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          LED研磨技術

           

          前言

          最近因為能源的利用議題,讓藍光LED最近火紅的狠!

          相信有不少的專業朋友都知道現行的白光LED都是以高亮度的藍光LED加上螢光粉制造而成,各家都有其專業的技術。目前流行的作法據我所知有背金、粗化、磊晶前蝕刻等,而最近當紅的是磊晶前蝕刻的作法,遽聞此制程方式能讓發光亮度最好。

          背金制程顧名思義就是在晶片的背面鍍上一層金屬,使發光層的光線得以因折射而讓發光效率更高。但是由于晶片已經研磨至100um以下的厚度,在執行蒸鍍制程時,容易發生破片的損失。當然,也因為晶片厚度的關系,使得晶片產生翹曲,蒸鍍后的膜厚均勻性也有某些差異。

          粗化制程的方法就有很多不同方式,但是大部分都是在發光區作一些文章,而此制程方式的主要影響就在發光區蝕刻的均勻度。若粗化制程控制得當,再有效的搭配上背金制程........發光亮度即有??不錯的加分!

          最近正熱的磊晶前蝕刻制程,就是在磊晶制程前,就將藍寶石基板先作蝕刻,遽聞此制程能獲得最好的亮度。有人造山,也有人挖孔..........各有各的專業knowhow!

          然而,這些制程的方式,就以磊晶前的蝕刻最容易在晶片研磨時產生致成問題!

          因為結構應力的關系,加上各家磊晶廠的技術專業不同,有的晶片還算平整,有的晶片卻像波浪般的卡迪納的厚切洋芋片........使得研磨后的生產良率受到嚴重的影響............更讓許多LED的后制程代工廠敬而遠之.......

          個人在藍光LED制程之中的見解,最容易遭受嚴重損失的,應屬研磨制程!畢竟在晶片的制程狀態下,經過了磊晶、黃光、蝕刻、薄膜,研磨之前已屬半成品。況且,目前的研磨技術已經不再是一片片的慢慢磨,而是一次5~8片,甚至12片.......一個控制不好,損失情況不在話下..... ....

          當然,還有很多可以利用的方法讓亮度提高,但是是否能夠讓各制程可以順利的生產,一直是各家LED廠思考的問題。

          LED晶片研磨首部曲----上臘

          一般LED研磨設備大多數是SF牌的Lapping,對于二~四元的紅、黃光晶片研磨生產,已經十分充足。但是由于近幾年來藍光LED的專利技術解放,晶片得以大量生產制造,Lapping的研磨方式對于硬度高的藍寶石基板顯得相當吃力。因此,開始有人發展切削力更高的Grinding研磨方式,藍光LED研磨設備也慢慢的變更為制程工時僅需二分之ㄧ的Grounding研磨設備。

          因著Grinding研磨設備的高速切削力,讓藍光LED的研磨制程獲得大幅改善。但是,卻無法有效的應用在基板脆弱的紅、黃光研磨制程上。

          LED晶片研磨制程的第一個動作就是「上臘」,這與矽晶片的CMP化學研磨的貼膠意義相同。上臘的目的在于,將晶片固定在鐵制(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,再將晶片正面置放貼附于圓盤,經過加壓、冷卻后,晶片則確實固定于盤面,完成上臘的動作。

          上臘的制程,主要必須控制臘的厚度在2~3um,這與固蠟的選擇,以及加壓方式、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,其實嚴格來說,差異并不大.........但是某些晶片,卻不適用于真空加壓的方式上臘!例如晶片若是在磊晶制程前就已經在晶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,會造成晶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,容易使晶片破裂。

          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。但是個人在使用上的經驗,以加壓后,等待約數十秒或一分鐘再進行冷卻為宜。

          當上臘作業時,有一個讓人頭疼的問題,就是晶片上臘時的氣泡。氣泡會使晶片因此而無法完全貼附于鐵盤或陶瓷盤上,研磨后會造成小裂痕。(PS.附帶說明,若晶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,晶片上臘的狀況就十分良好。但是若以Speed??FAM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。

          學會上臘,是LED研磨制程中的第一步,不同的設備設計,伴隨著不同的上臘結果。所以必須了解其設備原理,才能有效地克服制程上的困擾,讓下一步的研磨制程更順利!

          LED晶片研磨二部曲----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,即是將晶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晶片研磨至設定厚度時,由于鉆石的硬度最高,所以晶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的晶片研磨,降低制程工時。

          然而,由于Grinding研磨方式的破壞力比Lapping更大,所以此制程并不適用于質地較脆的紅、黃光晶片。所以,Lapping與Grinding的研磨制程,就有如所謂的:有一好,就沒有兩好.........

          而紅、黃光與藍光的研磨制程,在不同的條件之下,由此開始有了不同的制程作業路徑!

          由于Lapping是成熟的研磨制程技術,重點在于研磨粉中的氧化鋁粒徑,通常有經驗的工程師都會要求供應商作過篩的作業。所以只要此要點有做執行,一般遇到的問題大多在于磨盤的凹盤或凸盤控制。在此就不多作贅述...........

