藍(lán)寶石多線切割設(shè)備及切割技術(shù)

呂文利，王理正，劉嘉賓

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙， 410000）

藍(lán)寶石多線切割設(shè)備及切割技術(shù)

呂文利，王理正，劉嘉賓

（中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙， 410000）

介紹了藍(lán)寶石多線切割機的發(fā)展技術(shù)背景，并就中國電子科技集團公司第四十八研究所基于金剛石線多線切割自主研發(fā)的X0730-3/UM型線切割機詳細(xì)的介紹，性能特點，關(guān)鍵技術(shù)以及切割工藝實驗分析，就金剛石線多線切割機理分析以及應(yīng)用進(jìn)行了初步的探討。

多線切割；金剛石線；恒張力控制；搖擺切割

傳統(tǒng)上一般晶棒/錠切成片狀的方式是內(nèi)圓切割，這種切割機的刀片刃口厚度在0.28～0.35 mm之間，加工效率較低，材料損耗大，出片率低，晶片表面質(zhì)量較低,難以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且隨著晶圓直徑的增大和第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，內(nèi)圓切割加工受到其本身結(jié)構(gòu)的限制使得切片切割過程逐漸困難，所以內(nèi)圓鋸片切割的加工方式在第三代半導(dǎo)體材料和大直徑大批量晶片生產(chǎn)中逐漸被邊緣化。

20 世紀(jì)90年代發(fā)展起來的線切割技術(shù)的成熟應(yīng)用，成功地滿足了大片徑、低損耗和相對較高表面質(zhì)量的晶片切割需要。線切割晶圓技術(shù)剛開始是運用游離磨粒的方式，也就是利用線帶動游離磨粒（如碳化硅等），傳統(tǒng)的金屬切割線如圖1所示，使在工件和線中間的磨粒對工件進(jìn)行磨切割。但是游離磨粒的缺點在于，因為磨粒和工件實際接觸到的面積較小，造成材料移除率較小，所以需要較長的加工時間；而另外一個缺點在于，如須加工更硬、更難以切割的工件（如藍(lán)寶石、碳化硅），則游離磨粒的方式將難以對工件的表面達(dá)到預(yù)期的切割。

圖1 傳統(tǒng)的金屬切割線

為了改善上面的缺點，切割碳化硅、藍(lán)寶石等硬度大的材料，固定金剛石磨料線切割技術(shù)應(yīng)運而生，這種加工技術(shù)通常是使用電鍍的方法將金剛石磨料固定在鋼絲表面（如圖2所示）,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲得運動速度和一定的壓力對硅材料進(jìn)行磨削加工,相比游離磨料多線鋸的"三體加工",它屬于"二體加工"，其加工效率是游離磨料多線鋸的數(shù)倍以上。金剛石單線切割機以其獨特的優(yōu)勢成為第三代半導(dǎo)體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。

圖2 電鍍金剛石線

1 整機介紹

X0730-3/UM型多線切割機主要用于碳化硅、藍(lán)寶石等脆硬材料的高效切割。該設(shè)備由中國電子科技集團公司第四十八研究所自主研發(fā)，具有4項發(fā)明、4項實用新型專利，切割晶片最薄厚度可達(dá)160 μm。與傳統(tǒng)游離態(tài)多線切割比較，具有切割效率高、切片質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保，切割厚度可設(shè)定（0.16～5 mm）等特點。設(shè)備整體見圖3所示，性能參數(shù)見表1。

圖3 多線切割設(shè)備

表1 設(shè)備性能參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)描述及實施方法

X0730-3/UM型多線切割機是以金剛石線作為切割線的一種硬脆材料切割設(shè)備，具有切割線張力穩(wěn)定（張力波動小于±1 N）、切片表面粗糙度（Ra）可達(dá)0.3 μm等技術(shù)特點，既可用于硅材料的高效切割、也可用于藍(lán)寶石等硬脆材料的切割，技術(shù)水平處于世界同類設(shè)備領(lǐng)先地位。工藝實驗表明，同美國DWT公司、瑞士M&B、日本高鳥公司（圖4）的多線切割機的技術(shù)指標(biāo)相比較，無論是從切片質(zhì)量、效率，還是斷線率，性能與國外同類設(shè)備相當(dāng)，部分指標(biāo)甚至優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，目前已有多家正在使用國外同類設(shè)備的用戶用該設(shè)備試切材料后表示相當(dāng)滿意。設(shè)備切割材料結(jié)果見圖 5、圖 6。

