尹韶輝， 廖啟圣， 胡 天， 龔 勝， 陳逢軍

(1. 湖南大學(xué)， 國家高效磨削工程技術(shù)研究中心， 長沙 410082)(2. 長沙華騰智能裝備有限公司， 長沙 410082)

精密劃片機(jī)主要用于硅片、玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷、砷化鎵、鐵氧體等材料的加工，廣泛應(yīng)用于集成電路(IC)、半導(dǎo)體、LED、光學(xué)元器件等行業(yè)。在集成電路的后封裝工藝過程中，切割半導(dǎo)體芯片是第一道工序[1]，芯片分離要求切縫窄、崩邊小、裂紋少、無分層[2]，設(shè)備切割的質(zhì)量與效率直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。

劃片機(jī)作為半導(dǎo)體后序加工設(shè)備之一，受到了國內(nèi)外各廠商的重視。日本DISCO公司在1972年研制出了世界上第一臺砂輪劃片機(jī)[3]。目前，市場上使用的主流劃片機(jī)主要來自國外，包括日本DISCO、韓國NEONTHCH、以色列ADT等公司。國內(nèi)對劃片機(jī)的研究起步較晚。馮曉國等[4]研制的劃片機(jī)，其主軸創(chuàng)新性地通過杠桿來實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，使行程達(dá)到了300 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到1.0 μm。中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所[5]研制了HP-602型精密自動(dòng)劃片機(jī)，其整機(jī)集成了直線滾動(dòng)導(dǎo)向、空氣靜壓支承、計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的對準(zhǔn)、自動(dòng)劃切和故障診斷等功能。張明明等[6]在研制ZSH5型砂輪劃片機(jī)中利用擬合曲線與光柵反饋值進(jìn)行精度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了定位精度。但國內(nèi)研制的劃片機(jī)相對于國外先進(jìn)的劃片機(jī)，切割質(zhì)量較差、切片效率偏低。為解決國內(nèi)劃片機(jī)嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面，研制加工質(zhì)量好、效率高的劃片機(jī)具有重要意義。

為提高切片效率，減少人工成本，我們研制了一種應(yīng)用超薄金剛石砂輪劃片工藝的雙軸精密劃片機(jī)。該劃片機(jī)采用視覺系統(tǒng)自動(dòng)對刀，并配備了自動(dòng)上下料系統(tǒng)，大大提高了劃片質(zhì)量和切片效率。

1 劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)布局與工作過程

本次研制的雙軸劃片機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機(jī)采用雙軸龍門式結(jié)構(gòu)。為了節(jié)省空間，Y1軸電機(jī)②和Y2軸電機(jī)③安裝在同一側(cè)，并采用光柵尺⑨反饋實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，以提高Y軸的定位精度。主軸一⑥與主軸二⑩采用對向雙軸式安裝結(jié)構(gòu)，其基座⑧和⑨分別安裝在Z1軸和Z2軸上，通過Z軸的升降運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)劃片過程中的抬刀和落刀功能。旋轉(zhuǎn)工作臺安裝在X軸上，采用DD馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，確?；剞D(zhuǎn)精度。

光學(xué)成像自動(dòng)對刀系統(tǒng)⑦安裝在Z1軸上,包含了CCD相機(jī)、鏡頭和光源。通過對OpenCV開源庫的改進(jìn)和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)圖像的去雜質(zhì)處理、清晰度評價(jià)和亞像素級別的模版匹配，配合X軸、Y1軸、Z1軸和轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)對焦功能和高精度、高識別率的特征識別功能，從而實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)對刀。

相比于國內(nèi)傳統(tǒng)的單主軸、手動(dòng)上下料劃片機(jī)，本次研制的劃片機(jī)結(jié)構(gòu)布局簡單、緊湊、定位精度高。上下料系統(tǒng)可有效利用機(jī)床的剩余空間，在不增加機(jī)床占地面積的同時(shí)，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。視覺系統(tǒng)為自主研發(fā)，不僅可降低生產(chǎn)成本，而且能提高效率和精度。整機(jī)設(shè)備外觀如圖2所示。

