全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備之可靠性分析

張 偉，王宏智，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)是集光機(jī)電計(jì)算機(jī)于一體的復(fù)雜設(shè)備，劃片工序是將集成電路整片晶圓通過劃切分割成單個(gè)芯粒的工藝過程，是集成電路制造過程中整片晶圓操作的最后一道工序，承載了包括晶圓減薄以及材料制備、光刻等幾百個(gè)前道工序的材料和制造成本，一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)投入就會(huì)前功盡棄。同時(shí)，劃片工藝又是一種無法恢復(fù)的不可逆過程,一旦出現(xiàn)問題整片晶圓就可能全部報(bào)廢。因此,材料和制造成本的積累以及工藝的不可重復(fù)性決定了劃片工藝成為封裝、甚至整個(gè)集成電路制造過程中最關(guān)鍵和最危險(xiǎn)的工藝環(huán)節(jié)，使得其對(duì)設(shè)備晶圓劃片機(jī)的可靠性要求達(dá)到了極致，不僅要從晶圓上片、對(duì)準(zhǔn)、劃切、清洗甩干到下片的完全自動(dòng)化，而且整個(gè)過程幾乎不容出現(xiàn)任何失誤，其可靠性要求達(dá)到了工業(yè)化設(shè)備的最高層級(jí)，業(yè)內(nèi)只要提到劃片機(jī)首先關(guān)心的問題就是其可靠性如何。因此,可靠性對(duì)全自動(dòng)劃片機(jī)來說具有極其特殊的意義，是其進(jìn)入生產(chǎn)線的決定性因素，極高等級(jí)的可靠性是劃片機(jī)進(jìn)入生產(chǎn)線的首要條件。在此動(dòng)機(jī)之下，目的就是在建立一個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、程序或其它的依據(jù)，提供一個(gè)失效標(biāo)準(zhǔn)以做參考：首先假設(shè)系統(tǒng)下的子系統(tǒng)及其子系統(tǒng)下的元件皆為各自獨(dú)立的個(gè)體，開始運(yùn)作在同一時(shí)間內(nèi)，計(jì)算出故障的幾率，求出整體系統(tǒng)的可靠性，最終從結(jié)果中判斷及分析。對(duì)于眼前系統(tǒng)可能故障的事件作預(yù)先的防護(hù)，進(jìn)而提升其可靠的程度，延長系統(tǒng)壽命，解決不可靠的成分因素，最終提高全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備的可靠性，這是分析全自動(dòng)劃切設(shè)備可靠性的主要目的。

1 全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備各部分介紹

網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)之興起與無線通訊之普及，再加上個(gè)人電腦及消費(fèi)性電子產(chǎn)品的持續(xù)需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)循環(huán)已從1998年開始復(fù)原。半導(dǎo)體產(chǎn)能提高的兩大推動(dòng)力為：半導(dǎo)體技術(shù)上的進(jìn)步，制造生產(chǎn)力的提升，在技術(shù)上，由于線寬的不斷縮小，使得電晶體的產(chǎn)能每2年增加1倍，在制造生產(chǎn)力的提升上，由于更多的制造工廠、較多的矽晶圓使用、更高的可使用率及可靠性、更高的生產(chǎn)速率及良率等促成因素，使得電晶體的產(chǎn)能每3年有5倍的提升。

就目前的產(chǎn)業(yè)來說，為提升產(chǎn)能已從200mm晶圓漸漸進(jìn)入到300 mm晶圓發(fā)展，對(duì)于全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備本身可以分為上料模組、物料傳輸模組、劃切工作臺(tái)模組和清洗模組，其主要實(shí)現(xiàn)功能如圖1所示。

上料模組：用于晶圓的自動(dòng)上料；物料傳輸模組：用于晶圓在設(shè)備中各個(gè)環(huán)節(jié)的傳輸；劃切工作臺(tái)模組：用于晶圓的劃切過程；

