砂輪劃片機(jī)主軸系統(tǒng)裝配精度對(duì)劃切槽質(zhì)量的影響

閆啟亮，田知玲，郎小虎，張 偉，常 亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京101601)

金剛石砂輪刀劃片機(jī)是利用薄片砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的切削能力，對(duì)硅片、玻璃、陶瓷、PCB、LED、NTC進(jìn)行切割的機(jī)器，在半導(dǎo)體等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛?；谠擃?lèi)設(shè)備研發(fā)中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)晶圓正崩、掉角、劃切槽較寬等現(xiàn)象，作者針對(duì)此現(xiàn)象提出影響該問(wèn)題的主要因素即主軸系統(tǒng)在裝配過(guò)程中，刀盤(pán)在笛卡爾坐標(biāo)系的位置，刀盤(pán)面與工作臺(tái)x、y、z三方向的平行度與正交性，并對(duì)此展開(kāi)分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性，為提高劃切槽的質(zhì)量提供可靠的依據(jù)。

1 刀盤(pán)端面結(jié)構(gòu)

劃片機(jī)工作機(jī)理是強(qiáng)力磨削，刀片是環(huán)行結(jié)構(gòu)，使用時(shí)通過(guò)螺帽和螺母安裝并固定于主軸電機(jī)刀盤(pán)座上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，刀片在主軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下進(jìn)行劃切。

2 主軸系統(tǒng)對(duì)劃切槽質(zhì)量影響

基于主軸冷卻水溫度及水壓正常，劃切過(guò)程中，預(yù)劃切的工藝流程、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度合理的情況下，主軸系統(tǒng)對(duì)劃切槽質(zhì)量的影響因素主要有以下幾方面。

圖1 刀盤(pán)端面結(jié)構(gòu)示意圖

(1)工作臺(tái)x軸與刀盤(pán)面的平行度。工作臺(tái)x向與刀盤(pán)面的平行度；其主要影響了劃切槽的寬度，如圖2所示：圖中黑色區(qū)域是砂輪刀片在正常安裝狀態(tài)時(shí)晶圓上的投影，填充斜線區(qū)域是砂輪刀片與工作臺(tái)x向完全平行狀態(tài)時(shí)在晶圓上的投影，理論上砂輪刀片與工作臺(tái)x軸向完全平行狀態(tài)時(shí)在晶圓上劃切槽寬度為砂輪刀片的寬度，即為填充斜線區(qū)域，實(shí)際裝配中，砂輪刀片位置為黑色區(qū)域，劃切槽的寬度為兩粗實(shí)線之間的距離，很顯然，劃切槽的寬度大于砂輪刀片的厚度。

圖2 工作臺(tái)x軸與砂輪刀面平行度

（2）工作臺(tái)z向與刀盤(pán)面的平行度即與晶圓平面的垂直度，其主要影響劃切槽背崩、缺角、爆邊。

a.當(dāng)工作臺(tái)z向與砂輪刀面的不平行時(shí)，在晶圓上理論劃切槽形狀如圖3所示，圖示中A所指的地方，就是晶圓中每一個(gè)交叉街區(qū)都會(huì)形成的理論交角。交角相對(duì)于其他四角更薄、更尖，晶圓硅片材料極脆。

圖3 z軸與砂輪刀面的平行度誤差

砂輪刀片在切削過(guò)程中與硅片受力分析，如圖4所示，晶圓硅片在受到切削力F的作用，將其正交分解，一是平行于工作臺(tái)x向的切削力Fx，另一個(gè)是垂直于晶圓面的力Fy，由于砂輪刀面與工作臺(tái)z向的不平行，造成與晶圓平面有一定的夾角，再有主軸法蘭盤(pán)的端面跳動(dòng)，使得砂輪刀面在切屑過(guò)程中不完全是一個(gè)平面，在垂直于晶圓面的力Fy的作用下，就會(huì)將A處尖角崩碎，致使晶圓在劃切完成后，有缺角缺陷出現(xiàn)，如圖5中B處所指的形狀。

圖4 砂輪刀片在切削過(guò)程中與硅片受力分析

圖5 與工作臺(tái)Z向不平行劃切后背面劃切槽形狀

b.砂輪刀片的結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖中可知砂輪刀片有砂粒、粘接劑，在強(qiáng)力切割過(guò)程中，砂粒脫落形成崩缺凹陷，同時(shí)中央部位的切屑不易排出，加上崩缺凹陷致使中央部位的切屑越積越多，對(duì)刀具中間的磨損逐漸加大，隨著加工次數(shù)的增加，中央部位過(guò)度磨損，形成凹形，較細(xì)的外側(cè)部位無(wú)法承受加工負(fù)荷，便會(huì)發(fā)生崩缺、脫落，造成劃切槽側(cè)崩或爆邊現(xiàn)象，砂輪刀片發(fā)生崩缺的過(guò)程如圖7所示。

圖6 砂輪刀片形狀及組成

圖7 砂輪刀片發(fā)生崩缺的過(guò)程

因此當(dāng)工作臺(tái)z向與砂輪刀面的不平行時(shí)，砂輪刀片在劃切過(guò)程中，C側(cè)面的切屑較之另一側(cè)更不容易排出，對(duì)C側(cè)磨損更大，較細(xì)的外側(cè)部位無(wú)法承受加工負(fù)荷，便會(huì)發(fā)生崩缺，由于強(qiáng)力切削，崩缺的強(qiáng)大沖擊力，對(duì)晶圓會(huì)造成側(cè)裂、崩邊和背崩，如圖8所示。

