Che cos'è il taglio dei wafer?

A waferdeve passare attraverso tre cambiamenti per diventare un vero chip semiconduttore: in primo luogo, il lingotto a forma di blocco viene tagliato in wafer; nel secondo processo, i transistor vengono incisi sulla parte anteriore del wafer attraverso il processo precedente; infine, viene eseguito il confezionamento, cioè, attraverso il processo di taglio, ilwaferdiventa un chip semiconduttore completo. Si può notare che il processo di confezionamento appartiene al processo di back-end. In questo processo, il wafer verrà tagliato in diversi chip individuali esaedrici. Questo processo di ottenimento di chip indipendenti è chiamato "Singolazione" e il processo di taglio della scheda wafer in cuboidi indipendenti è chiamato "taglio wafer (Die Sawing)". Recentemente, con il miglioramento dell'integrazione dei semiconduttori, lo spessore dicialdeè diventato sempre più sottile, il che ovviamente comporta molte difficoltà al processo di “singolarizzazione”.

L'evoluzione del taglio dei wafer

I processi front-end e back-end si sono evoluti attraverso l'interazione in vari modi: l'evoluzione dei processi back-end può determinare la struttura e la posizione dei piccoli chip esaedrici separati dal die sulwafer, così come la struttura e la posizione dei pad (percorsi di connessione elettrica) sul wafer; al contrario, l'evoluzione dei processi front-end ha modificato il processo e il metodo diwaferAssottigliamento posteriore e "taglio a stampo" nel processo di back-end. Pertanto, l'aspetto sempre più sofisticato della confezione avrà un grande impatto sul processo di back-end. Inoltre, anche il numero, la procedura e il tipo di taglio cambieranno di conseguenza in base al cambiamento dell'aspetto della confezione.

Scribe Dicing

Agli inizi, la “rottura” mediante l’applicazione di una forza esterna era l’unico metodo di taglio che poteva dividere ilwaferin stampi esaedrici. Tuttavia, questo metodo presenta lo svantaggio di scheggiature o crepe sul bordo del piccolo truciolo. Inoltre, poiché le bave sulla superficie metallica non vengono completamente rimosse, anche la superficie di taglio risulta molto ruvida.
Per risolvere questo problema, è nato il metodo di taglio “Scribing”, cioè, prima di “rompere”, la superficie delwaferviene tagliato a circa metà della profondità. La "incisione", come suggerisce il nome, si riferisce all'utilizzo di una girante per segare (tagliare a metà) il lato anteriore del wafer in anticipo. Agli inizi, la maggior parte dei wafer al di sotto dei 6 pollici utilizzava questo metodo di taglio che consisteva prima nell'"affettare" tra i chip e poi nel "rompere".

Taglio a dadini o segatura con lama

Il metodo di taglio "a incisione" si è gradualmente evoluto nel metodo di taglio "a dadini" (o segatura) con lama, che consiste nel tagliare con una lama due o tre volte di seguito. Il metodo di taglio con lama può compensare il fenomeno del distacco di piccoli trucioli durante la "rottura" successiva all'incisione e può proteggere i piccoli trucioli durante il processo di "separazione". Il taglio con lama si differenzia dal precedente taglio a dadini perché, dopo un taglio con lama, non si "rompe" il pezzo, ma si taglia nuovamente con la lama. Per questo motivo, viene anche chiamato metodo di taglio "a dadini a gradini".

Per proteggere il wafer da danni esterni durante il processo di taglio, viene applicata preventivamente una pellicola per garantire una separazione più sicura. Durante la fase di "levigatura posteriore", la pellicola viene applicata sulla parte anteriore del wafer. Al contrario, nel taglio con lama, la pellicola deve essere applicata sul retro del wafer. Durante il processo di incollaggio eutettico del die (fissaggio dei chip separati sul PCB o su un telaio fisso), la pellicola applicata sul retro si stacca automaticamente. A causa dell'elevato attrito durante il taglio, è necessario spruzzare continuamente acqua deionizzata da tutte le direzioni. Inoltre, la girante deve essere dotata di particelle di diamante per migliorare la qualità del taglio. In questa fase, il rapporto tra spessore della lama e larghezza della scanalatura di taglio deve essere uniforme e non deve superare la larghezza della scanalatura stessa.
Per lungo tempo, il taglio con sega è stato il metodo di taglio tradizionale più diffuso. Il suo principale vantaggio è la possibilità di tagliare un gran numero di wafer in breve tempo. Tuttavia, se la velocità di avanzamento della fetta viene notevolmente aumentata, aumenta anche la possibilità di distacco dei bordi dei chiplet. Pertanto, il numero di rotazioni della girante dovrebbe essere controllato a circa 30.000 giri al minuto. Si può notare che la tecnologia dei processi di produzione dei semiconduttori è spesso un segreto accumulato lentamente attraverso un lungo periodo di prove ed errori (nella prossima sezione sul legame eutettico, discuteremo il contenuto relativo al taglio e al DAF).

