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LED藍寶石襯底研磨三部曲

關鍵詞 LED , 藍寶石 , 研磨 , 拋光|2014-01-17 09:39:23|應用技術|來源 OFweek 半導體照明網
摘要 LED芯片研磨制程的首要動作即“上臘”,這與硅芯片的CMP化學研磨的貼膠意義相同。將芯片固定在鐵制(Lapping制程)或陶瓷(Grounding制程)圓盤上。先將固態蠟均勻的涂抹...
       LED芯片研磨制程的首要動作即“上臘”,這與硅芯片的CMP化學研磨的貼膠意義相同。將芯片固定在鐵制(Lapping制程)或陶瓷(Grounding制程)圓盤上。先將固態蠟均勻的涂抹在加熱約90~110℃的圓盤上,再將芯片正面置放貼附于圓盤,經過加壓、冷卻后,芯片則確實固定于盤面,完成上臘的動作。

       一、研磨首部曲——上蠟

       上臘的制程,必須控制臘的厚度在2~3um,這與固蠟的選擇、加壓方式及條件都有直接影響,并且直接關系著研磨后的完工厚度均勻性。而上臘機的加壓、冷卻機構部分,大致可分成兩種,一為使用兩圓盤直接加壓方式,另一種則是除了加壓圓盤外,還增加了一個真空艙,在加壓時將艙體抽真空,增加將蠟均勻壓平的效果。

       這兩種方式,嚴格來說差異并不大。但是某些芯片,卻不適用于真空加壓的方式上臘,例如芯片若是在磊晶制程前就已經在芯片正面的平邊作刻號,當加壓抽真空時,因為平邊的刻號隆起,會造成芯片下的臘被真空吸出,導致臘厚不足。研磨時,平邊區域非常容易就被磨掉。除了造成研磨缺角,也因裂痕的產生,容易使芯片破裂。

       然而,加壓、冷卻的設計也有不同,一般下圓盤都會有冷卻水管路盤繞在盤內。但是有的是加壓后數十秒或兩分鐘才開始加冷卻水作冷卻,而有的則是邊加壓、邊冷卻。

       當上臘作業時,有一個難題,即芯片上臘時的氣泡。氣泡會使芯片無法完全貼附于鐵盤或陶瓷盤上,研磨后會造成小裂痕。(若芯片研磨后產生小十字型或人字型裂痕,則是上臘時有微塵未被清除而造成。)但是,近來已經有自動上臘機,如WEC、TECDIA。在Robot取片時,就能將氣泡大小控制在0.5mm以下,在經過加壓冷卻后,芯片上臘的狀況就十分良好。但是若以SpeedFAM的手動上臘機進行上臘時,去除臘中1mm大小的氣泡,就必須依靠操作者的經驗與方法,才能獲得最佳的上臘效果。

       二、LED芯片研磨二部曲——研磨

       在上臘制程作業完成后,接下來的制程就是破壞力最高的“研磨制程”。

       過去最成熟的研磨制程就是Lapping,即是將芯片使用氧化鋁研磨粉作第一次研磨。其作業方式是使用千分表量測與設定鐵盤外圍的鉆石點,再將其放置于磨盤上,使用研磨粉作研磨。使用鉆石點的目的在于讓芯片研磨至設定厚度時,由于鉆石的硬度最高,所以芯片就不致于再被磨耗。

       但是,由于藍光LED基板為藍寶石,硬度高,所以使用Lapping的方式研磨時,會導致制程時間過長。因此,近幾年來以Grinding的方式進行藍光LED的芯片研磨,降低制程工時。

       Grinding制程設備可分成臥式與立式兩種,臥式研磨機所指的是研磨馬達與水平面平行,可適用于八片式以下的研磨設計。但是若為12片式研磨時,因陶瓷盤過大,則無法使用此設計方式。立式研磨機所指的是研磨馬達與水平面垂直,而八片式以上的研磨機以此設計為主。

