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摘要：
切割是制造微电子 QFN（Quad Flat No-leads Package，方形扁平无引脚封装）产品的重要工艺步骤，整体片条框架产品通过切割工步分离为单颗的集成电路。真空失效是影响切割设备稳定性和产品品质的关键点，本文针对 QFN 封装产品的切割特点进行真空失效分析和探讨。
0 引言
微电子 QFN 封装产品是随着半导体封装技术不断升级，及产品外形结构、应用性能不断更迭的一种集成电路封装类型。其与引脚分布于塑封体外侧、功能类别相同的 QFP 等传统贴装型产品相比较，QFN 封装产品的引脚贴于塑封体底部，使产品外形体积和空间占用面积大幅度地减小。因此，方形扁平结构的 QFN 封装产品广泛应用于移动手机、平板电脑等集成度相对更高的电子产品中。
根据 QFN 封装料片为整体密封的结构特点，产品分离成单颗的集成电路通常采用切割工艺，即刀片旋转切割的方式。另外，在产品传送和切割定位的设计方面，通常采用真空吸附的方式。与传统封装产品采用级进冲切模具来分离的工艺设计相比较，切割工艺的生产效率、运营成本管理的优势非常明显。同时，在保障切割设备稳定性和产品切割品质上，控制好设备的真空能力非常重要。本文着重分析和探讨微电子 QFN 封装产品在切割过程中的真空设计特点及控制方法。
1 切割真空失效模式及不良后果
1.1 真空吸附切割原理
通常，微电子 QFN 封装产品后道生产流程如下：
其中，QFN 封装真空吸附切割原理：如图 1 所示，首先，料片通过设备真空吸附于切割盘表面，切割刀片安装于切割主轴端部的法兰上，刀片通过切割主轴的高速旋转产生切削力。而后，吸附于切割盘上的料片根据产品布局设计，与高速旋转的刀片进行相对水平切割移动，QFN 整体料片最终分离为单颗的集成封装电路。 1.2 真空失效模式及不良后果
如图 2 所示，常见的切割真空失效模式有真空吸力小和真空吸力不稳定两种。真空失效直接影响设备稳定性和产品切割品质，其不良后果有：产品切偏、产品崩边、设备崩刀等。
真空失效模式及其不良后果的具体表现有：
（1）当切割真空吸力值小于切割刀切削力与切割水压力之和时，产品则不能稳定地吸附在切割盘上，易造成产品在切割中的定位位移，产生切偏。
（2）当真空吸力值不稳定时，易造成产品在切割过程中产生水平方向的曲线蛇形式抖动，则会导致产品异常崩边的外观质量不良。
（3）当切割真空失效时，产品边框容易卷入到切割刀架，造成刀片异常崩裂等设备崩刀故障。
综上所述，切割真空失效将会造成设备机能失效，产生设备效率的损失和产品品质的缺陷。因此，真空能力控制是微电子封装切割的关键点，我们从切割真空设计和应用的角度来实验分析，针对影响因素进行相应对策探讨。
2 料片翘曲的影响
料片翘曲是影响切割真空失效的关键因素，切割工步控制料片翘曲度至关重要。由于引线框架、树脂材料、芯片大小、厚度、塑封工艺条件等综合因素的影响，QFN 封装料片在切割分离成单颗产品前存在翘曲的物理现象。如图 3 所示，参照切割真空吸附面来看，料片翘曲分为笑脸式和哭脸式两种形式。
根据实验数据得知，见表 1：①在切割过程中料片翘曲度超出切割盘真空容许范围，则会产生真空失效。翘曲度需要控制在一定的容许范围内，切割真空才能稳定，理论上产品翘曲度越小，切割真空失效的机率越小。②通过数据对比，哭脸式翘曲的容许范围大，有利于料片翘曲度的控制和切割真空的改善。
同时，在切割工步中，除前工序优化材料、改善工艺流程外，切割本工步还可以定制设计整形夹具，来改善料片的翘曲度。通过辅助应用整形夹具，将翘曲度超规范的料片定形到容许范围，以满足切割时真空吸附要求。见表 2 显示，为弧度整形夹具设计的DOE 实验分析。
从表 2 实验数据得知，一是根据料片结构特性定制设计并应用弧度整形夹具，能够改善料片翘曲度对切割真空的影响。二是合理的弧度和台阶设计，能够提升整形夹具的整形合格率。
3 切割盘的影响
3.1 切割盘的结构设计及选材
切割盘是 QFN 封装切割设备的核心部件，常见的 QFN 封装切割盘材质和结构设计有陶瓷盘和橡胶盘两种。两者都是通过真空吸附的设计方式实现产品的定位和切割。工艺分别如下：
1、陶瓷切割盘:贴膜→切割→解胶→剥离→分选
2、橡胶切割盘:换治具→切割 & 分选
工艺过程简述如下：
（1）陶瓷切割盘。其基于陶瓷的透气特点，完成产品的定位和切割。带粘性的 UV 膜及辅助贴膜设备将料片进行定位，通过设备真空吸力吸附于陶瓷切割盘，长宽尺寸为 250mmX280mm 的陶瓷切割盘，其平整度能达到 0.005mm 的级别，平整精度高。该设计能够直接切割生产不同封装类别产品，生产兼容性强；且产品翘曲度要求较低，控制在≤1mm 即能够切割；但生产时需要消耗 UV 膜，并需要配置贴膜、解胶等辅助装备，运营成本高。
（2）橡胶切割盘，它基于橡胶的弹性特点，完成产品的定位和切割。料片通过设备真空吸力直接吸附于橡胶盘表面，因此切割时不需要使用 UV 膜辅助材料，能够降低材料消耗成本；但根据封装类别的不同，设备需要设计专用的切割治具；且料片翘曲度要求高，需要控制在≤0.4mm 范围。
