閆偉文，高清勇

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機(jī)是以強(qiáng)力磨削為劃切機(jī)理，空氣靜壓電主軸為執(zhí)行元件，以每分鐘3 萬到6 萬的轉(zhuǎn)速劃切晶圓的劃切區(qū)域，同時(shí)承載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的劃切線方向呈直線運(yùn)動，將每一個(gè)具有獨(dú)立電氣的芯片分裂出來。這個(gè)過程就是劃片或劃切（Dicing Saw）。工作原理如圖1。

圖1 原理示意圖

目前隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，市場對半導(dǎo)體封裝技術(shù)提出了更高的要求。對其更小，更輕，更低功耗，更高可靠性的要求日新月異，并且新興的工藝使得劃切對象不再單一，導(dǎo)致劃切工藝更加復(fù)雜。為了提高劃切品質(zhì)和加工效率，透徹分析影響劃切品質(zhì)的因素成為必須。本文對劃切中影響劃切質(zhì)量關(guān)鍵的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，并提出指導(dǎo)性的建議。

1 主軸

1.1 主軸的分類

砂輪劃片機(jī)主軸采用空氣靜壓支承的電主軸。現(xiàn)在所使用的主軸有兩類，分別是交流主軸，及直流主軸。兩類主軸從結(jié)構(gòu)上有以下區(qū)別：直流主軸電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要區(qū)別是：在主磁極上除了繞有主磁極繞組外，還繞有補(bǔ)償繞組，以便抵消轉(zhuǎn)子反應(yīng)磁動勢對氣隙主磁通的影響，改善電動機(jī)的調(diào)速性能；直流主軸電動機(jī)都采用軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻或熱管冷卻，以改善冷卻效果。直流主軸電動機(jī)在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩范圍，在基本速度以上為恒功率范圍。直流主軸主要采用晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速。一般會裝有用于反饋的檢測元件。而交流主軸電動機(jī)是經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的鼠籠三相異步電動機(jī)。與直流主軸電動機(jī)相類似，在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在基本速度以上為恒功率區(qū)。當(dāng)速度超過一定值后，功率- 速度特性曲線會向下傾斜。交流主軸電動機(jī)廣泛采用矢量控制調(diào)速方法進(jìn)行速度控制。由于結(jié)構(gòu)上的差別造成直流主軸的轉(zhuǎn)速控制精度較高（通過反饋補(bǔ)償轉(zhuǎn)速），主軸工作時(shí)震動量較小，劃切效果較好，但其扭矩相對同功率交流主軸偏小，對較厚、硬的玻璃、陶瓷和鍵和材料劃切，切削力不足。其劃切領(lǐng)域主要針對硅晶圓，砷化鎵，氧化物晶圓等。交流主軸扭矩較大，震動偏大，主要針對LED 基板、生陶瓷、新型電子封裝等較硬，精度要求不高的產(chǎn)品加工。

1.2 主軸的機(jī)械安裝對劃切效果的影響

1.2.1 平行度

主軸的水平度如果達(dá)不到要求，會使劃切后的刀槽變寬，崩邊嚴(yán)重。例如采用NBC-ZH 2050O-SE27HEDD 刀具劃切硅晶圓，主軸轉(zhuǎn)速30 000 r/min、劃切速度20 mm/s 時(shí)。較理想的刀痕為0.030～0.035 mm，當(dāng)主軸打表水平度等于5 μm 時(shí)，實(shí)測刀痕為0.045 mm。

1.2.2 垂直度

如果劃切后工件的刀槽一邊崩邊，裂片嚴(yán)重，而另一邊正常，通常是由于主軸垂直度不夠，可根據(jù)那邊崩邊判別主軸仰角或是俯角。

1.2.3 主軸轉(zhuǎn)速

主軸的轉(zhuǎn)速是與劃切速度相匹配，影響劃切效果的是主軸線速度，理論上增加主軸轉(zhuǎn)速，提高劃切速度，來保證固定的線速度就不會影響劃切效果，但是主軸的震動量在不同的轉(zhuǎn)速范圍是不同的，這就需要找到一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)，在保證劃切效果的前提下提高效率。

注意：選取主軸轉(zhuǎn)速時(shí)需注意刀具所允許的最大轉(zhuǎn)速，例如DISCO 的PIA 系列刀具，

使用直徑50 mm（2 英寸）刀盤時(shí)，最高速度＜60 000 r/min；75 mm（3 英寸）刀盤時(shí)，最高速度＜40 000 r/min。當(dāng)超過所允許的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，刀具會自動解體。

