文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：路漫漫

本文主要講述激光劃片機(jī)。

概述

激光劃片機(jī)是利用高能激光束對(duì)晶圓等材料進(jìn)行切割或開(kāi)槽的精密加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、光學(xué)器件等領(lǐng)域。其核心原理是通過(guò)激光與材料的相互作用，實(shí)現(xiàn)材料的固態(tài)升華、蒸發(fā)或原子鍵破壞，從而完成高精度加工。

根據(jù)技術(shù)原理，激光劃片機(jī)主要分為干式激光劃片機(jī)和微水導(dǎo)激光劃片機(jī)兩類；按自動(dòng)化程度則可分為半自動(dòng)與全自動(dòng)機(jī)型。以下從設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)特性展開(kāi)詳細(xì)介紹。

對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械劃片的優(yōu)勢(shì)

適應(yīng)薄型化趨勢(shì)：機(jī)械劃片對(duì)薄晶圓（厚度＜50μm）破片率高，而激光劃片非接觸加工可大幅降低損耗；

異形切割能力：可實(shí)現(xiàn)橢圓、六邊形等復(fù)雜輪廓切割，優(yōu)化晶圓排版效率，提升有效晶粒數(shù)量；

潔凈加工：避免機(jī)械劃片的金屬碎屑污染與刀刃磨損問(wèn)題。

干式激光劃片機(jī)

1.設(shè)備組成與功能

干式激光劃片機(jī)主要由激光系統(tǒng)、X-Y工作臺(tái)、θ向旋轉(zhuǎn)臺(tái)、Z向調(diào)焦系統(tǒng)、除塵及真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。其中：

激光系統(tǒng)根據(jù)材料對(duì)激光的吸收特性選擇波長(zhǎng)與能量參數(shù)，常見(jiàn)波長(zhǎng)包括1064nm、532nm、355nm等；

X-Y工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)與精密步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，定位精度達(dá)微米級(jí)；

θ向旋轉(zhuǎn)臺(tái)用于晶圓劃切道的精密對(duì)位，確保切割路徑準(zhǔn)確；

Z向調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)與CCD成像焦點(diǎn)，保證加工精度；

除塵與真空系統(tǒng)及時(shí)清除加工碎屑，維持潔凈環(huán)境。

干式激光劃片機(jī)典型結(jié)構(gòu)

2. 加工原理與分類

干式激光劃片的核心原理是通過(guò)激光能量與材料的熱作用或非熱作用實(shí)現(xiàn)加工，主要分為燒蝕加工與隱形切割兩種方式：

燒蝕加工：

原理為極短時(shí)間內(nèi)將激光能量集中于材料表面微小區(qū)域，使劃切道內(nèi)材料熔化、汽化，實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽或全切割。

分類包括激光開(kāi)槽加工和激光全切割加工：

激光開(kāi)槽加工在材料表面切割出深度為總厚度1/4~1/3的凹槽，后續(xù)通過(guò)裂片工藝沿槽分裂獲得芯片；

激光全切割加工直接切穿材料全厚度，需通過(guò)擴(kuò)晶工藝分離芯片。

其特點(diǎn)是切割速度快、槽寬窄，但存在熱影響區(qū)、材料重凝、裂紋等問(wèn)題。

隱形切割：

原理為將激光能量聚焦于材料內(nèi)部，利用特定波長(zhǎng)（如紅外激光）使硅原子鍵斷裂，在材料內(nèi)部形成變質(zhì)層，再通過(guò)擴(kuò)展膠膜等方式分離芯片。

特點(diǎn)是表面無(wú)損傷、無(wú)碎屑、無(wú)需清洗，適用于抗污染與抗負(fù)荷能力差的材料（如薄型晶圓、MEMS器件）。

隱形切割

1. 紫外激光劃片

冷切割原理：紫外激光（波長(zhǎng)＜400nm）直接破壞材料化學(xué)鍵，熱影響區(qū)極小，適用于聚合物、玻璃等敏感材料；

應(yīng)用場(chǎng)景：精密切割集成電路、光學(xué)元件，尤其適合金屬鍍層晶圓與超薄芯片。

關(guān)鍵工藝參數(shù)：

激光波長(zhǎng)與脈寬：波長(zhǎng)越短（如紫外355nm）、脈寬越短（飛秒級(jí)），熱效應(yīng)越小，適合微細(xì)加工，但成本較高；

光斑直徑：聚焦后光斑直徑越小，劃片槽越窄，但焦深縮短，需平衡切割厚度與精度；

功率：功率增大則劃片深度與寬度增加，但熱累積風(fēng)險(xiǎn)上升；

頻率：頻率影響峰值功率與平均功率，臨界頻率（如50kHz）可獲最佳切割深度與質(zhì)量；

速度：速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致切割痕跡不連續(xù)，形成鋸齒狀邊緣，需與頻率匹配。

2.微水導(dǎo)激光技術(shù)

復(fù)合加工優(yōu)勢(shì)：在微水導(dǎo)激光基礎(chǔ)上，利用水柱沖刷帶走切割熱與熔融顆粒，避免表面污染與熱損傷；

技術(shù)瓶頸：設(shè)備成熟度低，噴嘴壽命短，需解決水柱穩(wěn)定性與激光防護(hù)問(wèn)題。

微水導(dǎo)激光劃片機(jī)

1.設(shè)備組成與功能：

微水導(dǎo)激光劃片機(jī)由激光頭、CCD視覺(jué)系統(tǒng)、耦合裝置、X-Y精密定位工作臺(tái)、Z向調(diào)整系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)等組成。關(guān)鍵部件包括：

激光頭與聚焦鏡引導(dǎo)激光束并聚焦于噴嘴圓心；

微水柱噴嘴噴出直徑30~100μm的高壓純凈水柱，作為激光傳輸介質(zhì)；

水循環(huán)系統(tǒng)提供過(guò)濾后的高壓純凈水，確保水柱穩(wěn)定性與潔凈度。

2. 加工原理

微水導(dǎo)激光切割基于“激光在微水柱中全反射傳輸”的原理：

激光束經(jīng)聚焦鏡進(jìn)入水腔，聚焦于噴嘴圓心；

高壓純凈水從水腔左側(cè)流入，通過(guò)微孔噴出形成穩(wěn)定微水柱；

激光束耦合至水柱中，利用水柱與空氣界面的全反射效應(yīng)，沿水柱傳輸至材料表面；

激光能量?jī)H在水柱直徑范圍內(nèi)燒蝕材料，實(shí)現(xiàn)非接觸切割。

其特點(diǎn)是無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)熔渣、無(wú)機(jī)械應(yīng)力，切割表面潔凈，適合高精密器件（如超薄晶圓、光學(xué)芯片）。

技術(shù)挑戰(zhàn)在于噴嘴制作精度要求高，水柱穩(wěn)定性直接影響加工質(zhì)量，需防范激光輻射。

微水導(dǎo)激光劃片機(jī)典型結(jié)構(gòu)

總結(jié)

激光劃片機(jī)憑借高精度、非接觸、適應(yīng)復(fù)雜輪廓等特性，成為半導(dǎo)體封裝與微加工領(lǐng)域的核心設(shè)備。干式激光劃片機(jī)在效率與成本上具優(yōu)勢(shì)，微水導(dǎo)與紫外激光則向高精度、低損傷方向突破。未來(lái)，隨著飛秒激光、智能化控制系統(tǒng)的發(fā)展，激光劃片機(jī)將進(jìn)一步提升加工效率與材料適應(yīng)性，推動(dòng)微電子制造向更微型化、集成化邁進(jìn)。