)量。當金剛石顆粒濃度較大時，金剛石顆粒會隨著粘結(jié)劑的磨損及時脫落和更新，有利于延長刀片的使用壽命。此外，粘結(jié)劑越軟，金剛石越容易脫落，反之亦然。因此，使用較硬的粘結(jié)料進行切割會對切割表面造成嚴重損壞，而較軟的粘結(jié)料沖擊較小，損壞較小。金剛石粒度和濃度的選擇應與粘結(jié)劑的類型相結(jié)合，并應綜合考慮。

3、切割劃片流程

芯片被晶圓切割成單獨的顆粒，然后被芯片封裝后即可使用。劃片時，應控制劃片刀的移動速度和劃片刀的旋轉(zhuǎn)速度。不同芯片的厚度和藍色薄膜的粘度需要有相應的匹配參數(shù)，以減少劃片過程中的碎片現(xiàn)象。切割過程中殘留的硅渣會損壞切割工具和切屑，導致成品率損失。切割過程中，需要用清水清洗以去除硅渣，并控制噴射角度和水量。

金剛石刀片以每分鐘30000-40000轉(zhuǎn)的高速切割晶圓塊。同時，承載晶片的工作臺沿刀片與晶片接觸點的切線方向以一定速度直線移動，切割晶片產(chǎn)生的硅片被分離器水沖走。為了在劃片過程中達到特殊的切屑表面保護效果，一些切屑需要在所有切割中切割兩次。此時，用于第一次切割的刀片相對較寬，用于第二次切割的刀片相對較窄。

4、影響切割質(zhì)量的因素

影響晶圓切割質(zhì)量的因素很多，包括材料、切割儀器、工作環(huán)境、切割方法等因素。從材料的角度來看，硅片的硅襯底和電路層材料在硅片切割過程中會導致不同的機械性能。不同材料的刀片的選擇會對切割方法有不同的要求，因此會表現(xiàn)出不同的切割質(zhì)量。從切割儀器的角度來看，由于不同機器的切割功率不同，切割臺的選擇也會影響切割質(zhì)量。從工作環(huán)境來看，冷卻水的壓力和流量是影響切削質(zhì)量的因素。水流速度過慢會導致冷卻效果不足，切割摩擦產(chǎn)生的熱量難以及時排出和積累，可能導致金剛石磨粒破碎，降低刀片的切割能力和切割精度，并因切割碎屑無法及時清除而影響刀片的切割能力。從切割方式來看，主要涉及切割深度、刀片轉(zhuǎn)速和進給速度。適當?shù)膮?shù)對于獲得良好的切削質(zhì)量非常重要。其他因素，如機器操作技能，也會影響晶圓切割質(zhì)量。

5、切割缺陷

晶圓切割容易產(chǎn)生的缺陷類型主要有裂紋、崩邊和剝落。這些缺陷可能對芯片造成直接損壞，也可能影響芯片的后續(xù)封裝和后續(xù)使用可靠性。例如，切割產(chǎn)生的微裂紋會將應力引入芯片，成為潛在的芯片脆弱區(qū)域，影響封裝后的可靠性。在切割過程中，芯片受到強力刀體的沖擊，金屬層和硅基片脫落。如果邊緣塌陷過大，損壞芯片的功能區(qū)域，將直接導致芯片失效。切割過程中的沖擊導致的金屬層分層，雖然硅基板沒有損壞，但通常不會導致芯片的功能損壞，但如果剝離面積較大并延伸到功能區(qū)，也非常危險。

3、 市場結(jié)構(gòu)

1、行業(yè)企業(yè)簡介

國內(nèi)劃片設(shè)備公司目前主要有深圳陸芯半導體等等企業(yè)。高精度氣浮主軸是劃片機的核心部件，是國內(nèi)廠家真正實現(xiàn)劃片機自主可控技術(shù)的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)劃片機廠家的氣浮主軸主要是進口采購。

2、市場份額

2021全球封裝設(shè)備市場將達到約70億美元，占全球半導體設(shè)備市場的6.8%。2021，晶圓切割機的全球市場份額約為20億美元。根據(jù)半導體封裝設(shè)備細分市場的市場份額，貼片機、劃片機和引線機在封裝設(shè)備市場的市場份額分別為30%、28%和23%。結(jié)合2021全球包裝設(shè)備總市場，三大包裝設(shè)備的相應市場空間分別約為21億美元、19.6億美元和16.1億美元。中國密封和測試的生產(chǎn)能力約占世界的25%。2021，中國半導體切割機市場約為4.9億美元，約32-36億元

3、工藝比較

2020年，由陸芯半導體深圳工廠自主研發(fā)團隊帶領(lǐng)，業(yè)界最主流、最先進的12英寸全自動晶圓切割切割設(shè)備成功國產(chǎn)化，受到國內(nèi)外頂尖客戶的高度認可。截至2021年初，該公司已從國內(nèi)多家公司獲得DEMO訂單。截至2021年底，陸芯半導體生產(chǎn)的半導體切割機已從數(shù)家密封企業(yè)獲得產(chǎn)品訂單。

目前，陸芯半導體中國的市場份額逐漸增加。作為國內(nèi)劃片機行業(yè)四大企業(yè)之一，未來，隨著國內(nèi)生產(chǎn)能力的不斷提高、人才的不斷積累和技術(shù)的不斷吸收，將依靠國內(nèi)成本優(yōu)勢，占領(lǐng)更多的國內(nèi)外市場。不可否認，國內(nèi)企業(yè)市場份額的提高有賴于海外企業(yè)的收購，但國內(nèi)替代的局面已經(jīng)打開。

隨著國內(nèi)半導體行業(yè)的不斷發(fā)展和產(chǎn)品需求的不斷上升，國內(nèi)芯片制造能力的不斷擴大以及封裝和測試能力的不斷提高，也帶來了對劃片機的更多需求。最后，劃片機具有巨大的全球和國內(nèi)市場容量、快速增長和巨大的市場潛力。這些將有助于逐步實現(xiàn)國內(nèi)替代，在劃片機領(lǐng)域也有良好的投資機會。