金刚石内圆刀片及其使用

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文/李万河  电子工业部第四十五研究所


摘要:

  介绍金刚石内圆刀片对半导体工业发展的影响,以及金刚石内圆刀片的发展。着重介绍金刚石内圆刀片的使用及产生的最终效果。


关键词:

  内圆刀片;基体;粘结剂;张力;修刀


1前言


  金刚石内圆刀片是在0.10~0.15mm厚的基体支撑下,形成0.20~0.32mm厚的金刚石切割刃口,将切割损耗降低在0.33mm以下;而且这种刀片的厚度几乎不受其直径的影响。也就是说,不增加切割损耗,就可以加工更大直径的晶体,这个优点是外圆切割刀片无法达到的。世界上第一片金刚石内圆刀片的外径为206mm,最大切割晶体尺寸只有38mm。刀片制造商和设备制造商以及晶体加工商们经过近半个世纪的不断努力,使刀片制作技术和使用工艺日趋完善,如今可以制作出外径860mm最大切割晶体尺寸200mm的金刚石内圆刀片。


2基体


  用如此薄的刀片切割,关键是沿外圆周加张力。刀片的金属基体是在夹紧状态下张紧。这种张紧为刀片提供了必须的刚度,以保证处于内圆的刀口在切割时不摇摆、不抖动。金刚石内圆刀片的基体须经得起高张力而不被撕裂,同时要求引起的应力沿着整体结构均匀分布。


  基体材料的选择也经历了数次波折,最初使用过磷青铜、不锈钢网,因当时这些材料轧制时比钢更易于保证公差。但由于这些材料的物理强度相对较低,长时间张紧和高速旋转,会因发热而失去张力,引起一系列切片质量问题。后来,冷轧不锈钢的厚度和精密公差得以解决,便成为刀片的标准基体。


  最佳的基体材料是强度大于137.2931MPa的不锈钢,有着精确的厚度、张力和延伸率,标准的延伸率应小于5%。


3粘结剂


  金刚石微粒用粘结材料粘结在刀片的内圆上,形成一层包裹层,微粒就嵌入在内。包裹层比金刚石软,在切割过程中起到缓冲撞击力的作用,同时还要有一定的韧性,能让金刚石自我调整方向而不脱落,这样对工件就可以持续暴露新的切割刃口。


  制作金刚石一般有四种粘结方式:树脂性、搪瓷、热压、电镀,其中只有电镀法适用于制作金刚石内圆刀片。树脂受热会变软,搪瓷和热压在切割硬材料显得太脆。


  电镀粘结材料采用金属镍。镍有许多优点,在精心的控制条件下其机械性能可以按照要求改变。现代电镀处理技术已经解决了不锈钢上镀镍结合力不良的问题。


  通常,切割材料越硬,包裹层也越硬,但是,如果金刚石微粒包的太坚固,在切割撞击力下就会粉碎,从而降低刀片的寿命。从另一方面讲,金刚石必须要包的足够紧,以防从包裹层中脱落。镀层硬了,切割时,金刚石表面打滑,产生的热量大,散发热困难。硬度低的镀层散热特性好。


4金刚石微粒


  用于制作内圆刀片的金刚石有:天然、人造和混合金刚石。金刚石的型号和粒度适合被切割的材料时就会得到最佳切割效果。通常,天然金刚石最适于切割硅,这是因为天然的有着不规则的锋利晶体形状,并具有良好的高温强度和自由切削特性,切割时有极少的微粉和碎裂物。


  金刚石的粗细也是需要考虑的一个因素。一般情况下,粗的和中型的砂砾更好些。太细的砂砾紧密地合并在一起影响切屑的排除和冷却。在最佳切割速度下,切割硅、铁氧体和类似的其它材料时,最好使用微粒范围在270~325目。


