文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了激光劃片的原理與設(shè)備工藝。

技術(shù)原理與核心優(yōu)勢

激光劃片作為新興材料加工技術(shù)，近年來憑借非接觸式加工特性實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。其工作機(jī)制是將高峰值功率激光束經(jīng)擴(kuò)束、整形后，精準(zhǔn)聚焦于藍(lán)寶石基片、硅片、碳化硅（SiC）基片或金剛石等硬脆材料表面，通過高溫汽化或升華效應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料分離。

該技術(shù)具備四大核心優(yōu)勢：

1.無損加工特性：采用非接觸式劃切，避免機(jī)械應(yīng)力作用，可完全消除崩角缺陷，切口表面光滑無裂紋，顯著提升產(chǎn)品切割質(zhì)量與成品率；

2.高精度微加工能力：憑借微米級劃切精度與極窄切縫，可實(shí)現(xiàn)無縫切割效果，使晶圓排布密度提升，有效降低基底材料消耗成本；

3.異形加工靈活性：支持線段、圓弧等復(fù)雜幾何圖形劃切，在同等晶圓尺寸下可增加有效晶粒數(shù)量，最大化基底空間利用率；

4.綠色制造優(yōu)勢：無需刀具更換與冷卻液消耗，既降低耗材成本，又避免加工廢液污染，契合環(huán)保生產(chǎn)需求。上述特性使其成為高精度聲波器件等可靠性要求嚴(yán)苛產(chǎn)品的首選加工工藝。

核心設(shè)備與系統(tǒng)參數(shù)

激光器作為激光劃片設(shè)備的核心組件，通常占設(shè)備總成本的40%左右。按工作物質(zhì)分類，工業(yè)級激光器主要包括固體激光器、CO?激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器及光纖激光器。其中，脈沖固體激光器因易維護(hù)、長壽命（部分型號保修期達(dá)10萬小時(shí)）等優(yōu)勢，成為劃片設(shè)備的主流選擇。

激光束質(zhì)量直接影響劃切效果，基模光束（光斑直徑≤1.3μm）可實(shí)現(xiàn)最佳切割精度。精細(xì)劃片常用的脈沖固體激光器波長涵蓋1064nm、532nm、355nm、266nm四檔。受技術(shù)發(fā)展限制，當(dāng)前激光脈沖寬度多在 1~100ns區(qū)間，重復(fù)頻率范圍為幾千赫至幾百千赫。

光束傳遞系統(tǒng)利用高斯光束高方向性與功率密度特性，但需克服光束發(fā)散（毫弧度量級）及出口光斑（直徑約1mm）限制。通過聚焦透鏡優(yōu)化，可按需調(diào)節(jié)光斑直徑、焦深及功率密度參數(shù)：光斑越小則功率密度越高，材料去除能力越強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合材料特性（硬度、熱導(dǎo)率等）進(jìn)行參數(shù)匹配，以獲得理想劃切效果。

工藝控制與應(yīng)用案例

激光劃切采用 “光束固定-工件運(yùn)動(dòng)” 模式，工作臺承載材料按預(yù)設(shè)路徑移動(dòng)完成圖形加工。需特別注意工作臺啟停時(shí)序與激光觸發(fā)的協(xié)同控制 —— 若二者匹配失準(zhǔn)，將導(dǎo)致加工邊緣畸變、良率下降，甚至造成廢片。

以藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓劃切為例：針對微米級切縫、20~30μm深度加工需求，優(yōu)選355nm或266nm紫外脈沖固體激光器，通過工藝優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)最高20片/小時(shí)的加工產(chǎn)能。此類應(yīng)用充分驗(yàn)證了激光劃片在硬脆材料微加工領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

不同材料體系（如硅基半導(dǎo)體、陶瓷封裝基板）需通過大量工藝實(shí)驗(yàn)確定激光波長、功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率及工作臺運(yùn)動(dòng)參數(shù)的最優(yōu)組合。該動(dòng)態(tài)匹配過程是實(shí)現(xiàn)高精度、高效率劃片的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

