金刚石单线切割设备及切割技术

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摘要：本文着重介绍了金刚石单线切割机的发展技术背景，并就中国电子科技集团公司第四十五研究所基于金刚石线切割自主研发的JXQ-401单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，就金刚石线切割机理分析以及应用进行了初步的探讨。

关键字：恒张力控制 切断 切方 曲线切割

王仲康， 杨生荣

（中国电子科技集团第四十五研究所）

1.整机概括介绍

JXQ-401单线切割机主要用于碳化硅、蓝宝石等脆硬材料的分切。该产品由中国电子科技集团公司第45研究所自主研发设备，具有4项发明、3项实用新型专利，切割晶片最薄厚度可达180μm 。与传统游离态多线比较，具有节能环保，切割厚度可任意设定，同时具有切方、切断，异形曲面切割等功能。

设备性能参数

2.技术背景

传统上一般晶锭切成片状的方式是内圆切割，这种切片机的刀片刃口厚度在0.28～0.35mm 之间，加工效率较低，材料损耗大，出片率低、加工晶片表面质量较低,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，内圆锯片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。

上个世纪九十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，

使在工件和线中间的磨粒对工件进行磨

图1 整机

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削切割。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，则游离磨粒的方式将难以对工件的表面达到预期的切割。

为了改善上面的缺点，切割碳化硅等硬度大的材料，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着在钢丝表面,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。

3.关键技术描述及实施方法简述

JXQ-401单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切片表面粗糙度Ra 可达0.3μm 界同类设备领先地位。工艺实验表明，M&B

效率，还是断线率，

优于国外同类产品。图2

切割前后金刚石线变化图

图3

游离磨料和固定磨料切割效率对比图

图4 美国DWT 单线切割机

图5 DWT 单线控制原理示意图

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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；运行中工作台静止不动，切割线运动整体机构向下运动的切割方式。 JXQ-401单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，有效地解决了金刚石单线切割机的技术难题。主导轮可同时开6条平行等间距（0.34mm<槽距

<1mm ）条金刚石线导向槽，可以实现一次多片切割，大大地提高了设备的切割效率。

美国DWT 公司和瑞士M&B 的单线切割机，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、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

图6 45所JXQ-401单线切割机控制原理图

等形式的切割，取得了较理想的效果。

在切割实验中，从实验数据分析中可以看出，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0.2mm/min 时，能够获得更好的切割表面质量，在大于0.5mm/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，既有保证切片质量，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的硬度的增加而下降，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。通过近一年的工艺实验，我们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。

图8 SiC 切割晶片显微镜观测图（50

倍）

图7 碳化硅切片表面粗糙度检测数据

图9 SiC 切割晶片显微镜观测图（100倍）万方数据

金刚石单线切割设备及切割技术

作者：王仲康， 杨生荣， Wang ZhongKang， Yang ShengRong 作者单位：中国电子科技集团第四十五研究所

刊名：

电子元器件资讯

英文刊名：ECDN

年，卷(期)：2010(3)

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