藍(lán)寶石襯底片背面減薄磨削加工試驗(yàn)分析

□ ?？P □ 張 毅 □ 韓 欣 □ 李國(guó)偉 □ 陳曉強(qiáng)

鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司 鄭州 450001

1 分析背景

藍(lán)寶石以優(yōu)良的物化性質(zhì)和光電特性成為發(fā)光二極管的主要襯底材料[1]。藍(lán)寶石在經(jīng)歷長(zhǎng)晶、掏晶棒、外圓加工、切片、雙端面研磨、外圓倒邊后,制成標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)寶石襯底片,然后采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積在襯底片上進(jìn)行外延層生長(zhǎng)[2-3]。最后對(duì)襯底片背面進(jìn)行減薄磨削、拋光、切割,制成發(fā)光二極管芯片。發(fā)光二極管芯片制造工藝流程如圖1所示。藍(lán)寶石襯底片材料導(dǎo)熱性較差,為防止發(fā)光二極管有源區(qū)過大的溫升對(duì)光輸出特性和使用壽命產(chǎn)生影響,在完成蒸鍍刻蝕等工序后,還需要對(duì)藍(lán)寶石襯底片的背面進(jìn)行減薄加工,從而達(dá)到改善芯片散熱性能的目的[4]。藍(lán)寶石襯底片背面磨削減薄至一定尺寸,可以滿足后續(xù)劃片、裂片、封裝的工藝要求[5]。

在流體磨料研磨條件下,趙欣等[6]研究了不同拋光參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石襯底片化學(xué)機(jī)械拋光質(zhì)量的影響,楊磊等[7]系統(tǒng)性分析了銅拋與化學(xué)機(jī)械拋光的壓力、轉(zhuǎn)速、時(shí)間對(duì)藍(lán)寶石襯底片表面質(zhì)量與加工效率的影響。以上研究對(duì)藍(lán)寶石襯底片精密加工技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用,但是業(yè)內(nèi)采用固結(jié)砂輪進(jìn)行藍(lán)寶石襯底片背面減薄磨削加工的研究還較少。在襯底片背面減薄磨削加工中,如何減少藍(lán)寶石襯底片產(chǎn)生的劃傷、碎邊、總厚度變化超差等缺陷,提高襯底片背面減薄磨削加工的效率和合格率,有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本,是當(dāng)下光電企業(yè)十分關(guān)心的問題。筆者通過開展磨削試驗(yàn),研究襯底片背面減薄磨削過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)、冷卻水溫度等對(duì)藍(lán)寶石襯底片磨削效率和磨削質(zhì)量的影響規(guī)律,為藍(lán)寶石襯底片磨削加工工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。

▲圖1 發(fā)光二極管芯片制造工藝流程

2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備為32BSG-V型輪磨加工機(jī),單次可加工五片直徑為101.6 mm的藍(lán)寶石襯底片,砂輪外徑為305 mm,磨料粒徑為45 μm。測(cè)量?jī)x器有SJ-210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x、AS-882A型手持紅外測(cè)溫儀。檢測(cè)工作臺(tái)安裝有ID-C112MXB型數(shù)顯千分表,工作臺(tái)規(guī)格為φ480 mm×20 mm,有效區(qū)域平面度為0.001 mm。試驗(yàn)中還使用FEI-Inspect S50型掃描電子顯微鏡。

3 試驗(yàn)方案

在32BSG-V型輪磨加工機(jī)上開展三組藍(lán)寶石襯底片背面減薄磨削加工試驗(yàn),磨削加工方式如圖2所示。砂輪與貼有藍(lán)寶石襯底片的陶瓷載盤同向旋轉(zhuǎn),砂輪軸定量進(jìn)給。第一組以砂輪轉(zhuǎn)速為單一變量,磨削進(jìn)給量為0.03 mm/min,陶瓷載盤轉(zhuǎn)速為60 r/min,所用耗材保持不變,在800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min的砂輪轉(zhuǎn)速下,分別加工200片藍(lán)寶石襯底片,襯底片厚度由310 μm統(tǒng)一減薄至130 μm。對(duì)32BSG-V型輪磨加工機(jī)負(fù)載表征電流和磨削加工后的藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量進(jìn)行記錄。

▲圖2 磨削加工方式

第二組以磨削進(jìn)給量為單一磨削參數(shù)變量,陶瓷載盤轉(zhuǎn)速為60 r/min,,所用砂輪保持不變,砂輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,在0.02 mm/min、0.04 mm/min、0.06 mm/min、0.08 mm/min的磨削進(jìn)給量下,將藍(lán)寶石襯底片由310 μm減薄至210 μm、170 μm、150 μm、130 μm等目標(biāo)厚度。每種目標(biāo)厚度的藍(lán)寶石襯底片各加工200片,記錄四種磨削進(jìn)給量下不同目標(biāo)厚度藍(lán)寶石襯底片的合格數(shù)量。