2 機(jī)床性能的檢測結(jié)果

采用雷尼紹XL-80激光干涉儀等精密檢測儀器對該雙軸劃片機(jī)的性能進(jìn)行檢測，主要的檢測項(xiàng)目包括各軸的運(yùn)動(dòng)行程、Y軸與Z軸的定位精度和重復(fù)定位精度、旋轉(zhuǎn)工作臺的角度誤差、最大切片速度、主軸轉(zhuǎn)速范圍、工作臺的平面度以及切片效率等。其中切割效率采用的評價(jià)指標(biāo)是以最大切割速度來加工LED芯片，每小時(shí)可獲得的芯片顆粒數(shù)。檢測結(jié)果如表1所示，與其他單軸劃片機(jī)相比(表2)，本次研制的劃片機(jī)在加工范圍、Y軸定位精度、Z軸重復(fù)定位精度以及切片效率上有了很大提高。

表1 雙軸劃片機(jī)性能的檢測結(jié)果

表2 其他單軸劃片機(jī)的部分性能

其中，定位精度的檢測方法如下：Y軸系從原點(diǎn)起將行程按25 mm等分，Z軸系從原點(diǎn)起將行程按5 mm等分，使用激光干涉儀測量運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)至各個(gè)位置點(diǎn)時(shí)實(shí)際位置與指令位置的誤差。Y軸系與Z軸系的測量結(jié)果如圖3、圖4所示。

3 劃切試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證所研制劃片機(jī)的性能，對常用的加工材料：φ50.8 mm×0.5 mm的圓形藍(lán)寶石基片、120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型號LED芯片基板和φ76.2 mm ×0.5 mm的圓形硅片進(jìn)行加工。選用超薄金剛石砂輪刀片，刀具參數(shù)如表3所示。

表3 刀具特性

使用超景深VHX1000和金相顯微鏡來觀察并測量刀片劃切深度、劃切位置的偏差以及切縫的相對縫寬和崩邊寬度，以此來驗(yàn)證該機(jī)床的精度和劃片質(zhì)量。試驗(yàn)的工藝參數(shù)如表4所示。

3.1 劃切深度的精度驗(yàn)證

試驗(yàn)使用樹脂軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對φ50.8 mm×0.5 mm圓形藍(lán)寶石基片進(jìn)行劃切，每次劃切前，采用測高對刀具磨損進(jìn)行補(bǔ)償。如圖5所示，劃片機(jī)在劃片時(shí)，首先將藍(lán)寶石基片粘在UV膜上表面，然后通過真空固定在工作臺上。使用其他劃片機(jī)劃切時(shí)，劃切溝槽的實(shí)際深度與設(shè)計(jì)深度的最大誤差一般達(dá)到了8.0 μm。

表4 工藝參數(shù)

使用超景深VHX1000測量加工后的溝槽形貌，得到溝槽的三維形貌圖如圖6所示。測量點(diǎn)的分布如圖7所示，即在軸一與軸二所切的溝槽上各取25個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖8所示。

從圖8可看出：軸一所切溝槽的實(shí)際深度與設(shè)計(jì)深度的最大誤差為5.2 μm，軸二所切溝槽的實(shí)際深度與設(shè)計(jì)深度的最大誤差為4.8 μm，與其他劃片機(jī)相比，劃切深度的誤差降低。在劃片機(jī)中，影響劃切溝槽深度精度的主要因素是工作臺的平面度和Z軸系的重復(fù)定位精度。工作臺越平整、Z軸系重復(fù)定位精度越高，劃切深度的綜合誤差就越小。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機(jī)的工作臺平面度和Z軸系的重復(fù)定位精度滿足劃切深度的精度要求。

