蓝宝石多线切割设备及切割技术

吕文利，王理正，刘嘉宾

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙， 410000）

蓝宝石多线切割设备及切割技术

吕文利，王理正，刘嘉宾

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙， 410000）

介绍了蓝宝石多线切割机的发展技术背景，并就中国电子科技集团公司第四十八研究所基于金刚石线多线切割自主研发的X0730-3/UM型线切割机详细的介绍，性能特点，关键技术以及切割工艺实验分析，就金刚石线多线切割机理分析以及应用进行了初步的探讨。

多线切割；金刚石线；恒张力控制；摇摆切割

传统上一般晶棒/锭切成片状的方式是内圆切割，这种切割机的刀片刃口厚度在0.28～0.35 mm之间，加工效率较低，材料损耗大，出片率低，晶片表面质量较低,难以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且随着晶圆直径的增大和第三代半导体材料的出现，内圆切割加工受到其本身结构的限制使得切片切割过程逐渐困难，所以内圆锯片切割的加工方式在第三代半导体材料和大直径大批量晶片生产中逐渐被边缘化。

20 世纪90年代发展起来的线切割技术的成熟应用，成功地满足了大片径、低损耗和相对较高表面质量的晶片切割需要。线切割晶圆技术刚开始是运用游离磨粒的方式，也就是利用线带动游离磨粒（如碳化硅等），传统的金属切割线如图1所示，使在工件和线中间的磨粒对工件进行磨切割。但是游离磨粒的缺点在于，因为磨粒和工件实际接触到的面积较小，造成材料移除率较小，所以需要较长的加工时间；而另外一个缺点在于，如须加工更硬、更难以切割的工件（如蓝宝石、碳化硅），则游离磨粒的方式将难以对工件的表面达到预期的切割。

图1 传统的金属切割线

为了改善上面的缺点，切割碳化硅、蓝宝石等硬度大的材料，固定金刚石磨料线切割技术应运而生，这种加工技术通常是使用电镀的方法将金刚石磨料固定在钢丝表面（如图2所示）,加工过程中锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行磨削加工,相比游离磨料多线锯的"三体加工",它属于"二体加工"，其加工效率是游离磨料多线锯的数倍以上。金刚石单线切割机以其独特的优势成为第三代半导体硬脆材料和大直径材料切割中不可或缺的一部分。

图2 电镀金刚石线

1 整机介绍

X0730-3/UM型多线切割机主要用于碳化硅、蓝宝石等脆硬材料的高效切割。该设备由中国电子科技集团公司第四十八研究所自主研发，具有4项发明、4项实用新型专利，切割晶片最薄厚度可达160 μm。与传统游离态多线切割比较，具有切割效率高、切片质量高、节能环保，切割厚度可设定（0.16～5 mm）等特点。设备整体见图3所示，性能参数见表1。

图3 多线切割设备

表1 设备性能参数

2 关键技术描述及实施方法

X0730-3/UM型多线切割机是以金刚石线作为切割线的一种硬脆材料切割设备，具有切割线张力稳定（张力波动小于±1 N）、切片表面粗糙度（Ra）可达0.3 μm等技术特点，既可用于硅材料的高效切割、也可用于蓝宝石等硬脆材料的切割，技术水平处于世界同类设备领先地位。工艺实验表明，同美国DWT公司、瑞士M&B、日本高鸟公司（图4）的多线切割机的技术指标相比较，无论是从切片质量、效率，还是断线率，性能与国外同类设备相当，部分指标甚至优于国外同类产品，目前已有多家正在使用国外同类设备的用户用该设备试切材料后表示相当满意。设备切割材料结果见图 5、图 6。

图4 日本高鸟MWS-612DD型多线切割机

图5 蓝宝石切割晶片显微镜观测图（50倍）

图6 蓝宝石切片表面质量检测数据

X0730-3/UM型多线切割机能够成功研制，其关键在于解决了基于独特的张力反馈技术下的切割线恒张力闭环控制方式，同时配合张力缓冲、摇摆切割和自动排线等关键技术，设备控制原理如图7所示。研制成功后，经过大量的切割工艺实验，优化切割工艺参数，建立切割工艺参数库，能够针对不同材料的物理特性均能保证切割质量与切割效率。两个收放线轮、两个张紧轮、两个导向轮组成的布线结构，运行中切割线运动整体静止不动，工件进给机构向下运动的切割方式，切割原理如图8所示。

图7 X0730-3/UM型多线切割机控制原理图

图8 X0730-3/UM型多线切割机切割原理图

X0730-3/UM型多线切割机是通过有效的科学计算，数学建模，实验验证并改进优化，全新自主开发设计的整体结构、智能控制、切割方式，有效地解决了蓝宝石等硬脆材料的金刚石多线切割的技术难题。主导轮可同时开800条平行等间距（0.34 mm＜槽距＜1 mm）金刚石线导向槽，可以实现一次多片切割，大大地提高了设备的切割效率。设备采用台式的整体结构，在设备研制生产后，先后对碳化硅、蓝宝石（见图9）、钽酸锂、铌酸锂、压电陶瓷、玻璃等材料进行针对性的切片、切方、切断等形式的切割，取得了较理想的效果。

图9 蓝宝石切割

在切割实验中，通过对实验数据分析得出结论，进给速度对切片的表面质量，表面粗糙度、TTV值有着直接明显的影响。进给速度在小于0.2 mm/min时，能够获得更好的切割表面质量，在大于0.5 mm/min时能够获得更好的切割效率，进给速度越小，表面质量越好，但是在实际使用过程中，既要保证切片质量，又要切片效率，在切割能力范围内，表面质量与切割效率有着根本的冲突，所以在设备实际使用过程中，用户可根据的实际需求，可以在表面质量与切割效率之间有所取舍，发挥设备的最大性能。

切割能力随着切割材料硬度的增加而下降，所以对于不同硬度的材料具有不同的切割能力，在设备的实际使用过程中，为获得更高的切割效率可以选择较高的切割进给速度，但进给速度不能超过该硬度材料的最大进给速度。

总之，对于金刚石线切割工艺而言，影响TTV值、表面粗糙度的因素是多方面的，如金刚石线的质量、金刚石线的振动、换向时间、润滑冷却液的物理成分流量大小、导轮材料的耐磨性与刚度以及新线进给量等等都要影响切割质量。通过近一年的蓝宝石、微晶玻璃、钕铁棚等硬脆材料的切割工艺实验，已取得了可指导工艺生产的基本参数设置数据库，可为设备的实用化应用提供支撑。

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[1]张凤林，袁 慧，周玉梅.硅片精密切割多线锯研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2006（6）：14-17.

[2]孙建章，吕玉山，刘兴文.往复自旋式电镀金刚石丝锯数控切割机的设计研究.机械设计与制造，2003（3）：53-54.

[3]高伟.环形电镀金刚石线锯的制造及其切割技术与机理的研究[D].济南:山东大学，2002.

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[5]高伟，刘迎，刘镇昌.环形电镀金刚石线锯锯切工艺参数的试验研究[J].工具技术，2004，38（10）:37-39.

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

吕文利（1979-），男，河南省原阳人，硕士研究生，工程师，主要从事半导体及光伏装备的研发。