Reduciendo costes en la industria de fabricación de semiconductores

La presión para reducir costes y maximizar los ingresos es intensa en la industria actual, pero pocas industrias están bajo tanta presión como la de fabricación de semiconductores. Veamos en este artículo como el láser está impulsando su desarrollo.

La pureza de silicio requerida para la fabricación de semiconductores es costosa de obtener, así que los fabricantes son propensos a adoptar cualquier nueva técnica que pueda reducir costes. Entre las soluciones disponibles actualmente la tecnología láser es adecuada para sustituir algunas técnicas mecánicas obsoletas

Los componentes de semiconductores se producen en obleas circulares con espesor de alrededor de 100 µ y entre ocho y doce pulgadas en diámetro, con cientos de circuitos integrados o LEDs construidos en cada uno de ellos. El proceso de construir componentes individuales se conoce como dicing o corte en cubitos, y es un área en la que el procesado láser se ha probado útil para muchos fabricantes. La tecnología existente normalmente usada en estas aplicaciones es el corte en hojas – un proceso de serrado para dice las obleas. El problema es que causa mucho daño mecánico regional a las obleas. Donde se realiza el corte, el silicio sufre un efecto denominado astillado. El láser produce un corte más limpio. Este corte más limpio significa que no se introduce polvo en el ambiente de proceso y que no se requiere agua o lubricante. El proceso es también mucho más rápido que el aserrado, alcanzándose velocidades de corte de hasta 300 mm/s, comparado con 80 mm/s que se consiguen con el aserrado.

Asimismo, un procesado de obleas más rápido significa un mayor margen de beneficio, y además extraer el polvo de un ambiente de trabajo significa un plus. También hay que considerar que los costes de material son una motivación. No solamente evitamos el astillado causado al cortar, sino que además podemos conseguir una anchura de corte mucho más estrecha. La técnica de corte Hamamatsu´stealth´ puede alcanzar una técnica de corte de menos de una micra, mientras que una hoja convencional puede causar una pérdida de corte de 40µm o más.

Entre las aplicaciones del procesado láser de semiconductores encontramos en la fabricación de LED. El láser hecho a medida se requiere se requiere debido a la gran variación en los sustratos usados para obtener diferentes colores de luz. El marcado de números ID directamente en la oblea del LED es una aplicación común. Añadir un revestimiento de zafiro en particular puede proporcionar mejores prestaciones.

Otra de las tendencias actuales de la tecnología de semiconductores para minimizar el derroche de silicio es conseguir que las obleas sean cada vez más finas, y algunas son tan finas que no pueden procesarse apropiadamente a menos que se monten en algún transportador especial, tal como el vidrio por ejemplo. En estos casos, el láser se usa para delaminar la oblea del producto de las llamadas obleas de transporte.

A pesar de estos otros usos, dicing queda como la aplicación mejor establecida del láser en la cadena de suministro de LED y semiconductores. Los procesos dicing convencionales pueden consistir en cortes Scribe-and-break o through-thickness. En los procesos scribing el láser corta en aproximadamente un 30 % del espesor del material de la oblea, dependiendo de un proceso mecánico subsecuente para romper la oblea a lo largo de las líneas scribed. Diamond blades o UV laser scribers son métodos de separación de dispositivos LED.

Sin embargo, la presión para disminuir los costes de fabricación de LED ha impulsado la demanda de tecnologías dicing alternativas para incrementar el rendimiento y disminuir los costes de fabricación de una línea dicing de chip de LED.

Para cumplir esta demanda, Rofin ha desarrollado un proceso que es su laser de fibra de picosegundos para Scribe los sustratos de zafiro usados en la industria LED, que permite una alta calidad de procesado a altas velocidades, sin la necesidad de un costoso láser UV. Tal técnica es especialmente conveniente para la fabricación de LEDs de alto brillo, debido a una mínima pérdida de brillo y mínimo efecto térmico. Por ejemplo, una oblea de 4” con un espesor de 140 µm, tal proceso puede transmitir al menos un 50 % más de rendimiento que otros métodos, y podemos procesar hasta 400µm de espesor con una simple pasada.