第三組以前兩組試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù),選定一組合理的磨削工藝參數(shù),將藍(lán)寶石襯底片厚度統(tǒng)一減薄至150 μm,設(shè)置不同的冷卻水溫度,觀察冷卻水溫度變化對(duì)藍(lán)寶石襯底片磨削質(zhì)量的影響[8-9]。

藍(lán)寶石襯底片磨削質(zhì)量合格的標(biāo)準(zhǔn)為,單片總厚度變化不大于10 μm,減薄目標(biāo)厚度公差范圍為±5 μm,表面粗糙度Ra小于 0.3 μm,襯底片表面無異常劃痕、碎邊。在檢測(cè)工作臺(tái)上測(cè)量藍(lán)寶石襯底片總厚度變化值時(shí),每片需選取五個(gè)目標(biāo)厚度測(cè)量點(diǎn),五個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別為中心點(diǎn)及周向均布的四個(gè)點(diǎn),周向的四個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離襯底片邊緣7 mm左右。五個(gè)測(cè)量點(diǎn)中厚度最大值減去最小值即為藍(lán)寶石襯底片總厚度變化值[10]。表面粗糙度值采用SJ-210型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量,由于單次加工的五片藍(lán)寶石襯底片表面粗糙度基本一致,因此隨機(jī)抽取一片進(jìn)行測(cè)量即可。

4 砂輪轉(zhuǎn)速影響

第一組試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出,砂輪轉(zhuǎn)速在800～1 200 r/min內(nèi),隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高,加工藍(lán)寶石襯底片的合格數(shù)量呈上升趨勢(shì),輪磨加工機(jī)負(fù)載表征電流波動(dòng)不大。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1 400 r/min時(shí),負(fù)載表征電流增大明顯,輪磨加工機(jī)出現(xiàn)間斷性報(bào)警停機(jī)現(xiàn)象,加工的藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量也急劇下降,不合格項(xiàng)主要是碎邊。

▲圖3 砂輪轉(zhuǎn)速與合格數(shù)量關(guān)系▲圖4 砂輪轉(zhuǎn)速與負(fù)載表征電流關(guān)系

砂輪轉(zhuǎn)速在800～1 200 r/min內(nèi),隨著砂輪轉(zhuǎn)速的提高,砂輪磨?？倘胨{(lán)寶石襯底片的深度變淺,襯底片表面損傷層變淺,出現(xiàn)深劃痕和碎邊的概率下降,因而藍(lán)寶石襯底片加工的合格率得到提升。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速提高至1 400 r/min時(shí),砂輪磨?？倘肷疃冗M(jìn)一步變淺,磨粒受到磨削阻力的拉扯作用減弱,磨粒不能及時(shí)脫落,刃口被磨平仍無法脫落或破碎,出現(xiàn)光磨現(xiàn)象。光磨現(xiàn)象產(chǎn)生后,隨著砂輪的持續(xù)進(jìn)給,砂輪與襯底片的磨削擠壓現(xiàn)象加重,襯底片表面余量無法及時(shí)去除,邊緣出現(xiàn)碎邊現(xiàn)象,導(dǎo)致合格率明顯下降。磨粒刃口磨平區(qū)域如圖5所示。

負(fù)載表征電流反映輪磨加工機(jī)主軸功率的變化。在持續(xù)進(jìn)給下,磨粒刃口磨平,砂輪磨削阻力劇增,加之砂輪主軸轉(zhuǎn)速高,需要更大的功率來保持砂輪主軸轉(zhuǎn)速恒定,導(dǎo)致輪磨加工機(jī)負(fù)載表征電流急劇增大,甚至超過輪磨加工機(jī)負(fù)載表征電流設(shè)定的上限值。輪磨加工機(jī)設(shè)置負(fù)載表征電流上限值是為了確保輪磨加工機(jī)的精度,保護(hù)輪磨加工機(jī)的主軸及電機(jī)。

磨削中,砂輪結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力是一定的,砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)自銳,磨粒刃口鈍化后能夠及時(shí)脫落,自動(dòng)產(chǎn)生新的帶鋒利刃口的磨粒。砂輪轉(zhuǎn)速直接影響磨粒對(duì)藍(lán)寶石襯底片表面的刻劃深度,如圖6所示?？虅澤疃仍缴?磨粒受到的阻力越大,越易脫落。砂輪轉(zhuǎn)速在800～1 200 r/min內(nèi)時(shí),磨粒參與磨削時(shí)受到的阻力雖然逐漸減小,但仍然大于結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力,磨粒在鈍化后可順利脫落。當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1 400 r/min時(shí),磨粒刻劃深度更淺,磨粒參與磨削時(shí)受到的阻力明顯小于結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力,導(dǎo)致磨粒刃口鈍化后無法及時(shí)脫落。

