李政材，王江全，沈劍云

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超聲振動(dòng)輔助單晶硅劃片的鋸切力研究

李政材，王江全，沈劍云

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門(mén)361021)

采用金剛石超薄鋸片對(duì)單晶硅劃片的工藝會(huì)在劃片時(shí)產(chǎn)生較大鋸切力，從而導(dǎo)致較大的崩邊損傷。而旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工由于超聲振動(dòng)的作用可以減小加工時(shí)所產(chǎn)的切削力，同時(shí)獲得較好的加工精度，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于硬脆材料的加工中。為了驗(yàn)證超聲輔助對(duì)單晶硅劃片中鋸切力的作用，在實(shí)驗(yàn)中將超聲振動(dòng)添加到鋸片上，使其產(chǎn)生徑向的振動(dòng)來(lái)完成對(duì)單晶硅的劃片。并通過(guò)對(duì)比有超聲振動(dòng)輔助與無(wú)超聲振動(dòng)輔助的單晶硅劃片的鋸切力，對(duì)超聲振動(dòng)輔助劃片中鋸切力的特點(diǎn)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲輔助劃片所產(chǎn)生的鋸切力比無(wú)超聲輔助劃片所產(chǎn)生的鋸切力小，說(shuō)明超聲振動(dòng)的添加可以降低鋸切力。同時(shí)在超聲劃片中產(chǎn)生的崩邊要小于非超聲加工條件下的崩邊情況，說(shuō)明超聲振動(dòng)降低鋸切力可抑制硅片的崩邊。

超聲輔助加工；單晶硅；劃片；鋸切力

0 引言

從硅片生產(chǎn)到半導(dǎo)體芯片的制成過(guò)程中需要經(jīng)歷一系列的工藝步驟，其中劃片是比較靠后的工藝之一，在該工藝中產(chǎn)生缺陷將不會(huì)被后續(xù)的工藝所消除，而是殘留于芯片中，這使得芯片在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

硅片劃片的方法主要有金剛石劃片、激光劃片和超薄金剛石砂輪劃片。金剛石劃片工藝主要取決于金剛石尖端的加工工藝，而且在加彎曲力矩時(shí)會(huì)使硅片材料中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，迫使硅片產(chǎn)生破碎。激光劃片是利用激光的高溫迫使照射的局部范圍內(nèi)的硅材料瞬間氣化，完成硅片的分離，但是由于激光的高溫會(huì)使切縫周?chē)a(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度急劇變化會(huì)導(dǎo)致硅片邊緣的崩碎。而超薄金剛石砂輪劃片工藝具有加工效率高、劃切產(chǎn)生的切削力較小等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣的硅片劃片工藝。但是由于硅片本身屬于硬脆性材料，在金剛石超薄劃片中會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的崩邊現(xiàn)象，從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量[1-4]。

由于超聲振動(dòng)輔助加工方法對(duì)硬脆材料的加工具有加工效率高、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，目前被廣泛地應(yīng)用于玻璃、陶瓷等材料的加工[7-10]。在加工中可以有效降低切削力，減少因材料受力的作用而引起的崩邊等現(xiàn)象[11-12]。

因此，本文中采用專(zhuān)用的超聲輔助劃切設(shè)備，該設(shè)備使用異形變幅桿，可使超聲振動(dòng)沿著鋸片的徑向傳播來(lái)對(duì)硅片進(jìn)行劃片。文章對(duì)劃片的切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力進(jìn)行研究，以探索超聲輔助劃片的特點(diǎn)。

1 超聲振動(dòng)輔助劃片模型建立與分析

在超聲輔助劃片加工中，磨粒對(duì)材料進(jìn)行切除的本質(zhì)與傳統(tǒng)的磨粒加工并無(wú)差異，只是磨粒切削的形式發(fā)生了變化。超聲加工中的磨粒是在有序的振動(dòng)下完成對(duì)材料的切削，如圖1所示。

從該模型中可以看出，單顆的磨粒在經(jīng)過(guò)切削弧區(qū)這段時(shí)間內(nèi)，其與材料的相互作用為間歇式接觸，這種間歇接觸使得加工中的容屑空間變大。并且高頻的超聲振動(dòng)迫使磨粒對(duì)材料表層產(chǎn)生高頻的沖擊，使得材料表層出現(xiàn)裂紋，磨粒在切入材料表層會(huì)變得更容易，同時(shí)高頻的沖擊作用還會(huì)使得切屑細(xì)化。這些特點(diǎn)都能夠有效地改善磨粒切削的效果。