Las técnicas de corte scribing y through-thickness ofrecen una gran ventaja sobre el serrado, pero hay todavía opciones de mejora en términos de minimizar pérdidas de material y daños en el borde del chip. Hamamatsu desarrolló su técnica “stealth dicing” en orden de mejorar el proceso de dicing del láser. El láser usado en el proceso varía de implementación a implementación; el único criterio clave es que la oblea debe ser transparente a la longitud de onda utilizada, es decir, próximo a IR para el silicio. El haz se enfoca a un punto dentro de la oblea, y no en su superficie, que calienta y da tensión al material, cortándolo desde el interior al exterior. El proceso deja la oblea lo bastante estable como para moverse, pero listo para ser separado. El láser causa pequeñas perforaciones dentro de la oblea. Una vez que la máquina ha dividido la oblea en el proceso, la oblea queda intacta, pero una expansión subsecuente del film al que la oblea está pegado abre el chip y le deja separarse. Además de producir cortes de justamente 1 µm en anchura, el proceso deja bordes excepcionalmente limpios, incluso relativo al scribing o corte laser convencional.

La técnica Hamamatsu es también capaz de tratar con obleas en capas. Actualmente, los fabricantes en vez de procesar una oblea de silicio simple están usando obleas conectadas entre sí, silicio–silicio ó silicio–vidrio por ejemplo. Es necesario cortar a diferentes profundidades dentro de la oblea, y ello es posible con la técnica stealth enfocando el láser a la parte de la oblea que el usuario desea dividir. La división de capas múltiples es actualmente posible con la tecnología láser. La técnica está ya establecida en el mercado asiático y se ha incorporado a máquinas cortadoras de chips por varias compañías.

Los chips de silicio no se venden en slivers de silicio, sino en paquetes encapsulados en polímeros con algún tipo de interface externa para conectarlas a un PCB. La tecnología láser permite cortar paquetes QFN reemplazando a sistemas de corte tradicionales. Los paquetes QFN se producen en grandes bloques moldeados antes de ser separados por un proceso de corte. En contraste a los sistemas de corte convencionales de obleas, el corte de QFN utiliza un láser y un proceso híbrido de serrado. Con un láser de disco o pulso extra-corto, el QFN puede cortarse en el sitio del cobre para conseguir aislamiento eléctrico. La separación final de los paquetes IC se hace después con un sistema estándar de serrado mecánico. La ventaja de tal proceso es que se incrementa la velocidad a la cual el sistema de sierra mecánica corta y se incrementa la calidad del paquete al reducirse efectos de manchas de cobre y otros efectos no deseables de la sierra mecánica.

En el futuro los circuitos integrados se moverán hacia una tercera dimensión, con muchas capas de silicio apiladas una sobre otras. Donde se necesita interconectar estas obleas, se requieren las denominadas through-silicon vías (TSVs). Ya se están desarrollando algunas técnicas para procesar estas estructuras. Las aplicaciones TSV representan un campo interesante, con su tecnología 3D para circuitos integrados donde el láser se utiliza para taladrar huecos a través de las obleas de silicio. El desafío queda en el hecho de que los huecos deben taladrarse con una precisión raramente requerida en el procesado de material. Como ejemplo diríamos que pueden necesitarse huecos tan pequeños como 8 µm en diámetro.

Precisión de touching

Midaz Lasers ha desarrollado un láser DPSS que emite una longitud de onda UV (355nm) con una frecuencia de pulso altamente inusual de más de 1 MHz. Este láser se ha probado útil para producir pantallas táctiles de las que encontramos en los teléfonos móviles inteligentes. Estos dispositivos, dependen de capas estructuradas de circuitería transparente, que se etched en una capa de indium tin oxide (ITO).

Bibliografía: Cutting costs with chips. Electro Optics. Issue 211 March 2011

Palabras clave: Saw hybrid process