2 水 源

劃片機(jī)所使用的水源有兩路，主軸冷卻水和切割冷卻水。

2.1 主軸冷卻水

顧名思義，主要功能是對主軸進(jìn)行冷卻保護(hù)，在主軸內(nèi)部循環(huán)使用，必須采用去離子水，否則會對主軸內(nèi)部造成堵塞，冷卻水的溫度應(yīng)恒定在室溫，建議用戶配置恒溫水箱，否則劃切過程中刀痕會有偏移?？諝庵鬏S為關(guān)鍵部件，需定期（6 個(gè)月）對主軸水路進(jìn)行檢查，防止水垢堵塞管路，否則會造成主軸電機(jī)損壞。

2.2 劃切冷卻水

針對客戶產(chǎn)品需要選用不同水質(zhì)，建議采用去離子水，針對一些特殊用戶，需根據(jù)產(chǎn)品需要增加特殊附件，例如增加二氧化碳?xì)怏w，改變水質(zhì)電阻值等。

3 承片臺

工作臺現(xiàn)有陶瓷微孔和金屬吸盤兩大類，可根據(jù)用戶的加工要求進(jìn)行選擇。

3.1 陶瓷微孔吸盤

優(yōu)點(diǎn)：吸力均勻，適合吸附帶膜較薄、較脆的產(chǎn)品，不傷片，減少背崩現(xiàn)象，有較好的劃切效果。缺點(diǎn)：需要表面全部覆蓋，否則吸力不足，對于較小工件來說，藍(lán)膜浪費(fèi)嚴(yán)重，微孔容易堵塞，不適合粉塵較多的加工環(huán)境。

3.2 金屬吸盤

優(yōu)點(diǎn)：多種形狀可選，方形和圓形，圓形有75 mm（3 英寸）、100 mm（4 英寸）、150 mm（6 英寸）價(jià)格低廉，可直接吸附工件，真空吸力較大。缺點(diǎn)：吸附較薄工件時(shí)，小于150 μm 厚，吸孔偶有可能會造成工件損傷或背裂現(xiàn)象。

4 刃 具

每一類刃具都有外徑大小、厚度、磨粒尺寸（篩號）、結(jié)合劑、集中度、刃口形狀等的不同；種類根據(jù)安裝方法分為軟刀和硬刀。形狀如圖2、圖3 所示。

圖2 硬刀

圖3 軟刀

軟刀需使用法蘭固定，其優(yōu)點(diǎn)是刀具露出量較大，可加工較厚產(chǎn)品，價(jià)格低廉，可根據(jù)更換法蘭持續(xù)使用，性價(jià)比較高。但采用這種固定方式后，刀具為達(dá)到真圓效果，需要磨刀，且刀具和法蘭的接觸部分會有微量跳動，劃切效果欠佳。

硬刀通過高溫高壓的方式將刃體固定在特制法蘭上，出廠時(shí)就可確認(rèn)是真圓，由于刃體和法蘭一體化，可加工高檔產(chǎn)品，但由于其制作方式?jīng)Q定其刀刃露出量不能太大，通常此種刀具露出量為0.30～1.15 mm。不能加工較厚產(chǎn)品，有局限性。

根據(jù)制作方法可分為鍍制、粉末冶金和樹脂等類型。

鍍制類刃具是金屬粉和金剛砂粉混合后，采用高溫高壓的方式燒結(jié)而成。NBC-ZH 系列硬刀主要加工硅（矽）晶圓及砷化鎵（CaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體晶圓，氧化物晶圓（LiTaO3）；NBC-Z系列主要加工硅（矽）晶圓，化合物半導(dǎo)體晶圓，各種半導(dǎo)體封裝元器件；Z05 系列（缺口鋸齒形）主要切割晶粒LED 基板、生陶瓷、硬脆材料、BGA各種半導(dǎo)體封裝元件。

粉末冶金類刃具：B1A 系列（金屬結(jié)合劑）主要加工電子元器件及光學(xué)零部件、半導(dǎo)體封裝元器件、陶瓷、單晶鐵氧體、玻璃；A1A 系列（金屬結(jié)合劑）主要對陶瓷、鐵氧體等硬脆材料進(jìn)行深切割。

樹脂類：主要是樹脂和金剛砂粉混合后，采用高溫高壓定型而成。P1A 系列（樹脂結(jié)合劑）主要切割鈮酸鋰、石英、各種人造晶體、玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體封裝元器件；K1A 系列（樹脂結(jié)合劑）主要切割陶瓷、各種玻璃、鐵氧體、各種晶體。

刃具選擇的基本原則：刃具選取的基本原則是越硬的材料劃切選取越軟的刀體材料，越軟的材料劃切選取越硬的刀體材料，（如果硬脆材料劃切選擇越硬刃具，就會在劃切時(shí)出現(xiàn)一些背崩，背裂現(xiàn)象）根據(jù)崩邊要求和材料性質(zhì)選取刀體粘結(jié)、材料軟硬度、集中度，金剛砂顆粒大小等。

