全自动双轴精密划片机的研制*

尹韶辉， 廖启圣， 胡 天， 龚 胜， 陈逢军

(1. 湖南大学， 国家高效磨削工程技术研究中心， 长沙 410082)(2. 长沙华腾智能装备有限公司， 长沙 410082)

精密划片机主要用于硅片、玻璃、蓝宝石、陶瓷、砷化镓、铁氧体等材料的加工，广泛应用于集成电路(IC)、半导体、LED、光学元器件等行业。在集成电路的后封装工艺过程中，切割半导体芯片是第一道工序[1]，芯片分离要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[2]，设备切割的质量与效率直接影响到产品的质量和生产成本。

划片机作为半导体后序加工设备之一，受到了国内外各厂商的重视。日本DISCO公司在1972年研制出了世界上第一台砂轮划片机[3]。目前，市场上使用的主流划片机主要来自国外，包括日本DISCO、韩国NEONTHCH、以色列ADT等公司。国内对划片机的研究起步较晚。冯晓国等[4]研制的划片机，其主轴创新性地通过杠杆来实现升降运动，使行程达到了300 mm，重复定位精度达到1.0 μm。中国电子科技集团第四十五研究所[5]研制了HP-602型精密自动划片机，其整机集成了直线滚动导向、空气静压支承、计算机运动控制等技术，实现了机床的对准、自动划切和故障诊断等功能。张明明等[6]在研制ZSH5型砂轮划片机中利用拟合曲线与光栅反馈值进行精度补偿，进一步提高了定位精度。但国内研制的划片机相对于国外先进的划片机，切割质量较差、切片效率偏低。为解决国内划片机严重依赖进口的局面，研制加工质量好、效率高的划片机具有重要意义。

为提高切片效率，减少人工成本，我们研制了一种应用超薄金刚石砂轮划片工艺的双轴精密划片机。该划片机采用视觉系统自动对刀，并配备了自动上下料系统，大大提高了划片质量和切片效率。

1 划片机的结构布局与工作过程

本次研制的双轴划片机的总体结构如图1所示，整机采用双轴龙门式结构。为了节省空间，Y1轴电机②和Y2轴电机③安装在同一侧，并采用光栅尺⑨反馈实现全闭环控制，以提高Y轴的定位精度。主轴一⑥与主轴二⑩采用对向双轴式安装结构，其基座⑧和⑨分别安装在Z1轴和Z2轴上，通过Z轴的升降运动实现划片过程中的抬刀和落刀功能。旋转工作台安装在X轴上，采用DD马达直接驱动的方式来实现旋转运动，确保回转精度。

光学成像自动对刀系统⑦安装在Z1轴上,包含了CCD相机、镜头和光源。通过对OpenCV开源库的改进和二次开发，实现了相机图像的去杂质处理、清晰度评价和亚像素级别的模版匹配，配合X轴、Y1轴、Z1轴和转台的运动实现机床的自动对焦功能和高精度、高识别率的特征识别功能，从而实现高精度自动对刀。

相比于国内传统的单主轴、手动上下料划片机，本次研制的划片机结构布局简单、紧凑、定位精度高。上下料系统可有效利用机床的剩余空间，在不增加机床占地面积的同时，提高设备的自动化程度。视觉系统为自主研发，不仅可降低生产成本，而且能提高效率和精度。整机设备外观如图2所示。

2 机床性能的检测结果

采用雷尼绍XL-80激光干涉仪等精密检测仪器对该双轴划片机的性能进行检测，主要的检测项目包括各轴的运动行程、Y轴与Z轴的定位精度和重复定位精度、旋转工作台的角度误差、最大切片速度、主轴转速范围、工作台的平面度以及切片效率等。其中切割效率采用的评价指标是以最大切割速度来加工LED芯片，每小时可获得的芯片颗粒数。检测结果如表1所示，与其他单轴划片机相比(表2)，本次研制的划片机在加工范围、Y轴定位精度、Z轴重复定位精度以及切片效率上有了很大提高。

表1 双轴划片机性能的检测结果

表2 其他单轴划片机的部分性能

其中，定位精度的检测方法如下：Y轴系从原点起将行程按25 mm等分，Z轴系从原点起将行程按5 mm等分，使用激光干涉仪测量运动轴运动至各个位置点时实际位置与指令位置的误差。Y轴系与Z轴系的测量结果如图3、图4所示。

3 划切试验及分析

为了验证所研制划片机的性能，对常用的加工材料：φ50.8 mm×0.5 mm的圆形蓝宝石基片、120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型号LED芯片基板和φ76.2 mm ×0.5 mm的圆形硅片进行加工。选用超薄金刚石砂轮刀片，刀具参数如表3所示。

表3 刀具特性

使用超景深VHX1000和金相显微镜来观察并测量刀片划切深度、划切位置的偏差以及切缝的相对缝宽和崩边宽度，以此来验证该机床的精度和划片质量。试验的工艺参数如表4所示。