3.2 劃切位置的精度驗(yàn)證

試驗(yàn)使用電鍍軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對120 mm×50 mm×0.6 mm的方形0603型號LED芯片基板進(jìn)行劃切。如圖9所示，該工件由多個(gè)小芯片組成，在芯片與芯片間預(yù)留了待切割的切割道，稱為理想切割道，其寬度為0.3 mm。在劃切工件時(shí)，劃痕不能越出工件的理想切割道，否則會將芯片損壞。使用其他劃片機(jī)劃切時(shí)，切痕的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置(即理想切割道中心)的最大誤差一般達(dá)到7.0 μm。

劃切后實(shí)物圖如圖10所示。采用精密金相顯微鏡對劃痕進(jìn)行采樣和測量，測量方法如下：首先測出切痕的寬度d1，然后測出理想切割道上邊緣與切痕上邊緣的距離d2，最后計(jì)算切痕的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的誤差T，計(jì)算公式如式(1)：

(1)

其中：d1、d2為寬度或距離值，單位為mm；T為誤差值，單位為μm。

分別取軸一與軸二所切的10條切痕進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：軸一切痕的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的最大誤差為4.7 μm，軸二切痕的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的最大誤差為4.8 μm。與其他劃片機(jī)相比，劃切位置的誤差降低。在劃片機(jī)中，影響劃切位置精度的主要因素是Y軸的定位精度，Y軸的作用是帶動(dòng)主軸進(jìn)行分度進(jìn)給，其定位精度越高，切痕實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的誤差就會越小。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機(jī)Y軸系的定位精度滿足劃切位置的精度要求。

3.3 劃切質(zhì)量驗(yàn)證

試驗(yàn)使用樹脂軟刀，采用表4所示的工藝參數(shù)，對φ76.2 mm ×0.5 mm圓形硅片進(jìn)行劃切。硅片劃切質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)主要是最大崩邊寬度和切縫寬度[7]，如圖12所示。

采用超景深VHX1000對切縫進(jìn)行采樣，測量其最大崩邊寬度Cmax和切縫寬度K，為了消除刀片厚度的影響，采用相對縫寬Kwr作為劃切質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如式(2)：

(2)

其中：Tr表示刀具厚度，單位為mm。

使用其他劃片機(jī)劃切硅片時(shí)，最大的崩邊寬度達(dá)到了12 μm，最大的相對縫寬達(dá)到了1.10，劃切表面易出現(xiàn)毛刺。

各取軸一與軸二所切的5條切縫進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖13、圖14所示。結(jié)果表明：軸一與軸二所切切縫的相對縫寬在1.04以內(nèi)，最大的崩邊寬度為9.5 μm，劃切表面平整光滑、無毛刺，與其他劃片機(jī)相比，劃片的質(zhì)量得到了明顯的提高。在劃片機(jī)中，影響劃切質(zhì)量的主要因素是刀盤面與X軸的平行度、刀盤面與工作臺Z向的平行度和刀盤的端面跳動(dòng)[8]。刀盤面與X軸平行度越高、與工作臺Z向的平行度越高、其端面跳動(dòng)越小，則劃切質(zhì)量就會越高。綜上所述，本次研制的雙軸劃片機(jī)的性能滿足劃切質(zhì)量的要求。

4 結(jié)論

研制的劃片機(jī)結(jié)構(gòu)上不僅能夠同時(shí)使用雙主軸進(jìn)行劃切，而且設(shè)計(jì)了自動(dòng)上下料結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多盤的全自動(dòng)切割，大大提高了設(shè)備的切片效率。自主研發(fā)的視覺對刀系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的自動(dòng)對刀功能。經(jīng)過檢測，Y1/Y2軸的全程定位精度達(dá)到1.5 μm，Z1/Z2軸的重復(fù)定位精度達(dá)到1.0 μm，與其他劃片機(jī)相比，各軸的定位精度和重復(fù)定位精度得到提高；切片效率提升80%。通過劃切試驗(yàn)，該設(shè)備劃切的深度誤差不超過5.2 μm，位置誤差不超過4.8 μm，同時(shí)切縫的寬度和崩邊寬度小，表面光滑無毛刺。與其他設(shè)備相比，其加工誤差更低、劃片質(zhì)量更高，劃片機(jī)的加工性能明顯提升。