文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了激光劃片的原理與設備工藝。

技術原理與核心優(yōu)勢

激光劃片作為新興材料加工技術，近年來憑借非接觸式加工特性實現(xiàn)快速發(fā)展。其工作機制是將高峰值功率激光束經(jīng)擴束、整形后，精準聚焦于藍寶石基片、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實現(xiàn)材料分離。

該技術具備四大核心優(yōu)勢：

1.無損加工特性：采用非接觸式劃切，避免機械應力作用，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苛產(chǎn)品的首選加工工藝。

核心設備與系統(tǒng)參數(shù)

激光器作為激光劃片設備的核心組件，通常占設備總成本的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、準分子激光器、半導體激光器及光纖激光器。其中，脈沖固體激光器因易維護、長壽命（部分型號保修期達10萬小時）等優(yōu)勢，成為劃片設備的主流選擇。

激光束質(zhì)量直接影響劃切效果，基模光束（光斑直徑≤1.3μm）可實現(xiàn)最佳切割精度。精細劃片常用的脈沖固體激光器波長涵蓋1064nm、532nm、355nm、266nm四檔。受技術發(fā)展限制，當前激光脈沖寬度多在 1~100ns區(qū)間，重復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。實際應用中需結(jié)合材料特性（硬度、熱導率等）進行參數(shù)匹配，以獲得理想劃切效果。

工藝控制與應用案例

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

以藍光LED藍寶石晶圓劃切為例：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)化可實現(xiàn)最高20片/小時的加工產(chǎn)能。此類應用充分驗證了激光劃片在硬脆材料微加工領域的技術優(yōu)勢。

不同材料體系（如硅基半導體、陶瓷封裝基板）需通過大量工藝實驗確定激光波長、功率、脈沖寬度、重復頻率及工作臺運動參數(shù)的最優(yōu)組合。該動態(tài)匹配過程是實現(xiàn)高精度、高效率劃片的關鍵環(huán)節(jié)。

應用挑戰(zhàn)與技術瓶頸

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

1.熱效應影響：高能量激光作用導致劃切區(qū)域溫度驟升，引發(fā)材料邊緣化學相變（如碳化、氧化）與物理結(jié)構損傷（晶格畸變），尤其在藍寶石、碳化硅等熱導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.粉塵污染風險：汽化材料形成的微米級顆粒易吸附于晶圓表面，若未及時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” 機制規(guī)避熱效應，但當前商用皮秒激光器成本達納秒級設備的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，設備廠商開發(fā)四大創(chuàng)新工藝體系：

1.表面保護膜涂覆技術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，通過相位控制實現(xiàn)同步加工。相比單光束，該技術可使切割效率提升4倍（如藍寶石劃切速度從80mm/s增至320mm/s），切縫寬度縮至35μm，且熱影響區(qū)減小60%。

3.微水導激光切割系統(tǒng)利用10-50MPa高壓水流形成 “光導纖維”效應，將激光束約束在直徑50-200μm的水柱內(nèi)傳輸。技術實測顯示，該工藝可使碳化硅晶圓劃片的熱影響深度從80μm降至15μm，同時通過水流沖刷實現(xiàn)實時除塵，粉塵濃度控制在0.1mg/m3以下。其設備支持0.1-3mm厚度材料加工，切割精度達±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形成改性層，后續(xù)經(jīng)擴張膜機械應力實現(xiàn)晶粒分離。該技術徹底消除表面損傷，尤其適用于超薄芯片（<50μm）加工，韓國三星已將其應用于3D堆疊封裝制程，良品率提升至99.2%。

行業(yè)應用拓展

憑借工藝優(yōu)化帶來的技術突破，激光劃片已形成三大核心應用領域：

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

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

先進封裝領域：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)。