全自動雙軸精密劃片機的研制*

尹韶輝， 廖啟圣， 胡 天， 龔 勝， 陳逢軍

(1. 湖南大學(xué)， 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心， 長沙 410082)(2. 長沙華騰智能裝備有限公司， 長沙 410082)

精密劃片機主要用于硅片、玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷、砷化鎵、鐵氧體等材料的加工，廣泛應(yīng)用于集成電路(IC)、半導(dǎo)體、LED、光學(xué)元器件等行業(yè)。在集成電路的后封裝工藝過程中，切割半導(dǎo)體芯片是第一道工序[1]，芯片分離要求切縫窄、崩邊小、裂紋少、無分層[2]，設(shè)備切割的質(zhì)量與效率直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。

劃片機作為半導(dǎo)體后序加工設(shè)備之一，受到了國內(nèi)外各廠商的重視。日本DISCO公司在1972年研制出了世界上第一臺砂輪劃片機[3]。目前，市場上使用的主流劃片機主要來自國外，包括日本DISCO、韓國NEONTHCH、以色列ADT等公司。國內(nèi)對劃片機的研究起步較晚。馮曉國等[4]研制的劃片機，其主軸創(chuàng)新性地通過杠桿來實現(xiàn)升降運動，使行程達(dá)到了300 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到1.0 μm。中國電子科技集團第四十五研究所[5]研制了HP-602型精密自動劃片機，其整機集成了直線滾動導(dǎo)向、空氣靜壓支承、計算機運動控制等技術(shù)，實現(xiàn)了機床的對準(zhǔn)、自動劃切和故障診斷等功能。張明明等[6]在研制ZSH5型砂輪劃片機中利用擬合曲線與光柵反饋值進行精度補償，進一步提高了定位精度。但國內(nèi)研制的劃片機相對于國外先進的劃片機，切割質(zhì)量較差、切片效率偏低。為解決國內(nèi)劃片機嚴(yán)重依賴進口的局面，研制加工質(zhì)量好、效率高的劃片機具有重要意義。

為提高切片效率，減少人工成本，我們研制了一種應(yīng)用超薄金剛石砂輪劃片工藝的雙軸精密劃片機。該劃片機采用視覺系統(tǒng)自動對刀，并配備了自動上下料系統(tǒng)，大大提高了劃片質(zhì)量和切片效率。

1 劃片機的結(jié)構(gòu)布局與工作過程

本次研制的雙軸劃片機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機采用雙軸龍門式結(jié)構(gòu)。為了節(jié)省空間，Y1軸電機②和Y2軸電機③安裝在同一側(cè)，并采用光柵尺⑨反饋實現(xiàn)全閉環(huán)控制，以提高Y軸的定位精度。主軸一⑥與主軸二⑩采用對向雙軸式安裝結(jié)構(gòu)，其基座⑧和⑨分別安裝在Z1軸和Z2軸上，通過Z軸的升降運動實現(xiàn)劃片過程中的抬刀和落刀功能。旋轉(zhuǎn)工作臺安裝在X軸上，采用DD馬達(dá)直接驅(qū)動的方式來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，確?；剞D(zhuǎn)精度。

光學(xué)成像自動對刀系統(tǒng)⑦安裝在Z1軸上,包含了CCD相機、鏡頭和光源。通過對OpenCV開源庫的改進和二次開發(fā)，實現(xiàn)了相機圖像的去雜質(zhì)處理、清晰度評價和亞像素級別的模版匹配，配合X軸、Y1軸、Z1軸和轉(zhuǎn)臺的運動實現(xiàn)機床的自動對焦功能和高精度、高識別率的特征識別功能，從而實現(xiàn)高精度自動對刀。

相比于國內(nèi)傳統(tǒng)的單主軸、手動上下料劃片機，本次研制的劃片機結(jié)構(gòu)布局簡單、緊湊、定位精度高。上下料系統(tǒng)可有效利用機床的剩余空間，在不增加機床占地面積的同時，提高設(shè)備的自動化程度。視覺系統(tǒng)為自主研發(fā)，不僅可降低生產(chǎn)成本，而且能提高效率和精度。整機設(shè)備外觀如圖2所示。

2 機床性能的檢測結(jié)果

采用雷尼紹XL-80激光干涉儀等精密檢測儀器對該雙軸劃片機的性能進行檢測，主要的檢測項目包括各軸的運動行程、Y軸與Z軸的定位精度和重復(fù)定位精度、旋轉(zhuǎn)工作臺的角度誤差、最大切片速度、主軸轉(zhuǎn)速范圍、工作臺的平面度以及切片效率等。其中切割效率采用的評價指標(biāo)是以最大切割速度來加工LED芯片，每小時可獲得的芯片顆粒數(shù)。檢測結(jié)果如表1所示，與其他單軸劃片機相比(表2)，本次研制的劃片機在加工范圍、Y軸定位精度、Z軸重復(fù)定位精度以及切片效率上有了很大提高。

表1 雙軸劃片機性能的檢測結(jié)果

表2 其他單軸劃片機的部分性能

其中，定位精度的檢測方法如下：Y軸系從原點起將行程按25 mm等分，Z軸系從原點起將行程按5 mm等分，使用激光干涉儀測量運動軸運動至各個位置點時實際位置與指令位置的誤差。Y軸系與Z軸系的測量結(jié)果如圖3、圖4所示。

3 劃切試驗及分析

為了驗證所研制劃片機的性能，對常用的加工材料：φ50.8 mm×0.5 mm的圓形藍(lán)寶石基片、120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型號LED芯片基板和φ76.2 mm ×0.5 mm的圓形硅片進行加工。選用超薄金剛石砂輪刀片，刀具參數(shù)如表3所示。