2 實(shí)驗(yàn)條件與方案

本實(shí)驗(yàn)采用超聲波鋸切專(zhuān)用刀柄，如圖2所示。該刀柄是利用超聲振動(dòng)的傳導(dǎo)特點(diǎn)，通過(guò)異形變幅桿，將超聲波振動(dòng)由軸向的振動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閺较虻恼駝?dòng)方式，利用LK-H085激光位移傳感器，測(cè)得一級(jí)變幅桿軸向振幅為10 μm，對(duì)鋸片邊緣的徑向振動(dòng)為3 μm。振動(dòng)傳播原理如圖3所示。

該刀柄通用于加裝BT40刀柄的加工機(jī)床。在本實(shí)驗(yàn)中將該刀柄裝于三軸加工中心，完成對(duì)硅片的鋸切。實(shí)驗(yàn)加工裝置系統(tǒng)如圖4所示。

本實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)力儀為瑞士Kistler 9257B通用三向測(cè)力儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是DEWESIRIUS-STG8采集系統(tǒng)。觀察硅片崩邊使用的是基恩士的VHX-100超景深顯微鏡。實(shí)驗(yàn)中采用的金屬結(jié)合劑超薄金剛石鋸片尺寸為50 mm×0.3 mm×25.4 mm；粒度為23 μm；濃度為25%。硅片使用P {100}型雙面拋光硅片，其尺寸為10 mm×20 mm×0.5 mm。具體實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用一次切斷的方法，使刀具沿著軸負(fù)方向?qū)杵M(jìn)行鋸切，并對(duì)不同參數(shù)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 鋸切力的分析

對(duì)于鋸切力的研究首先從加工時(shí)的受力情況來(lái)分析，圖5為鋸切過(guò)程中鋸片的受力情況。

根據(jù)實(shí)際情況推斷，鋸片在加工過(guò)程中受到的合力大小為，該合力分解到與方向便可以得到這兩個(gè)方向的分力F與F，通過(guò)測(cè)力儀所測(cè)得的力就是F與F。而將合力分解到鋸片的徑向和切向，便可獲得法向力F和切向力F。又因?yàn)殇徢胁牧系暮穸扰c鋸片直徑相差較大，所以F、F與合力之間的夾角1和2基本相等，那么可以近似地看作F與F在數(shù)值上相等，F與F在數(shù)值上相等。

3.2 加工參數(shù)與鋸切力的關(guān)系

圖6中表示的是在固定轉(zhuǎn)速=1300 r/min時(shí)，超聲加工與普通加工中進(jìn)給速率與鋸切力的關(guān)系。

從圖6中可以看出，隨著鋸切速率的增大，鋸切力也隨之增大。這是因?yàn)?，在轉(zhuǎn)速與切深不變的情況下，增大進(jìn)給速率會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)材料的去除量增大，從而使得鋸切力增加，超聲加工的鋸切力要小于普通加工產(chǎn)生的鋸切力。其中超聲加工產(chǎn)生的F相對(duì)于非超聲加工產(chǎn)生的F平均降低18%，超聲加工產(chǎn)生的F比非超聲加工產(chǎn)生的F平均降低15%。這說(shuō)明添加超聲振動(dòng)后，磨粒對(duì)材料表面產(chǎn)生沖擊作用，迫使材料更加容易去除，導(dǎo)致了鋸切力的降低。

圖7中表示在固定的進(jìn)給速率v=65 mm/min時(shí)，超聲加工與普通加工的主軸轉(zhuǎn)速與鋸切力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，鋸切力會(huì)不斷地降低。其原因是轉(zhuǎn)速的提高會(huì)導(dǎo)致單顆磨粒的切削厚度減小，從而使得切削力降低。同時(shí)從圖7中還可以看出，在超聲輔助加工下的鋸切力比普通加工的鋸切力小，在超聲作用下F與F分別相較普通加工降低14%與12%。推測(cè)其原因?yàn)槌曊駝?dòng)的添加迫使單顆磨粒切削厚度進(jìn)一步減小，導(dǎo)致鋸切力降低。

3.3 材料去除率與鋸切力的關(guān)系

圖8表示在不同的材料去除率Q以及不同的轉(zhuǎn)速下，超聲加工鋸切力與普通加工鋸切力的對(duì)比情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在較低材料去除率下超聲振動(dòng)對(duì)于鋸切力的作用并不明顯。當(dāng)去除率增大到一定程度時(shí)，超聲振動(dòng)對(duì)于鋸切力的作用才比較明顯。這說(shuō)明超聲振動(dòng)作用對(duì)于較大去除率的加工具有優(yōu)勢(shì)，反之也說(shuō)明超聲振動(dòng)的添加可以提高加工效率。