圖4 日本高鳥MWS-612DD型多線切割機

圖5 藍(lán)寶石切割晶片顯微鏡觀測圖（50倍）

圖6 藍(lán)寶石切片表面質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

X0730-3/UM型多線切割機能夠成功研制，其關(guān)鍵在于解決了基于獨特的張力反饋技術(shù)下的切割線恒張力閉環(huán)控制方式，同時配合張力緩沖、搖擺切割和自動排線等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備控制原理如圖7所示。研制成功后，經(jīng)過大量的切割工藝實驗，優(yōu)化切割工藝參數(shù)，建立切割工藝參數(shù)庫，能夠針對不同材料的物理特性均能保證切割質(zhì)量與切割效率。兩個收放線輪、兩個張緊輪、兩個導(dǎo)向輪組成的布線結(jié)構(gòu)，運行中切割線運動整體靜止不動，工件進(jìn)給機構(gòu)向下運動的切割方式，切割原理如圖8所示。

圖7 X0730-3/UM型多線切割機控制原理圖

圖8 X0730-3/UM型多線切割機切割原理圖

X0730-3/UM型多線切割機是通過有效的科學(xué)計算，數(shù)學(xué)建模，實驗驗證并改進(jìn)優(yōu)化，全新自主開發(fā)設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)、智能控制、切割方式，有效地解決了藍(lán)寶石等硬脆材料的金剛石多線切割的技術(shù)難題。主導(dǎo)輪可同時開800條平行等間距（0.34 mm＜槽距＜1 mm）金剛石線導(dǎo)向槽，可以實現(xiàn)一次多片切割，大大地提高了設(shè)備的切割效率。設(shè)備采用臺式的整體結(jié)構(gòu)，在設(shè)備研制生產(chǎn)后，先后對碳化硅、藍(lán)寶石（見圖9）、鉭酸鋰、鈮酸鋰、壓電陶瓷、玻璃等材料進(jìn)行針對性的切片、切方、切斷等形式的切割，取得了較理想的效果。

圖9 藍(lán)寶石切割

在切割實驗中，通過對實驗數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，進(jìn)給速度對切片的表面質(zhì)量，表面粗糙度、TTV值有著直接明顯的影響。進(jìn)給速度在小于0.2 mm/min時，能夠獲得更好的切割表面質(zhì)量，在大于0.5 mm/min時能夠獲得更好的切割效率，進(jìn)給速度越小，表面質(zhì)量越好，但是在實際使用過程中，既要保證切片質(zhì)量，又要切片效率，在切割能力范圍內(nèi)，表面質(zhì)量與切割效率有著根本的沖突，所以在設(shè)備實際使用過程中，用戶可根據(jù)的實際需求，可以在表面質(zhì)量與切割效率之間有所取舍，發(fā)揮設(shè)備的最大性能。

切割能力隨著切割材料硬度的增加而下降，所以對于不同硬度的材料具有不同的切割能力，在設(shè)備的實際使用過程中，為獲得更高的切割效率可以選擇較高的切割進(jìn)給速度，但進(jìn)給速度不能超過該硬度材料的最大進(jìn)給速度。

總之，對于金剛石線切割工藝而言，影響TTV值、表面粗糙度的因素是多方面的，如金剛石線的質(zhì)量、金剛石線的振動、換向時間、潤滑冷卻液的物理成分流量大小、導(dǎo)輪材料的耐磨性與剛度以及新線進(jìn)給量等等都要影響切割質(zhì)量。通過近一年的藍(lán)寶石、微晶玻璃、釹鐵棚等硬脆材料的切割工藝實驗，已取得了可指導(dǎo)工藝生產(chǎn)的基本參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫，可為設(shè)備的實用化應(yīng)用提供支撐。

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The Diamond Wire Saw for Sapphire and Cutting Technique

LV Wenli，WANG Lizheng，LIU Jiabin
（The 48thResearch Institute of ECTC，Changsha 410111,China）

Abstract:This paper introduces the background of the development of technology of sapphire of multi wire cutting machine,And the forty-eighth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation based on the diamond wire cutting of independent research and development of X0730-3/UM type line cutting machine in detail,Performance characteristics,key technology analysis and experiments on the diamond，diamond wire cutting mechanism analysis and application are discussed.

Keywords:Multi-wire saw；The diamond wire；Constant tension control；Sway cutting

TN305.1

B

1004-4507（2013）07-0028-04

2013-06-13

呂文利（1979-），男，河南省原陽人，碩士研究生，工程師，主要從事半導(dǎo)體及光伏裝備的研發(fā)。