Taglio a cubetti prima della macinazione (DBG): la sequenza di taglio ha cambiato il metodo

Quando si esegue il taglio con lama su un wafer di 8 pollici di diametro, non c'è bisogno di preoccuparsi del distacco o della rottura dei bordi dei chiplet. Ma quando il diametro del wafer aumenta a 21 pollici e lo spessore diventa estremamente sottile, i fenomeni di distacco e rottura iniziano a ripresentarsi. Per ridurre significativamente l'impatto fisico sul wafer durante il processo di taglio, il metodo DBG di "taglio prima della molatura" sostituisce la sequenza di taglio tradizionale. A differenza del tradizionale metodo di taglio "a lama" che taglia in modo continuo, il DBG esegue prima un taglio "a lama" e poi assottiglia gradualmente lo spessore del wafer assottigliando continuamente il lato posteriore fino alla separazione del chip. Si può affermare che il DBG è una versione migliorata del precedente metodo di taglio "a lama". Grazie alla sua capacità di ridurre l'impatto del secondo taglio, il metodo DBG si è rapidamente diffuso nel "confezionamento a livello di wafer".

Taglio laser

Il processo di confezionamento a livello di wafer (WLCSP) utilizza principalmente il taglio laser. Il taglio laser può ridurre fenomeni come il distacco e la rottura, ottenendo così chip di migliore qualità, ma quando lo spessore del wafer supera i 100 μm, la produttività si riduce notevolmente. Pertanto, viene utilizzato principalmente su wafer con uno spessore inferiore a 100 μm (relativamente sottili). Il taglio laser taglia il silicio applicando un laser ad alta energia alla scanalatura di incisione del wafer. Tuttavia, quando si utilizza il metodo di taglio laser convenzionale, è necessario applicare preventivamente una pellicola protettiva sulla superficie del wafer. Poiché il riscaldamento o l'irradiazione della superficie del wafer con il laser crea dei contatti fisici che producono scanalature sulla superficie del wafer, e i frammenti di silicio tagliati aderiscono alla superficie. Si può quindi affermare che il metodo di taglio laser tradizionale taglia direttamente la superficie del wafer e, sotto questo aspetto, è simile al metodo di taglio "a lama".

Stealth Dicing (SD) è un metodo che prevede di tagliare inizialmente la parte interna del wafer con energia laser e successivamente applicare una pressione esterna al nastro adesivo sul retro per romperlo, separando così il chip. Quando viene applicata pressione al nastro sul retro, il wafer si solleva istantaneamente a causa della tensione del nastro, separando in tal modo il chip. I vantaggi del metodo SD rispetto al tradizionale taglio laser sono: in primo luogo, non si generano detriti di silicio; in secondo luogo, il solco di taglio (kerf: larghezza del solco di incisione) è stretto, consentendo di ottenere un maggior numero di chip. Inoltre, il fenomeno di distacco e rottura viene notevolmente ridotto con il metodo SD, aspetto cruciale per la qualità complessiva del taglio. Pertanto, è molto probabile che il metodo SD diventi la tecnologia più diffusa in futuro.

Taglio al plasma
Il taglio al plasma è una tecnologia di recente sviluppo che utilizza l'incisione al plasma per tagliare i wafer durante il processo di fabbricazione (Fab). Il taglio al plasma utilizza materiali semigassosi anziché liquidi, pertanto l'impatto ambientale è relativamente basso. Inoltre, adottando un metodo di taglio dell'intero wafer in un'unica operazione, la velocità di taglio è relativamente elevata. Tuttavia, poiché il metodo al plasma utilizza gas di reazione chimica come materia prima e il processo di incisione è piuttosto complesso, il flusso di lavoro risulta relativamente macchinoso. Rispetto al taglio con lama e al taglio laser, però, il taglio al plasma non danneggia la superficie del wafer, riducendo così il tasso di difettosità e consentendo di ottenere un maggior numero di chip.

Recentemente, con la riduzione dello spessore dei wafer a 30 μm e l'ampio utilizzo di rame (Cu) o materiali a bassa costante dielettrica (Low-k), si è assistito a una crescente diffusione dei metodi di taglio al plasma per prevenire la formazione di bave. Naturalmente, la tecnologia di taglio al plasma è in continua evoluzione. Credo che in un futuro prossimo non sarà più necessario indossare una maschera protettiva durante la fase di incisione, poiché questa rappresenta una delle principali direzioni di sviluppo del taglio al plasma.

Con la progressiva riduzione dello spessore dei wafer, passato da 100 μm a 50 μm e poi a 30 μm, anche i metodi di taglio per ottenere chip indipendenti si sono evoluti, passando dal taglio "a rottura" e "a lama" al taglio laser e al taglio al plasma. Sebbene i metodi di taglio sempre più sofisticati abbiano aumentato i costi di produzione del processo stesso, d'altra parte, riducendo significativamente fenomeni indesiderati come sfaldamento e rottura, che spesso si verificano nel taglio dei chip semiconduttori, e aumentando il numero di chip ottenuti per unità di wafer, il costo di produzione di un singolo chip ha mostrato una tendenza al ribasso. Naturalmente, l'aumento del numero di chip ottenuti per unità di area del wafer è strettamente correlato alla riduzione della larghezza della linea di taglio. Utilizzando il taglio al plasma, è possibile ottenere quasi il 20% di chip in più rispetto al metodo di taglio "a lama", il che rappresenta anche uno dei motivi principali per cui si sceglie il taglio al plasma. Con lo sviluppo e le modifiche dei wafer, dell'aspetto dei chip e dei metodi di confezionamento, stanno emergendo anche diversi processi di taglio come la tecnologia di elaborazione dei wafer e il DBG (Dynamic Block Grating).