3.1 划切深度的精度验证

试验使用树脂软刀，采用表4所示的工艺参数，对φ50.8 mm×0.5 mm圆形蓝宝石基片进行划切，每次划切前，采用测高对刀具磨损进行补偿。如图5所示，划片机在划片时，首先将蓝宝石基片粘在UV膜上表面，然后通过真空固定在工作台上。使用其他划片机划切时，划切沟槽的实际深度与设计深度的最大误差一般达到了8.0 μm。

表4 工艺参数

使用超景深VHX1000测量加工后的沟槽形貌，得到沟槽的三维形貌图如图6所示。测量点的分布如图7所示，即在轴一与轴二所切的沟槽上各取25个测量点进行测量。测量结果如图8所示。

从图8可看出：轴一所切沟槽的实际深度与设计深度的最大误差为5.2 μm，轴二所切沟槽的实际深度与设计深度的最大误差为4.8 μm，与其他划片机相比，划切深度的误差降低。在划片机中，影响划切沟槽深度精度的主要因素是工作台的平面度和Z轴系的重复定位精度。工作台越平整、Z轴系重复定位精度越高，划切深度的综合误差就越小。综上所述，本次研制的双轴划片机的工作台平面度和Z轴系的重复定位精度满足划切深度的精度要求。

3.2 划切位置的精度验证

试验使用电镀软刀，采用表4所示的工艺参数，对120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型号LED芯片基板进行划切。如图9所示，该工件由多个小芯片组成，在芯片与芯片间预留了待切割的切割道，称为理想切割道，其宽度为0.3 mm。在划切工件时，划痕不能越出工件的理想切割道，否则会将芯片损坏。使用其他划片机划切时，切痕的实际位置与设计位置(即理想切割道中心)的最大误差一般达到7.0 μm。

划切后实物图如图10所示。采用精密金相显微镜对划痕进行采样和测量，测量方法如下：首先测出切痕的宽度d1，然后测出理想切割道上边缘与切痕上边缘的距离d2，最后计算切痕的实际位置与设计位置的误差T，计算公式如式(1)：

(1)

其中：d1、d2为宽度或距离值，单位为mm；T为误差值，单位为μm。

分别取轴一与轴二所切的10条切痕进行测量，测量结果如图11所示。结果表明：轴一切痕的实际位置与设计位置的最大误差为4.7 μm，轴二切痕的实际位置与设计位置的最大误差为4.8 μm。与其他划片机相比，划切位置的误差降低。在划片机中，影响划切位置精度的主要因素是Y轴的定位精度，Y轴的作用是带动主轴进行分度进给，其定位精度越高，切痕实际位置与设计位置的误差就会越小。综上所述，本次研制的双轴划片机Y轴系的定位精度满足划切位置的精度要求。

3.3 划切质量验证

试验使用树脂软刀，采用表4所示的工艺参数，对φ76.2 mm ×0.5 mm圆形硅片进行划切。硅片划切质量的评价指标主要是最大崩边宽度和切缝宽度[7]，如图12所示。

采用超景深VHX1000对切缝进行采样，测量其最大崩边宽度Cmax和切缝宽度K，为了消除刀片厚度的影响，采用相对缝宽Kwr作为划切质量的评价指标，计算公式如式(2)：

(2)

其中：Tr表示刀具厚度，单位为mm。

使用其他划片机划切硅片时，最大的崩边宽度达到了12 μm，最大的相对缝宽达到了1.10，划切表面易出现毛刺。

各取轴一与轴二所切的5条切缝进行测量，测量结果如图13、图14所示。结果表明：轴一与轴二所切切缝的相对缝宽在1.04以内，最大的崩边宽度为9.5 μm，划切表面平整光滑、无毛刺，与其他划片机相比，划片的质量得到了明显的提高。在划片机中，影响划切质量的主要因素是刀盘面与X轴的平行度、刀盘面与工作台Z向的平行度和刀盘的端面跳动[8]。刀盘面与X轴平行度越高、与工作台Z向的平行度越高、其端面跳动越小，则划切质量就会越高。综上所述，本次研制的双轴划片机的性能满足划切质量的要求。

4 结论

研制的划片机结构上不仅能够同时使用双主轴进行划切，而且设计了自动上下料结构，可实现多盘的全自动切割，大大提高了设备的切片效率。自主研发的视觉对刀系统，可实现精准快速的自动对刀功能。经过检测，Y1/Y2轴的全程定位精度达到1.5 μm，Z1/Z2轴的重复定位精度达到1.0 μm，与其他划片机相比，各轴的定位精度和重复定位精度得到提高；切片效率提升80%。通过划切试验，该设备划切的深度误差不超过5.2 μm，位置误差不超过4.8 μm，同时切缝的宽度和崩边宽度小，表面光滑无毛刺。与其他设备相比，其加工误差更低、划片质量更高，划片机的加工性能明显提升。