應(yīng)用挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸

盡管具備顯著技術(shù)優(yōu)勢，激光劃片在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中仍面臨三大核心難題：

1.熱效應(yīng)影響：高能量激光作用導(dǎo)致劃切區(qū)域溫度驟升，引發(fā)材料邊緣化學(xué)相變（如碳化、氧化）與物理結(jié)構(gòu)損傷（晶格畸變），尤其在藍(lán)寶石、碳化硅等熱導(dǎo)率低的材料加工中更為顯著。

2.回焊與重鑄缺陷：瞬間高溫使熔融態(tài)材料在冷卻時(shí)重新附著于切口邊緣，形成不規(guī)則凸起或熔渣殘留，影響后續(xù)封裝精度。

3.粉塵污染風(fēng)險(xiǎn)：汽化材料形成的微米級顆粒易吸附于晶圓表面，若未及時(shí)清除將造成鍵合不良、短路等失效隱患。

理論研究表明，皮秒級（ps）超短脈沖激光可通過 “冷加工” 機(jī)制規(guī)避熱效應(yīng)，但當(dāng)前商用皮秒激光器成本達(dá)納秒級設(shè)備的3-5倍，使中小企業(yè)難以承受。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，采用皮秒激光雖可將熱影響區(qū)縮小至5μm以內(nèi)，但設(shè)備投資回收期延長至2-3年。

工藝優(yōu)化解決方案

針對上述瓶頸，設(shè)備廠商開發(fā)四大創(chuàng)新工藝體系：

1.表面保護(hù)膜涂覆技術(shù)采用水溶性高分子材料（如 PVA 薄膜）在晶圓表面形成 10-20μm防護(hù)層，通過物理阻隔捕獲切割粉塵。加工后經(jīng)DI水超聲清洗（40kHz，5min）即可完全剝離，異物附著率從傳統(tǒng)工藝的12%降至1.5%以下。該技術(shù)特別適用于倒裝芯片（Flip Chip）制程，可將鍵合不良率降低 37%。

2.多光束陣列劃片工藝基于衍射光學(xué)元件（DOE）將單束激光分解為16-64束平行子光束，通過相位控制實(shí)現(xiàn)同步加工。相比單光束，該技術(shù)可使切割效率提升4倍（如藍(lán)寶石劃切速度從80mm/s增至320mm/s），切縫寬度縮至35μm，且熱影響區(qū)減小60%。

3.微水導(dǎo)激光切割系統(tǒng)利用10-50MPa高壓水流形成 “光導(dǎo)纖維”效應(yīng)，將激光束約束在直徑50-200μm的水柱內(nèi)傳輸。技術(shù)實(shí)測顯示，該工藝可使碳化硅晶圓劃片的熱影響深度從80μm降至15μm，同時(shí)通過水流沖刷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)除塵，粉塵濃度控制在0.1mg/m3以下。其設(shè)備支持0.1-3mm厚度材料加工，切割精度達(dá)±2μm。

4.隱形切割（TLS）工藝通過紅外激光（如1064nm）聚焦至材料亞表層（深度 50-200μm），利用多光子吸收效應(yīng)形成改性層，后續(xù)經(jīng)擴(kuò)張膜機(jī)械應(yīng)力實(shí)現(xiàn)晶粒分離。該技術(shù)徹底消除表面損傷，尤其適用于超薄芯片（<50μm）加工，韓國三星已將其應(yīng)用于3D堆疊封裝制程，良品率提升至99.2%。

行業(yè)應(yīng)用拓展

憑借工藝優(yōu)化帶來的技術(shù)突破，激光劃片已形成三大核心應(yīng)用領(lǐng)域：

第三代半導(dǎo)體加工：在SiC功率器件劃片中，微水導(dǎo)工藝使裂片良率從78%提升至95%；

光伏產(chǎn)業(yè)革新：多光束技術(shù)實(shí)現(xiàn)半片電池切割，硅片損耗率降低至0.3%；

先進(jìn)封裝領(lǐng)域：隱形切割支撐2.5D/3D封裝中的超薄晶圓處理，助力HBM芯片量產(chǎn)。