应该看到，综合产品的生产效率、品质、成本控制要求不同，两种切割盘设计均广泛在生产中应用。特别是采用橡胶切割盘设计的 JIG SAW 设备，能够根据用户的定制需求，实现产品智能自动切割、分选、包装一体化生产，是目前智能封装工厂的发展趋势。
橡胶切割盘通常采用丁腈橡胶等材质，通过橡胶弹性形变能力来更好地容错料片翘曲度，以提升产品切割中的真空吸附能力和稳定性。橡胶硬度是一个关键控制点。其控制的根本要素是橡胶硬度与切割真空能力之间的关系处理，这从表 3 和图 4 实验数据可见。
如表 3，橡胶硬度实验数据所示，橡胶硬度越软，产品的真空吸附能力越强。在生产应用中往往需要考虑到如产品切割偏移风险、刀片崩刀、以及越软的橡胶使用寿命越短等因素，橡胶硬度的选用需要结合产品结构的不同，并根据实际验证数据来确定。
又如图 4，真空实验曲线所示，提升 QFN 封装产品切割的真空稳定性及产品品质良率，切割盘使用的橡胶硬度值控制在 60~75 Shore A 区间最为合理。
3.3 切割盘的透气性设计
切割盘的透气性能是设备真空能够有效传递到产品吸附面的一个重要技术指标。提升切割盘透气性能，能够减少设备真空负压传递的效率损失，减少真空故障报警、产品切偏、崩刀等不良问题。
其中，真空透气孔的孔径是切割盘透气性能控制的重要技术点，理论上真空透气孔径越大真空吸力越好。所以，在管控上需要减少透气孔的堵塞，在设计上尽可能使真空供给端到作用点终端的真空流量值相等。如表 4 所示，切割盘真空孔透气性实验，通过透气孔内径、堵塞的频次、飞料崩刀、产品切偏等方面来进行数据跟踪对比。 通过实验数据得知，透气孔径设计过小，则会增加真空孔堵塞的频次，飞料崩刀的异常比例也相应增多。真空孔径越小，产品切偏的质量异常率越高，真空吸附力越不稳定。
综上实验表明：真空孔径设计越大，切割盘的透气性能越好，真空吸附能力越强。
3.4 切割盘的储气设计
根据产品结构特点，在设备真空系统的供给端、传送管道、真空终端切割盘等部件的相应位置定制设计储气装置，能够有效地提升切割真空的储气能力。从而增强切割真空的供给效率，提升产品切割真空的吸附能力和真空稳定性。
3.4.1 真空供给端的储气罐设计
如图 5 所示，真空系统供给端采用储气罐设计的效率对比。从中看出：①曲线 A 数据为真空系统供给端未采用储气罐设计，真空值从低压缓慢提升到高压，启动时间长，真空值波动大，应用不稳定，效率低。②曲线 B 数据为真空系统供给端增设储气罐设计，真空负压可以通过储气罐进行暂存，切割盘吸取产品时，储气罐存储的负压瞬时通过真空管道到达上限负压值，启动时间短，真空波动小，应用稳定，效率高。从对比结果得知，真空系统增设储气设计，能够提升真空供给的效率，减少切割真空失效。
3.4.2 切割盘底座设计
根据产品结构特点，在真空系统终端切割盘的底座上设计带有分流功能的储气沉台，能够提升切割真空的稳定性。如图 6，与底部无沉台的设计相比，切割盘底部设计沉台能够将真空负压值均匀地分流到每一个独立腔体，真空分布均匀性、储气能力和产品真空稳定性能方面提升明显。
3.4.3 切割盘橡胶沉台设计
如图 7 所示，切割盘橡胶的有效吸附区域采用不同的沉台设计，其真空稳定性明显不同。具体如： 1、采用直接通孔的设计，真空吸力集中在孔径区域，真空稳定性能较差。
2、采用圆形孔沉台的设计，增加真空吸力区域，真空稳定性明显提升。
3、采用方形孔沉台的设计，相对于方形结构的QFN 封装产品，它最大化地增加了真空吸附面积，真空吸力提升更加明显。
通过对比验证，采用方形孔沉台结构设计的切割盘，能够有效提升 QFN 封装切割的真空稳定性。
4 切割真空的管控
设备切割真空的控制需要从流程管控和结构设计等方面来考虑。
1、建立料片翘曲度的管控要求，通过切割前的工艺流程控制来改善料片的翘曲度。
2、切割前，采用整形夹具将翘曲料片整形到满足设备生产要求，提升切割真空的稳定性。
3、在设计层面，固化真空系统、真空管路、切割盘等相关部件的技术要求，标准化设计图纸。
4、切割真空核心备件建档，培训工程技术人员的维护技能，提高设备切割真空的管控能力。
5、真空系统、真空管路、切割盘橡胶硬度等项目制定预防性维护要求和寿命管理周期。定期对切割真空部件进行功能检查确认、测量记录，定期维护保养及更换。
5 结束语
微电子 QFN 封装产品结合其结构紧密的特点，以及封装成本低、生产效率高的优势，在半导体市场应用将越来越广泛，相应的封装切割工艺占比也将越来越大。华润安盛科技在微电子 QFN 封装切割方面有较为丰富的经验积累，通过切割工艺的改善优化、多项自主知识产权的专利技术应用，较大幅度地提高了 QFN 产品的切割品质和切割效率，从而提升微电子的市场竞争力。本文是基于微电子 QFN 封装产品在切割过程中的真空失效现状，从设备应用和设计的角度给予分析和对策探讨，以供参考。
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发表于 2022-6-22 11:24:21
发表于 2022-6-23 11:00:38