▲圖5 磨粒刃口磨平區(qū)域

▲圖6 不同轉(zhuǎn)速下磨粒對(duì)藍(lán)寶石襯底片刻劃深度

5 磨削進(jìn)給量影響

第二組試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出,在不同的磨削進(jìn)給量下,磨削不同目標(biāo)厚度尺寸的藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量出現(xiàn)了較大差異。相同進(jìn)給狀態(tài)下,目標(biāo)厚度尺寸越薄,藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量越少;目標(biāo)厚度尺寸越厚,藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量越多。目標(biāo)厚度尺寸相同時(shí),磨削進(jìn)給量越大,藍(lán)寶石襯底片合格數(shù)量越少,并且在大磨削進(jìn)給量狀態(tài)下,藍(lán)寶石襯底片表面容易出現(xiàn)深劃痕、碎邊現(xiàn)象,藍(lán)寶石襯底片狀態(tài)如圖8所示。

▲圖7 磨削進(jìn)給量與目標(biāo)厚度尺寸、合格數(shù)量關(guān)系▲圖8 藍(lán)寶石襯底片狀態(tài)

對(duì)藍(lán)寶石襯底片缺陷及不同磨削進(jìn)給量下合格數(shù)量差異產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。當(dāng)磨削進(jìn)給量增大時(shí),磨?？虅澁a(chǎn)生的損傷層加深,藍(lán)寶石襯底片承受的磨削擠壓力增大。隨著藍(lán)寶石襯底片目標(biāo)厚度的減小,藍(lán)寶石襯底片抵抗外力破壞的能力降低。當(dāng)砂輪層高頻次進(jìn)出藍(lán)寶石襯底片邊緣時(shí),磨削擠壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力首先從藍(lán)寶石襯底片邊緣釋放,從而產(chǎn)生碎邊現(xiàn)象。碎邊若不能及時(shí)沖刷掉,將會(huì)以大顆粒的形式參與磨削,直接導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底片表面出現(xiàn)深劃痕,甚至砂輪層斷裂,合格數(shù)量隨之減少?？紤]到加工效率及行業(yè)內(nèi)普遍對(duì)合格率控制在95%的要求,結(jié)合圖7試驗(yàn)結(jié)果,得到不同目標(biāo)厚度尺寸的合理加工工藝參數(shù),見表1。

表1 不同目標(biāo)厚度尺寸合理加工工藝參數(shù)

6 冷卻水溫度影響

采用同一砂輪持續(xù)加工藍(lán)寶石襯底片,陶瓷載盤轉(zhuǎn)速為60 r/min,砂輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,磨削進(jìn)給量為0.04 mm/min,目標(biāo)厚度為150 μm。每天記錄三次輪磨加工機(jī)冷卻水溫度,并取均值,次日統(tǒng)計(jì)前一天藍(lán)寶石襯底片的加工不合格率。通過數(shù)據(jù)處理,分析砂輪加工藍(lán)寶石襯底片時(shí)冷卻水溫度對(duì)不合格率的影響,得到冷卻水溫度與藍(lán)寶石襯底片加工不合格率的關(guān)系,如圖9所示。由圖9可以看出,冷卻水溫度上升,不合格率也呈上升趨勢(shì),且波動(dòng)趨勢(shì)趨近一致。

▲圖9 冷卻水溫度與加工不合格率關(guān)系

冷卻水的作用是帶走磨削熱量及磨屑,當(dāng)冷卻水溫度上升時(shí),冷卻水對(duì)磨削的冷卻效果變差,磨削熱量不能及時(shí)被帶走,藍(lán)寶石襯底片表面溫度上升,磨削熱量直接傳遞給藍(lán)寶石襯底片與陶瓷載盤貼附蠟?zāi)z層。蠟?zāi)z層被軟化,導(dǎo)致對(duì)藍(lán)寶石襯底片的定位性變差。在磨削過程中,藍(lán)寶石襯底片產(chǎn)生微變形和移位,會(huì)直接導(dǎo)致破片產(chǎn)生。另一方面,砂輪磨削面溫度上升后,砂輪胎體表層的力學(xué)性能發(fā)生變化,持續(xù)自銳的能力變差,從而提高了磨削異常產(chǎn)生的概率。綜上所述,冷卻水溫度上升會(huì)導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底片的加工不合格率上升,按照業(yè)內(nèi)對(duì)不合格率控制在5%的要求,在藍(lán)寶石襯底片減薄磨削過程中,合理的冷卻水溫度不應(yīng)超過29 ℃。

7 結(jié)束語

筆者通過三組不同試驗(yàn)分析,得到藍(lán)寶石襯底片背面減薄磨削加工時(shí),砂輪轉(zhuǎn)速在800～1 200 r/min范圍內(nèi)提高,有助于改善藍(lán)寶石襯底片磨削加工的合格率。在實(shí)際加工中,企業(yè)應(yīng)根據(jù)設(shè)備的主軸功率限制及砂輪特性合理調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速。為了兼顧加工效率和磨削質(zhì)量,目標(biāo)厚度不同的藍(lán)寶石襯底片,磨削進(jìn)給量也應(yīng)不同,薄尺寸藍(lán)寶石襯底片適合較小磨削進(jìn)給量,厚尺寸藍(lán)寶石襯底片可選擇較大磨削進(jìn)給量。磨削加工中,冷卻水溫度上升,藍(lán)寶石襯底片不合格率呈上升趨勢(shì),合理的冷卻水溫度不應(yīng)超過29 ℃。