表3 刀具特性

使用超景深VHX1000和金相顯微鏡來觀察并測量刀片劃切深度、劃切位置的偏差以及切縫的相對縫寬和崩邊寬度，以此來驗證該機床的精度和劃片質(zhì)量。試驗的工藝參數(shù)如表4所示。

3.1 劃切深度的精度驗證

試驗使用樹脂軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對φ50.8 mm×0.5 mm圓形藍(lán)寶石基片進行劃切，每次劃切前，采用測高對刀具磨損進行補償。如圖5所示，劃片機在劃片時，首先將藍(lán)寶石基片粘在UV膜上表面，然后通過真空固定在工作臺上。使用其他劃片機劃切時，劃切溝槽的實際深度與設(shè)計深度的最大誤差一般達(dá)到了8.0 μm。

表4 工藝參數(shù)

使用超景深VHX1000測量加工后的溝槽形貌，得到溝槽的三維形貌圖如圖6所示。測量點的分布如圖7所示，即在軸一與軸二所切的溝槽上各取25個測量點進行測量。測量結(jié)果如圖8所示。

從圖8可看出：軸一所切溝槽的實際深度與設(shè)計深度的最大誤差為5.2 μm，軸二所切溝槽的實際深度與設(shè)計深度的最大誤差為4.8 μm，與其他劃片機相比，劃切深度的誤差降低。在劃片機中，影響劃切溝槽深度精度的主要因素是工作臺的平面度和Z軸系的重復(fù)定位精度。工作臺越平整、Z軸系重復(fù)定位精度越高，劃切深度的綜合誤差就越小。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機的工作臺平面度和Z軸系的重復(fù)定位精度滿足劃切深度的精度要求。

3.2 劃切位置的精度驗證

試驗使用電鍍軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型號LED芯片基板進行劃切。如圖9所示，該工件由多個小芯片組成，在芯片與芯片間預(yù)留了待切割的切割道，稱為理想切割道，其寬度為0.3 mm。在劃切工件時，劃痕不能越出工件的理想切割道，否則會將芯片損壞。使用其他劃片機劃切時，切痕的實際位置與設(shè)計位置(即理想切割道中心)的最大誤差一般達(dá)到7.0 μm。

劃切后實物圖如圖10所示。采用精密金相顯微鏡對劃痕進行采樣和測量，測量方法如下：首先測出切痕的寬度d1，然后測出理想切割道上邊緣與切痕上邊緣的距離d2，最后計算切痕的實際位置與設(shè)計位置的誤差T，計算公式如式(1)：

(1)

其中：d1、d2為寬度或距離值，單位為mm；T為誤差值，單位為μm。

分別取軸一與軸二所切的10條切痕進行測量，測量結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：軸一切痕的實際位置與設(shè)計位置的最大誤差為4.7 μm，軸二切痕的實際位置與設(shè)計位置的最大誤差為4.8 μm。與其他劃片機相比，劃切位置的誤差降低。在劃片機中，影響劃切位置精度的主要因素是Y軸的定位精度，Y軸的作用是帶動主軸進行分度進給，其定位精度越高，切痕實際位置與設(shè)計位置的誤差就會越小。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機Y軸系的定位精度滿足劃切位置的精度要求。

3.3 劃切質(zhì)量驗證

試驗使用樹脂軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對φ76.2 mm ×0.5 mm圓形硅片進行劃切。硅片劃切質(zhì)量的評價指標(biāo)主要是最大崩邊寬度和切縫寬度[7]，如圖12所示。

采用超景深VHX1000對切縫進行采樣，測量其最大崩邊寬度Cmax和切縫寬度K，為了消除刀片厚度的影響，采用相對縫寬Kwr作為劃切質(zhì)量的評價指標(biāo)，計算公式如式(2)：

(2)

其中：Tr表示刀具厚度，單位為mm。

使用其他劃片機劃切硅片時，最大的崩邊寬度達(dá)到了12 μm，最大的相對縫寬達(dá)到了1.10，劃切表面易出現(xiàn)毛刺。

各取軸一與軸二所切的5條切縫進行測量，測量結(jié)果如圖13、圖14所示。結(jié)果表明：軸一與軸二所切切縫的相對縫寬在1.04以內(nèi)，最大的崩邊寬度為9.5 μm，劃切表面平整光滑、無毛刺，與其他劃片機相比，劃片的質(zhì)量得到了明顯的提高。在劃片機中，影響劃切質(zhì)量的主要因素是刀盤面與X軸的平行度、刀盤面與工作臺Z向的平行度和刀盤的端面跳動[8]。刀盤面與X軸平行度越高、與工作臺Z向的平行度越高、其端面跳動越小，則劃切質(zhì)量就會越高。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機的性能滿足劃切質(zhì)量的要求。

4 結(jié)論

研制的劃片機結(jié)構(gòu)上不僅能夠同時使用雙主軸進行劃切，而且設(shè)計了自動上下料結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多盤的全自動切割，大大提高了設(shè)備的切片效率。自主研發(fā)的視覺對刀系統(tǒng)，可實現(xiàn)精準(zhǔn)快速的自動對刀功能。經(jīng)過檢測，Y1/Y2軸的全程定位精度達(dá)到1.5 μm，Z1/Z2軸的重復(fù)定位精度達(dá)到1.0 μm，與其他劃片機相比，各軸的定位精度和重復(fù)定位精度得到提高；切片效率提升80%。通過劃切試驗，該設(shè)備劃切的深度誤差不超過5.2 μm，位置誤差不超過4.8 μm，同時切縫的寬度和崩邊寬度小，表面光滑無毛刺。與其他設(shè)備相比，其加工誤差更低、劃片質(zhì)量更高，劃片機的加工性能明顯提升。