一般根據(jù)劃切深度選擇刃具的露出量，而刃具露出量一般是刃具厚度的20～30 倍，當(dāng)劃切深度是刀刃露出量的1/3～1/2 時(shí)效果最佳，或者說劃切深度是刃具厚度的10～15 倍時(shí)效果最佳。刃厚、刃長與劃切深度見圖4。

刃具厚度首先根據(jù)切割槽寬度及材料的物理、化學(xué)性質(zhì)確定，有的硬脆性易崩材料，就根據(jù)其材料性質(zhì)及崩邊工藝要求選擇。在滿足客戶的劃切要求的前提下，可選擇粒度大且較厚的刃具，提高劃切效率。

圖4 刃厚、刃長與劃切深度的關(guān)系

刃具粒度的選擇是根據(jù)產(chǎn)品的材料，崩邊大小要求及劃切效率等多方面因素決定的，通常情況下，比較硬的材料我們選用金剛砂顆粒大的刃具，可提高劃切能力，在劃切力足夠的情況下，根據(jù)用戶的崩邊要求選刃具粒度大小與其崩邊大小相近的，比如崩邊要求小于10 μm，刃具金剛砂粒度就不能超過W10。但是粒度越大刃具磨損量越小，速度越快，劃切效率越高，所以最后在滿足客戶的崩邊要求下，增大金剛砂顆粒直徑，提高劃切效率。

如果加工物較薄，在切割加工后發(fā)生背面崩裂現(xiàn)象，例如劃切工藝參數(shù)一致情況下，采用兩種不同金剛砂顆粒大小的刃具進(jìn)行劃切，圖5 采用磨粒大小為4～6 μm 的切割刀片（#2000）進(jìn)行加工的，背面崩裂的現(xiàn)象比較明顯。而圖片6 是使用由超微細(xì)磨粒構(gòu)成的刀片（#4800）進(jìn)行加工。同樣正面崩裂情況也存在刃具磨粒大小的選擇。選擇恰當(dāng)崩邊就減小，也減輕對加工物的沖擊力。

以上選擇一定要綜合考慮，既要滿足劃切質(zhì)量品質(zhì)要求以及工藝線檢測點(diǎn)的要求，又要滿足客戶的劃切效率要求。

圖5 采用磨粒為4～6 μm的切割刀片加工的圖片

圖6 采用超微細(xì)磨粒刀片加工的圖片

5 劃切參數(shù)

5.1 劃切速度的選擇

劃切速度主要取決劃切材料硬脆性以及劃切深度，同時(shí)劃切速度與主軸的線速度要相匹配。一般新刀在開始劃切時(shí)速度都較低，逐漸由慢向快增加；對新的材料一般也是首先慢速試劃，根據(jù)劃切情況在考慮適合的速度。一般劃軟材料要比劃硬材料快，劃脆的材料速度較慢，劃淺比劃深速度快，劃切速度的快慢直接影響劃切槽寬和崩邊情況以及劃切效率。劃切到具有半黏性的固定材料時(shí)，可能增加刀的負(fù)載，所以劃切速度要適中。另外，劃切硬的材料，太小的劃切速度或太淺的劃切深度，也影響刀片自身鋒利。

5.2 劃切深度的選擇

劃切深度決定了刀露的刃口長度，且直接影響著刀的負(fù)載大小。

（1） 當(dāng)基片用膜固定劃透時(shí)，要把膜劃0.025～0.030 mm 深，增加膜的厚度以及劃膜的深度，可以減小劃切材料背面的崩邊。

（2）當(dāng)材料不劃透時(shí)，要留一個(gè)精確的厚度時(shí)，對劃切深度的精度要求很高，在設(shè)備具有刀片磨損自動補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，該精度取決于劃切方向運(yùn)動的平行度以及吸盤的平整度、主軸下降的重復(fù)定位精度以及刀片的質(zhì)量。

（3）劃切一些較厚和較硬材料時(shí)，一般采用二次劃切的方法，第一次劃切的深度為總深度的1/3時(shí)效果最佳。

（4）當(dāng)劃切一些鍵合材料時(shí)，例如表面是硅材料，底部是玻璃，采用兩種刃具對其二次劃切效果最佳。

6 結(jié)束語

砂輪劃片機(jī)能夠劃切的材料很多，不同性能的材料劃切工藝存在差異，每一個(gè)參數(shù)都能關(guān)系到劃切質(zhì)量和效率，不同的材料性能劃切工藝都有差異，所以針對需求需要深入研究不斷試驗(yàn)，找出保證加工效率和加工質(zhì)量的最優(yōu)值。

[1] 文赟，王克江，孫敏，等.淺析砂輪劃片機(jī)劃切工藝[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(6)：21-26.

[2] 甄萬財(cái). 砂輪劃片機(jī)劃切技術(shù)的研究[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，33(9)：68-71.