張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在金剛石單線切割設(shè)備上的應(yīng)用

衣忠波，王仲康，楊生榮

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所材料設(shè)備事業(yè)部，北京東燕郊065201)

近年來，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料得到了迅速發(fā)展。碳化硅作為目前發(fā)展最成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的性能可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高頻、高功率、高壓以及抗輻射的新要求。碳化硅材料硬度極高，在自然界僅次于金剛石，加工難度大。目前碳化硅的切割是碳化硅生產(chǎn)應(yīng)用過程的瓶頸，急需解決。

1 單線切割技術(shù)的介紹

單線切割技術(shù)采用金剛石磨粒作為固定磨料，可以很好的切割碳化硅等高硬度的材料。固定金剛石磨粒單線切割是將微小的金剛石顆粒以各種方法固定在微細(xì)的鋼線上做成切割線(見圖1、圖2)，通過一定的布線方式使金剛線在放線輪和收線輪之間以一定的速度往返運(yùn)動(dòng)，通過切割線上眾多磨粒的微量切削作用來達(dá)到去除材料、切割薄片。

圖1 金剛線放大圖

圖2 金剛石線橫截面的結(jié)構(gòu)放大圖

在切割過程中，為了獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，必須使切割線的張力均勻變化，防止由于張力突變而導(dǎo)致切割線斷線。由于金剛石切割線價(jià)格昂貴,切割過程的斷線不僅會(huì)耽誤加工進(jìn)度，影響切片精度，還會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在單線切割設(shè)備中，必須增加張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在張力突然變化的情況下減小張力的波動(dòng)范圍，對(duì)張力的變化突變起緩沖作用，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，有效降低斷線風(fēng)險(xiǎn)。

2 張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國外設(shè)備的應(yīng)用

目前，國外的單線切割設(shè)備的張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)大多是僅采用氣缸調(diào)節(jié)。如圖3在設(shè)備后采用張力調(diào)整輪與氣缸活塞桿連接。在切割線張力發(fā)生變化的時(shí)候，切割線對(duì)張力調(diào)整輪的力發(fā)生變化，從而引起氣缸活塞桿受力發(fā)生變化。切割線張力、氣缸壓力以及金剛石線通過張力調(diào)整輪后形成的自然角度的變化，來形成一種平衡關(guān)系。該機(jī)構(gòu)包含三個(gè)要素：張力、氣缸壓力以及金剛石線通過緩沖輪后形成的自然角度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

T(csaα+cosβ)=PA

T為切割線的張力

α、β為線與水平方向的夾角

PA為氣缸推力

從上述關(guān)系可知，在假定氣缸壓力不變的情況下，當(dāng)線中張力增加時(shí)，α、β同時(shí)增大，氣缸推力在線絲中的分力相應(yīng)減小。

圖3 國外單線切割設(shè)備

這種設(shè)備由于僅僅采用氣缸進(jìn)行張力變化的緩沖，由于氣缸變化的滯后性，以及反應(yīng)的靈敏性的局限性，不能對(duì)張力的變化進(jìn)行即時(shí)調(diào)節(jié)，影響張力調(diào)節(jié)的效果，不能達(dá)到有效的張力調(diào)節(jié)。

3 張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國內(nèi)單線切割設(shè)備的應(yīng)用

3.1 張力調(diào)節(jié)原理介紹

這種單線切割設(shè)備采用的是超低摩擦氣缸和拉簧的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行切割線張力的調(diào)節(jié)，見圖4。氣缸采用BF隔膜形成完全密封，基本上不存在氣體的泄漏；依靠隔膜的滾動(dòng)作用，摩擦變得極小，同時(shí)具有響應(yīng)速度快，壓力控制精度高的特點(diǎn)。設(shè)備采用了超精密氣動(dòng)控制閥，具有優(yōu)異的減壓特性、壓力特性、流量特性，特別是超高減壓靈敏度，能夠保證在切割線壓力發(fā)生突然變化時(shí)，能夠快速響應(yīng)，滿足控制的要求。拉簧的存在能夠拉力的瞬間變化，以適應(yīng)張力的瞬間變化，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。

由于張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的存在，當(dāng)系統(tǒng)張力發(fā)生變化的情況下，氣缸推動(dòng)張力臂左右擺動(dòng)，能有效的對(duì)張力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止張力突變而引起斷線。緩沖原理從物理模型上講它是一個(gè)三力平衡體系，當(dāng)切割線中張力突然增大時(shí)，氣缸活塞桿所受壓力增大，氣缸被壓縮，缸體中的壓力隨之增大，氣動(dòng)系統(tǒng)通過氣動(dòng)控制閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，釋放出多余壓力，因此，氣缸會(huì)在新的位置保持壓力恒定。另一方面，彈簧變形量減小，彈簧拉力減小從而自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)張力的增大，反之，亦然。

圖4 張力調(diào)節(jié)模型圖

3.2 建立張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

按圖3結(jié)構(gòu)，根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程可以建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

則上述微分方程可整理為：

方程(2)的通解為

其中A、θ為積分常數(shù)，由初始條件決定。轉(zhuǎn)角由兩部分組成，由于阻尼的存在，第一部分振動(dòng)隨時(shí)間增加，呈指數(shù)衰減，但這一過渡過程性能對(duì)綱絲線的瞬態(tài)張力是有影響的(見圖5)，當(dāng)瞬態(tài)張力在金剛石線中產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生斷線現(xiàn)象。第二部分是受迫振動(dòng)。其振動(dòng)頻率等于激振力頻率振幅為：

從式(4)可以看出，機(jī)構(gòu)輸出振幅隨頻率差的增加而減小。

圖5 張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)瞬態(tài)性能

ω0，即系統(tǒng)固有頻率，當(dāng)ω=ω0時(shí)其擺角φ的振幅可求出：

這時(shí)，張力調(diào)節(jié)輪的振幅為：

式中

F0sinωt—綱絲線張力

m—轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量

l—結(jié)構(gòu)參數(shù)

φ—轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度

從(3)式可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)是一正弦曲線(見圖6)，當(dāng)激振頻率小于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)與載荷同相，即擺角沿著載荷增大的方向運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)與載荷反相，且振幅迅速減小。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)與載荷關(guān)系曲線圖

從穩(wěn)態(tài)情況看，當(dāng)金剛石線中張力增大時(shí)，氣缸被壓縮，彈簧縮短，彈簧變形減小，彈性力降低，從而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。數(shù)學(xué)表達(dá)式如式8所示

從8式中看出，張力T的變化與轉(zhuǎn)角φ成函數(shù)關(guān)系，因此，可以通過檢測(cè)轉(zhuǎn)角的大小而間接獲得張力的大小，從而進(jìn)行對(duì)張力大小的監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)表明，單線切割機(jī)的切割線的張力變化是影響晶片切割質(zhì)量、減少斷線的重要因素，必須增加合理的張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，才能保證得到較好的切割效果。國內(nèi)的該種張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在應(yīng)用中，取得了很好的效果。

4 結(jié)束語

本文闡述了單線切割設(shè)備切割線張力變化的影響及調(diào)節(jié)的必要性，以及張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國內(nèi)外單線切割設(shè)備上的應(yīng)用。隨著通態(tài)電阻低并且散熱性好的碳化硅器件的迅速發(fā)展，針對(duì)硬度極高的碳化硅材料的線切割設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)也將更加激烈，促使我們必須不斷增加單線切割技術(shù)的技術(shù)積累。

[1]韓鄭生等譯，半導(dǎo)體制造技術(shù)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2004.8-2.

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