清洗模組：用于清洗和甩干劃切結(jié)束后的晶圓。

圖1 全自動(dòng)劃片流程

2 可靠性的定義和特性

一般來說，可靠性的定義為一個(gè)系統(tǒng)在已知運(yùn)行條件下，且于一個(gè)特定時(shí)間內(nèi)操作正常的幾率，以此定義就相對(duì)可知故障幾率，可了解到系統(tǒng)何時(shí)無法正常操作，同樣對(duì)于該條件的處理，我們必須明確系統(tǒng)所受的負(fù)擔(dān)及系統(tǒng)操作所在的條件環(huán)境，可靠性最重要的變數(shù)就是時(shí)間，因?yàn)楣收下适强煽啃宰畛Ｒ姷默F(xiàn)象。

3 全自動(dòng)劃切設(shè)備可靠性分析

全自動(dòng)劃切設(shè)備系統(tǒng)的整體到細(xì)節(jié)的可靠性模組分析是針對(duì)全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備的整體部分從上部的整體功能一直往下延伸到下部的子系統(tǒng)功能，如此可以確認(rèn)所有的故障模式隨后定義出每一個(gè)故障模式的故障率，然后評(píng)估整體的故障率，為了求出全自動(dòng)劃切設(shè)備的故障率必須先求出分派在系統(tǒng)下子系統(tǒng)的故障率，其步驟為：

(1)建立系統(tǒng)的方框圖。首先分析整體系統(tǒng)的最上層系統(tǒng)，對(duì)整體的系統(tǒng)進(jìn)行分隔，分隔出這些整體系統(tǒng)的子系統(tǒng)，或者更向下分出子系統(tǒng)。最下層系統(tǒng)的故障有其潛在的故障模式，一個(gè)故障模式是由物理過程或是由發(fā)生的產(chǎn)生率所定義，這些故障模式的獲得是由分析最下層系統(tǒng)的功能并分析其可能潛在故障的模式，然后畫出所有設(shè)備的方框圖，其所用的圖形區(qū)域與子系統(tǒng)的相似，如圖2所示。

（2）建立系統(tǒng)的故障模型。圖3給出了全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)可靠性模型框圖。整機(jī)系統(tǒng)采用單一的串聯(lián)模型，系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)的失效都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

（3）對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分配。按照全自動(dòng)劃片機(jī)設(shè)計(jì)階段可靠性模型框圖進(jìn)行可靠性指標(biāo)的分配。串聯(lián)系統(tǒng)中各部分MTBF值的指標(biāo)分配公

圖2 依序式系統(tǒng)整體到細(xì)節(jié)方框圖

圖3 全自動(dòng)劃片機(jī)可靠性模型

從計(jì)算結(jié)果來看，每個(gè)單元Mi的可靠性分配指標(biāo)有大小差異，最大的為5.6 kh，最小的為840 h。通過每個(gè)單元Mi的分配指標(biāo)計(jì)算出整機(jī)的MMTBF為176 h，能夠滿足項(xiàng)目指標(biāo)MMTBF大于168 h的要求，可靠性分配是合理的。根據(jù)以上的方式進(jìn)一步分解到元件一級(jí)就可以來作為選擇各個(gè)元器件的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

表1 全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)各單元可靠性指標(biāo)分配

4 結(jié) 論

對(duì)于全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備的系統(tǒng)而言，該方法雖然只能提供一個(gè)近似參考結(jié)果，但是增進(jìn)深一層的分析效率，利用整體到細(xì)節(jié)方框圖的分析，及系統(tǒng)模型圖等圖形的表示，來展現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)元件或子系統(tǒng)之間的關(guān)系，是一種可靠性的分析方法。由于是配合著圖形，可以清楚地了解到整體系統(tǒng)下子系統(tǒng)之間相互配合的關(guān)系，來求得元件或子系統(tǒng)間的內(nèi)部連結(jié)部分,可以用來直接求出全自動(dòng)晶圓劃切設(shè)備的可靠性，分析可靠性的同時(shí)可以初步確定出各個(gè)元件的評(píng)判指標(biāo)。

[1]韓鄭生等譯，半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009年；

[2]邵家駿，劉勁松，趙選民等，健壯設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002年；

[3]中國電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì)叢書編委會(huì)，微電子封裝技術(shù)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003：76-77.

[4]趙東元，可靠性工程與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009；