3.4 超聲加工對(duì)材料崩邊影響

在加工參數(shù)=1800 r/min、v=50 mm/min以及超聲加工條件與非超聲加工條件下的硅片崩邊情況如圖9所示。從圖9中可以看出，超聲加工產(chǎn)生崩邊的最大尺寸為45.95 μm，非超聲加工產(chǎn)生崩邊的最大尺寸為47.80 μm。可見(jiàn)，超聲產(chǎn)生的崩邊尺寸要小于非超聲加工產(chǎn)生的崩邊尺寸。

同時(shí)對(duì)比圖9(a)與9(b)中虛線方框里的崩邊情況可以發(fā)現(xiàn)，超聲加工產(chǎn)生的平均崩碎情況要小于非超聲加工產(chǎn)生的崩碎情況。從圖9(b)橢圓虛線框中可以看出，超聲加工產(chǎn)生較大的崩碎還是要小于非超聲加工產(chǎn)生的崩碎。同時(shí)結(jié)合該參數(shù)下，所獲得的超聲加工的切割力要小于非超聲加工產(chǎn)生的切割力，可以說(shuō)明切割力的降低會(huì)減小硅片的崩邊，超聲切割可以在一定程度上抑制崩邊的產(chǎn)生。

(a) 材料去除率與F的關(guān)系

(a) The relationship between material removal rate andF

(a) 非超聲切割硅片崩邊

(a) Chipping of silicon wafer in non-ultrasonic sawing

4 結(jié)論

本文采用超聲輔助劃片與普通劃片兩種方式對(duì)硅片進(jìn)行了鋸切，建立并分析了超聲輔助劃切的模型，同時(shí)對(duì)鋸切時(shí)的受力情況進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)比超聲加工與普通加工得出以下結(jié)論：

（1）隨著進(jìn)給速度和材料去除速率的增大，超聲加工與普通加工所產(chǎn)生的鋸切力都會(huì)增大，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加超聲加工與非超聲加工產(chǎn)生的鋸切力都會(huì)降低。但是超聲加工所產(chǎn)生的力均要小于普通加工所產(chǎn)生的鋸切力，所以在一定加工參數(shù)下超聲振動(dòng)輔助可以降低鋸切力。

（2）通過(guò)對(duì)比超聲加工與非超聲加工時(shí)去除率與鋸切力的關(guān)系，在相同去除率下超聲加工所產(chǎn)生的鋸切力要小于普通加工產(chǎn)生的鋸切力。同時(shí)在較大去除率的情況下，超聲切割更具優(yōu)勢(shì)。

（3）實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)硅片崩邊情況的觀察，發(fā)現(xiàn)在超聲切割加工下硅片產(chǎn)生的崩邊要小于非超聲切割，說(shuō)明超聲切割可以抑制崩邊的產(chǎn)生。

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Study of sawing force in ultrasonic vibration assisted monocrystalline silicon dicing

LI Zheng-cai,WANG Jiang-quan, SHEN Jian-yun

(College of Mechanical Engineering & Automation, Huaqiao University, Xiamen361021, Fujian, China)

In the monocrystalline silicon dicing process with ultra-thin diamond blade, a bigger sawing force can be generated, which leads to a big chipping damage. The rotary ultrasonic assisted machining with ultrasonic vibration can reduce cutting force in processing and obtain good machining precision. Thus this machining method has been more and more widely used in hard brittle materials processing. In order to reduce the sawing force in monocrystalline silicon dicing process, ultrasonic vibration is applied to the saw blade, which makes the blade having a radial vibration, to complete the dicing of monocrystalline silicon.The characteristics of ultrasonic sawing force are analyzed through the comparison of sawing force between ultrasonic dicing and non-ultrasonic dicing. The experimental results show that the sawing force generated by the ultrasonic assisted dicing is smaller than that by the non-ultrasonic dicing, and so is the chapping damage. It indicates that chipping of silicon wafer can be inhibited by the smaller force generated in ultrasonic machining.

ultrasonic assisted machining; monocrystalline silicon; dicing; sawing force

B845.2 Q62

A

1000-3630(2016)-04-0331-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.009

12016-04-08;

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275181)

李政材(1990－), 男, 山西忻州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楦咝Ь芗庸ぁ?/p>

李政材, E-mail: 1174697344@qq.com