圖8 砂輪刀片與Z向不平行時(shí)發(fā)生崩缺的過(guò)程

(3）刀盤(pán)端面跳動(dòng)。從圖1可知，刀片是通過(guò)刀盤(pán)和刀座螺帽壓緊固定于刀盤(pán)之上。固定刀片時(shí)，刀盤(pán)端面與刀片環(huán)形面緊密接觸，如圖9所示，當(dāng)?shù)侗P(pán)螺母將刀片壓緊時(shí)，刀片正面一圈的環(huán)形面都受到來(lái)自刀盤(pán)端面的壓力，所以刀盤(pán)端面的平面度對(duì)刀片與其接觸面會(huì)產(chǎn)生很大的影響。然而刀盤(pán)和螺帽是鋼性材料，硬度大，而刀片環(huán)形圈是由鋁制材料制成，硬度小，偏軟。所以當(dāng)?shù)侗P(pán)螺母將刀片壓緊時(shí)，綜合以上因素，刀片由于受力影響，刀刃將產(chǎn)生軸向變形，如圖10所示，從而當(dāng)?shù)镀谥鬏S的驅(qū)動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，則相當(dāng)于刀刃的寬度增大。因此劃切時(shí)，首先劃切槽將變寬；其次由于邊緣的不規(guī)則和不光滑，則使得劃切邊緣崩邊變大、暴邊現(xiàn)象增多，進(jìn)一步使得側(cè)面產(chǎn)生裂紋，從而產(chǎn)生一系列的影響，劃切質(zhì)量整體下降。

圖9 刀盤(pán)端面與刀片受力圖解

圖10 刀片變形示意圖

3 工藝驗(yàn)證

由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的全自動(dòng)砂輪劃片機(jī)，是國(guó)內(nèi)砂輪劃片機(jī)首次進(jìn)入IC生產(chǎn)大線，生產(chǎn)線上對(duì)設(shè)備的劃切要求更高，傳統(tǒng)意義的理解，對(duì)主軸系統(tǒng)的安裝，應(yīng)該完全滿足生產(chǎn)的需求，在生產(chǎn)線上調(diào)試設(shè)備的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)一些精度指標(biāo)的理解還是有很大的局限性，生產(chǎn)線上對(duì)劃切槽的精度要求的各項(xiàng)指標(biāo)理解的不夠全面。

（1）晶圓的厚度僅為0.23mm左右，切割接觸面積很小，以傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念認(rèn)為，工作臺(tái)z向與主軸法蘭盤(pán)的平行度對(duì)劃切效果影響應(yīng)該不大，但實(shí)際上劃切后的晶圓芯片掉角現(xiàn)象嚴(yán)重，有時(shí)整個(gè)劃切槽的芯片都掉角，且掉角的方向一致，如圖5所示。經(jīng)調(diào)整主軸刀盤(pán)與z向的平行度，再次進(jìn)行劃切晶圓，劃切槽內(nèi)背崩大大改善，且芯片掉角現(xiàn)象基本沒(méi)有，完全滿足生產(chǎn)線的要求。

（2）在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量主軸刀盤(pán)端面與工作臺(tái)x向平行度、與工作臺(tái)z向平行度均在正常范圍內(nèi)，但劃切后劃切槽的背崩與掉角現(xiàn)象均較嚴(yán)重，劃切槽的寬度較之砂輪刀面的寬度較大，取下單個(gè)芯片檢查時(shí)，側(cè)裂的厚度超過(guò)芯片厚度的1/2，生產(chǎn)線的要求側(cè)裂的厚度不得超過(guò)芯片厚度的1/3，仔細(xì)檢查每一項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)主軸法蘭盤(pán)端面跳動(dòng)較大，再次對(duì)刀盤(pán)端面跳動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)片使用直徑200mm、厚260μm的純硅晶圓片，刀片采用NBCHEDD 35μm厚，劃切轉(zhuǎn)速40000 r/min，劃切進(jìn)給速度為50mm/s。端面精度分別是4μm和1μm。圖11，12，13分別是正面劃切槽圖像、背面圖像和斷面影像。

圖11 正面劃切槽圖像

圖12 背面劃切槽圖像（帶膜）

圖13 斷面影像

由圖13可以看出端面跳動(dòng)修整到2μm以內(nèi)時(shí)，劃切槽的寬度明顯減小，且背崩現(xiàn)象大大改善，掉角現(xiàn)象基本沒(méi)有，側(cè)裂的厚度小于芯片厚度的1/3。同時(shí)與日本的DAD 3350劃片機(jī)，以相同的切削條件，劃切厚度相同的晶圓，對(duì)劃切效果進(jìn)行相比較，經(jīng)生產(chǎn)線的質(zhì)量檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)，劃切質(zhì)量甚至超過(guò)DAD 3350劃片機(jī)劃切的質(zhì)量。

端面跳動(dòng)不僅影響劃切槽的質(zhì)量，同時(shí)還影響砂輪刀具的裝卸，砂輪刀具的安裝定位孔與芯軸的間隙在很小，端面跳動(dòng)較大時(shí)，鎖緊螺母鎖緊砂輪刀片在主軸法蘭盤(pán)上時(shí)，刀面就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，定位孔與芯軸之間產(chǎn)生擠壓，再之強(qiáng)力切割產(chǎn)生的應(yīng)力，使得定位孔與芯軸咬合，卸刀時(shí)就很難取下，容易造成刀具損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶圓的利用率進(jìn)一步提高，劃切街區(qū)要求越來(lái)越窄，對(duì)劃切槽的寬度、背崩、側(cè)裂等要求也越來(lái)越苛刻，對(duì)主軸系統(tǒng)的精度、可靠性與穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，亟待主軸系統(tǒng)的裝配技術(shù)更大的提高，以保證IC生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備的要求。

[1]劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

[2]袁慧珠.精密砂輪劃片機(jī)的設(shè)計(jì)及精度分析［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2004（3）：18-24.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第二卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.