          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晶片。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。

          砂輪的磨石除了鉆石粒徑之外,就是燒結的配方與溫度,這會對研磨后的品質與砂輪壽命造成不同的結果。一般而言,砂輪的燒結都是供應商的機密,使用端無法得知。然而,砂輪上磨石的設計,也可產生不同的研磨效果與使用壽命。而目前我所使用過的砂輪設計,以磨石呈長條塊狀的圓周排列方式最佳。而圈數約為三圈以上,可以讓砂輪的使用壽命較長。

          因為砂輪的磨石結構與Dicing Saw的鉆石刀相同,所以都必須作使用修整,目的在于讓鉆石顆粒的浮出狀況最佳化,提高制程的品質與砂輪及鉆石刀的壽命。Dicing Saw在刀具第一次使用與切割的過程之中,都會以厚度500um以上的矽晶片作修刀。相同的,砂輪在初次使用與研磨過程之中,也必須使用油石作砂輪修整。

          由于Grinding研磨制程的速度效率高,若可以在研磨時將晶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,所以晶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,在個人使用過的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。但是晶片的本質,仍是影響結果的主因,這就看各路高手如何見招拆招了。

          LED晶片研磨三部曲----拋光

          在晶片研磨之后,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0.2 um/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0.7~1 um/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,拋光后的結果可是「碎碎平安」.........

          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,每片晶片的生產成本未必會有增加。

          再來,我們繼續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。

          重點來了!特殊的拋光液怎么配?

          其實,我也不清楚,因為這是各家耗材供應商的knowhow,所以無法完全得知!

          然而,我們知道鉆石顆粒有單晶與多晶兩種,雖然單晶鉆石的切削率最高,但是由于顆粒較多晶鉆石銳利,所以晶片加工越薄,破片的風險就越高..... ....所以,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!

          然而,以我使用過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,在使用考量上,我會選擇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,我使用過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,其實拋光是晶片減薄里,最穩定的制造生產!

          LED晶片研磨最終曲----下臘清洗

          在完成的晶片研磨的減薄作業之后,接下來的作業就是將晶片由鐵盤或陶磁盤上取下。

          因為LappingGrinding制程的使用臘濃度不同,所以加熱的溫度也不同。一般鐵盤的下臘加熱溫度為70~ 7 5 陶磁盤下臘加熱溫度則為90~ 110

          將鐵盤或陶磁盤放在加熱板上加熱時,會先噴灑一些去臘液,增加臘的融化速度。加熱20分鐘后,臘由于受熱溶化,使晶片呈現翹曲狀。此時,再使用晶片鑷子與安全刮刀將晶片由鐵盤或陶磁盤上取下。取片時,必須特別注意雙手的操作搭配,避免晶片破片或晶片正面遭到刮傷。

          將晶片取下之后,接著就是置放于鐵氟龍晶舟,使用去臘液、丙酮(ACE)、異丙醇(IPA)作晶片的去臘清洗。

          此時,有許多工程人員使用的清洗順序為去臘液→ ACEIPA,但是在我測試過后的程序應該是ACE →去臘液→ IPA

          當然,這里就會出現爭議……..去臘液的功能是去臘,ACE的功能是去油、水。為什么會先泡ACE呢?

          其實,這是我在某家公司時,早期因為殘臘所苦,測試了許多去臘液……..最后在一家日本供應商經過分析后,才得到一個結果:ACE可以將晶片上的臘剝離。

          所以,先以ACE將晶片上大量的臘作剝離之后,再以去臘液將晶片上少部份的殘留臘溶解,如此才能容易去除晶片上的臘。

          在我測試后的順序為ACE →去臘液→去臘液→ ACEIPA,清洗后的殘臘機率較低。制程理論為:先以ACE將晶片上大量的臘剝離,再使用兩道去臘液溶解晶片上少量的臘;接著再使用ACE將去臘液的油脂去除,最后使用IPAACE去除。

          晶片下臘清洗中,建議避免使用超音波震蕩。因為晶片厚度都在80~9 5 μ m,使用超音波震蕩,就算晶片沒有震破,也會內傷。所以只能將溶劑加熱,利用加熱時產生的熱流加速清洗的時間與增加清洗效果。

          然而,清洗制程除了浸泡程序之外,就是去臘液的選擇。個人測試過的去臘液有:ND、昭和、WEC、芝普、法博、柏連等。

          其中以ND去臘液較佳,價格最高。因為其成分為植物性萃取物,為食品級溶劑(老鼠吃不死,但是我沒嘗過......),有柚子的味道,對人體沒有危害。

          而昭和去臘液中含有甲苯,雖然效果不錯,價格尚可,但是對人體的危害較大。使用與否,就看企業主的良心了......

          其他的去臘液都相當便宜,加熱后的氣味刺鼻,洗凈效果普通。

          但是,由于ND去臘液是植物性萃取物,所以其油脂容易被ACE洗凈。其余的去臘液為化學合成,容易產生油脂殘留,一道ACE通常不易洗凈。

          所以,晶片下臘清洗由于經驗的不同,浸泡程序也有所不同。只要能有效除臘,沒有殘臘的異常,就是最好??的清洗方式!

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