扩晶机的工作原理

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扩晶机（Wafer Expander / Die Expander）是半导体封装工艺中的关键设备，主要用于解决切割后的晶圆（贴覆在蓝膜上）因切割应力导致的芯片（Die）间距过小问题。其核心工作原理是利用‌热膨胀物理效应‌和‌机械拉伸‌的组合，‌精确可控地增大芯片之间的间隙‌，为后续的芯片检测、分选和拾取创造有利条件。

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以下是其详细的工作原理和步骤：

• ‌装片与固定：‌

  
  
  • 将已完成切割（Dicing）但芯片仍附着在蓝膜（Dicing Tape）上的晶圆（Wafer）放置在扩晶机载物台（通常为环形框架载体）上。
  • 晶圆被可靠地固定或真空吸附在载物台中心位置。载物台通常设计为可旋转或可移动，方便调整位置。
    

• ‌加热扩张（核心步骤）：‌

  
  
  • ‌加热蓝膜：‌ 扩晶机的关键部件是一个加热圆环（或加热板）。这个加热环被精确地压在晶圆外围的蓝膜上（不接触芯片区域）。
  • ‌蓝膜热膨胀：‌ 蓝膜主要是由高分子聚合物（如聚氯乙烯PVC、聚烯烃PO等）制成，具有较高的热膨胀系数。当加热环施加一定的温度（通常在40°C - 80°C范围内，具体温度取决于蓝膜类型和工艺需求），被加热区域的蓝膜受热膨胀。
  • ‌径向拉伸：‌ 蓝膜的膨胀是径向的（由中心向外辐射）。由于晶圆边缘的蓝膜被加热环固定住，而中心区域的蓝膜与晶圆和载物台固定，受热膨胀的蓝膜主要向其相对自由的‌径向方向‌伸展。
  • ‌增大芯片间距：‌ 蓝膜的径向膨胀直接导致附着在其表面的芯片（Die）也随之被向外拉伸。原本因切割应力而紧绷、间距很小的芯片，随着蓝膜的扩展，芯片之间的间隙（Die Street）被均匀地、可控地增大。
    

• ‌冷却定型（可选，但常用）：‌

  
  
  • 在达到所需的扩张量（通常以增加的百分比表示，如增加0.2% - 1.0%的面积或对应间距增加）并保持一段时间后，关闭加热。
  • 让蓝膜在扩张状态下自然冷却或辅助冷却。冷却过程中，蓝膜会略微收缩，但只要加热控制得当，大部分扩张变形会被保留下来（即发生塑性变形或应力松弛），芯片间距得以维持在新增大后的尺寸上。
    

• ‌机械扩张（辅助/可选）：‌

  
  
  • 除了加热膨胀，部分高性能扩晶机还结合了‌机械扩张机构‌。
  • 机械扩张通常是在加热膨胀的同时或之后，通过一个可移动的‌扩张环/伞‌来实现。这个环被设计成可以向下（或向外）运动，压在晶圆边缘的蓝膜区域或环形框架上。
  • 向下运动的扩张环进一步‌径向拉伸‌蓝膜，提供额外的、更精确可控的扩张力。这对于需要更大扩张量或更精确控制扩张均匀性的应用非常有效。
  • 机械扩张可以补偿单纯热膨胀可能存在的均匀性问题。
    

• ‌完成与卸载：‌

  
  
  • 当芯片间距达到设定的目标值并稳定后，扩张过程结束。
  • 加热环（和扩张环）抬起复位。
  • 扩张完成后的晶圆（芯片间距增大）被移出扩晶机，送入下一工序，如芯片外观检测（AOI）、芯片测试、或芯片分选/拾取（Die Attach）。
    

‌扩晶机工作的关键点：‌

• ‌依赖蓝膜特性：‌ 扩晶效果高度依赖于所用蓝膜的热膨胀系数、弹性模量和玻璃化转变温度等特性。不同的蓝膜需要不同的加热温度曲线。
• ‌均匀性与控制：‌ 加热的均匀性、温度控制的精确度以及机械扩张的同心度至关重要，直接影响最终芯片间隙增大的均匀性。不均匀扩张会导致芯片位置偏差，影响后续拾取精度。
• ‌扩张量可控：‌ 通过精确控制加热温度、时间以及机械扩张的位移量，可以精确控制芯片间距增大的幅度。
• ‌释放应力：‌ 扩张过程不仅增大了间距，同时也有效释放了切割过程中在晶圆和蓝膜内部积聚的应力，有助于减少芯片边缘崩裂（Chipping）和蓝膜褶皱（Wafer Warpage）。
  

‌总结来说，扩晶机的工作原理主要是利用蓝膜受热后显著的热膨胀特性，在加热环的固定和引导下，使蓝膜发生径向膨胀，从而附着其上的芯片向外移动，增大芯片间隙；辅以机械扩张机构，实现更精确和更大范围的扩张控制。最终目的是为高效率、高精度的芯片分选和拾取做好准备。