  金刚石浓度也是内圆刀片的一个重要参数,金刚石太少将意味着切割慢和刀片寿命短,太多的金刚石又会降低镀层的强度,也会降低刀片的寿命。


5内圆刀片的使用


  刀片的正确安装和使用,是确保刀片长寿命的一个非常重要因素。内圆刀片必须在安装同心下精确地磨损。金刚石内圆刀片其刃口最多有0.25mm的金刚石延伸层,可靠的说法是0.10~0.20mm。因此,如果磨损量超过011mm,刀片的寿命就会急剧下降。由于金刚石的沉积会有近0.08mm的误差,也就是说刃口对于刀片并不完全同心,因此,仅靠刀环上的定位销来定刀片中心是不可靠的,应该用显微对刀装置把刀调到同心。


  刀片对心和压紧后要张紧。张紧方式有两种,即液压张紧和机械张紧。液压张紧是通过液压油作用在张力环上,将压力均匀地施加在刀体圆周上达到张紧刀片的目的。它具有简单、快速、力量准确的特点。但是由于刀体一般都采用单向轧制钢带,不可避免地存在应力分布不均。液压张紧的压力是均匀分布各向相等,所以无法消除这些应力,而机械张紧却能克服这个缺点,它用一个个分立的螺钉作用在张力环上,通过人工调整来达到刀片的应力各向分布均匀。机械张紧比起液压张紧需要更高的操作技能,花费更多的时间,但却是可靠的,所以现在的设备多采用机械式张紧。其方法为通过测量刀片内径的扩张量来检验,扩张量应为内径的0.5%~0.8%。


  确定刀片张力恰当后,还应测量一下刀片的应变量。沿着离刃口3mm的圆环施加一个100g的力,用刻度表(千分表)显示这一点的应变量应该在0.025mm,如图1。


图1 刀片应变能力测量


  在运转动态条件下,基体材料会因摩擦和发热降低应力,造成张力松弛,所以建议和实行在机器上再张紧。


6修刀


  尽管有些内圆刀片是以开刃状态供货,但在初始操作时仍需进行修刀。由于金刚石镀层难以避免地存在一定偏差,甚至还有些凸点,所以新刀要用一个特殊的装置来将刃口调准。这种装置通过调整旋转的修刀砂轮与旋转刃口的微米级接触,来修掉刃口凸点达到刃口完全同心,如图2。


图2 刃口调准示意图


  此方法是将金刚石刃口修同心,而不是打开镀层。再进一步的修刀是用刀片直接切油石。他有三个作用;将内圆的每个边倒圆;调准刃口侧面;磨开镀层暴露出金刚石微粒。一般情况下用150号的油石倒圆刃口,用320号油石调准侧面和磨开镀层。修刀油石建议用刚玉(三氧化二铝),最好不用碳化硅。修刀后,操作工必须检验第一刀切出来的片子质量,如果斜度尚好,也没有裂纹,修刀就合适;如果不是这种情况,要通过切下的片子质量情况判断刀片修的不合理处。图3给出片子质量情况与修刀结果的关系。


图3 片子质量情况与修刀结果的关系


  图中a是一片未修过的新刀;b是合理地修刀结果;c中只在切割刃口和晶体一面修的是合理的,,切割片子一面的镀层没有磨开未暴露出金刚石微粒,冷却液不能进入这个切割面,切下的片子在这个面就会出现热裂纹;d和c表示的是相同的结果,只是在另一面,热裂纹将会出现在晶体这面;e和f所示的是没修好刀导致的片子斜度,e所示的那样将导致片子向晶体方向斜,而f所示的将远离晶体方向斜。出现图3c-f中所示的情况是由于刀头中心线两侧的刃口锋利程度不一致所造成的,这就要通过使用油石手工(沿45°方向)修磨来消除,方法如图4所示。为了清除掉刃口上积累的粘结材料,需要间断性修刀。这要视具体情况而定,如果切割速度上不去,切出的片子有质量问题,就要以切割速度切割2~3刀油石。


图4 手工修磨方式示意图


  值得一提的是油石修完刀后,第一刀所切出的片子表面光洁度可能会差些,这是由于油石划伤刃口侧面的镍层所致,一般切2~3刀晶体后此现象自然消失。


7结论


  金刚石内圆刀片是应半导体工业的特殊需要而发展起来的。在近半个世纪内,对这种重要工具的设计改进、生产和使用技术的提高,对半导体工业生产的发展产生了重要的影响。人们应该认识到内圆切割是刀片及其操作者同等重要这一事实。




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