       在Grinding的制程方式中,使用鉆石砂輪搭配冷卻液(冷卻油+RO水或DI水)或鉆石切削液來研磨芯片。雖然冷卻方式會依原設計者的制程理念與經驗而有所不同,但是并不影響制程的結果。此制程作業之中,最主要的在于工作軸與砂輪軸的調整必須呈平行。再來,就是砂輪的磨石結構。

       由于Grinding研磨制程的速度效率高,若可以在研磨時將芯片厚度盡可能的減薄,則拋光的工時與成本就能降低。但是,研磨是高破壞性的制程作業,所以芯片減薄有一個極限值;另外,研磨制程中因鉆石所造成的刮痕約為15um,所以完工厚度值也影響著研磨減薄的厚度設定。

       然而,在使用過的Grinding研磨機里,不論是T牌、W牌、SF牌等,最大的極限值都在95~105um。因為藍寶石基板的硬度與翹曲,而使得完工后在100um以下的結果相當不穩定。

       所以,LED的研磨制程主要在設備設計與使用者經驗的搭配。但是芯片的本質,仍是影響結果的主因。

       三、LED芯片研磨三部曲——拋光

       在芯片研磨之后,接下來的制程作業就是“拋光”。目的在處理Lapping研磨后產生的深孔,或Grinding研磨后的深刮痕。一般而言,Lapping研磨后的孔洞深度約為10um,Grinding研磨后的刮痕深度為15um~20um。

       以Lapping研磨后的拋光制程而言,拋光盤多數使用聚氨酯Pad,即一般所謂的軟拋。軟拋可以使制程作業后的表面光亮如鏡,但是其切削速率極低,約為0.2um/min。另一個拋光方式是使用錫、鉛盤,因其盤面為金屬材質,所以一般稱為硬拋。硬拋的切削速率可以達到0.7~1um/min,加工速度比軟拋快。然而,使用金屬盤做拋光的風險較高。雖然為錫、鉛為軟質金屬,但是盤面的狀況必須十分小心的作監控,尤其是盤面的修整。若在修整后,有金屬顆粒未除凈,拋光后易碎。

       因此,為了增加切削速率與盤面的穩定性,近年來有了新式的拋光盤,其盤面是樹酯,基座是銅。就是現在所謂的“樹酯銅盤”。因為盤面材質的硬度介于聚氨酯與錫之間,也被稱作是硬拋的一種方式。使用樹酯銅盤做拋光,再搭配特制鉆石拋光液與每秒的噴灑量,切削率可達2.3~2.8um/min。搭配Grinding的研磨制程,就能增加大量的生產產出。當然,鉆石拋光液的消耗量也會隨之增加,但是在產能提升與損失風險較低的生產型態之下,每片芯片的生產成本未必會有增加。

       四、探討樹酯銅盤的高切削率搭配

       第一要素是銅盤溝槽與溝槽之間的間隙,溝槽與溝槽之間的間隙寬度最好為溝槽寬度的1.3~1.5倍。再來是拋光液的噴出量,必須依據無塵室環境與銅盤冷卻溫度而去作適當的設定、調整。

       鉆石拋光液大多使用多晶鉆石顆粒,不僅切削穩定,若與其他溶劑的配方比例佳,切削速率并不遜色。

       對比W牌與T牌的拋光機,以T牌的設計自動化最佳,但是W牌的設計補救能力最強。所以,在使用考慮上,選擇W牌,避免研磨或拋光發生厚度不均勻的異常時,還能對大量的異常施以補救。

       目前,使用W牌的一臺上蠟、兩臺研磨、一臺拋光的五片機系列,加上個人的特殊制程改善,最高紀錄可以在15小時產出300片。若以四班二輪作平均計算,一天一個班(12小時)可以產出250片左右。

       所以,在適當的設備搭配與使用經驗作改善之下,其實拋光是芯片減薄里,最穩定的制造生產。
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