超聲振動輔助單晶硅劃片的鋸切力研究

李政材，王江全，沈劍云

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超聲振動輔助單晶硅劃片的鋸切力研究

李政材，王江全，沈劍云

(華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021)

采用金剛石超薄鋸片對單晶硅劃片的工藝會在劃片時產生較大鋸切力，從而導致較大的崩邊損傷。而旋轉超聲輔助加工由于超聲振動的作用可以減小加工時所產的切削力，同時獲得較好的加工精度，越來越廣泛地應用于硬脆材料的加工中。為了驗證超聲輔助對單晶硅劃片中鋸切力的作用，在實驗中將超聲振動添加到鋸片上，使其產生徑向的振動來完成對單晶硅的劃片。并通過對比有超聲振動輔助與無超聲振動輔助的單晶硅劃片的鋸切力，對超聲振動輔助劃片中鋸切力的特點進行分析。實驗結果表明，超聲輔助劃片所產生的鋸切力比無超聲輔助劃片所產生的鋸切力小，說明超聲振動的添加可以降低鋸切力。同時在超聲劃片中產生的崩邊要小于非超聲加工條件下的崩邊情況，說明超聲振動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

從硅片生產到半導體芯片的制成過程中需要經歷一系列的工藝步驟，其中劃片是比較靠后的工藝之一，在該工藝中產生缺陷將不會被后續的工藝所消除，而是殘留于芯片中，這使得芯片在使用過程中會產生不穩定的現象。

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會使硅片材料中產生較大的內應力，迫使硅片產生破碎。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使切縫周圍產生熱應力，溫度急劇變化會導致硅片邊緣的崩碎。而超薄金剛石砂輪劃片工藝具有加工效率高、劃切產生的切削力較小等優點，是目前應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產生比較嚴重的崩邊現象，從而降低產品的質量[1-4]。

由于超聲振動輔助加工方法對硬脆材料的加工具有加工效率高、加工質量好等優點[5-6]，目前被廣泛地應用于玻璃、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象[11-12]。

因此，本文中采用專用的超聲輔助劃切設備，該設備使用異形變幅桿，可使超聲振動沿著鋸片的徑向傳播來對硅片進行劃片。文章對劃片的切削過程中產生的切削力進行研究，以探索超聲輔助劃片的特點。

1 超聲振動輔助劃片模型建立與分析

在超聲輔助劃片加工中，磨粒對材料進行切除的本質與傳統的磨粒加工并無差異，只是磨粒切削的形式發生了變化。超聲加工中的磨粒是在有序的振動下完成對材料的切削，如圖1所示。

從該模型中可以看出，單顆的磨粒在經過切削弧區這段時間內，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迫使磨粒對材料表層產生高頻的沖擊，使得材料表層出現裂紋，磨粒在切入材料表層會變得更容易，同時高頻的沖擊作用還會使得切屑細化。這些特點都能夠有效地改善磨粒切削的效果。

2 實驗條件與方案

本實驗采用超聲波鋸切專用刀柄，如圖2所示。該刀柄是利用超聲振動的傳導特點，通過異形變幅桿，將超聲波振動由軸向的振動方式轉變為徑向的振動方式，利用LK-H085激光位移傳感器，測得一級變幅桿軸向振幅為10 μm，對鋸片邊緣的徑向振動為3 μm。振動傳播原理如圖3所示。

該刀柄通用于加裝BT40刀柄的加工機床。在本實驗中將該刀柄裝于三軸加工中心，完成對硅片的鋸切。實驗加工裝置系統如圖4所示。

本實驗中采用的測力儀為瑞士Kistler 9257B通用三向測力儀，數據采集系統使用的是DEWESIRIUS-STG8采集系統。觀察硅片崩邊使用的是基恩士的VHX-100超景深顯微鏡。實驗中采用的金屬結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。具體實驗加工參數詳見表1。

表1 實驗加工參數

實驗中采用一次切斷的方法，使刀具沿著軸負方向對硅片進行鋸切，并對不同參數下的數據進行記錄與分析。

3 實驗結果分析與討論

3.1 鋸切力的分析

對于鋸切力的研究首先從加工時的受力情況來分析，圖5為鋸切過程中鋸片的受力情況。

根據實際情況推斷，鋸片在加工過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方向的分力F與F，通過測力儀所測得的力就是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。又因為鋸切材料的厚度與鋸片直徑相差較大，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在數值上相等，F與F在數值上相等。

3.2 加工參數與鋸切力的關系

圖6中表示的是在固定轉速=1300 r/min時，超聲加工與普通加工中進給速率與鋸切力的關系。

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。這是因為，在轉速與切深不變的情況下，增大進給速率會導致單位時間內材料的去除量增大，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生的鋸切力。其中超聲加工產生的F相對于非超聲加工產生的F平均降低18%，超聲加工產生的F比非超聲加工產生的F平均降低15%。這說明添加超聲振動后，磨粒對材料表面產生沖擊作用，迫使材料更加容易去除，導致了鋸切力的降低。

圖7中表示在固定的進給速率v=65 mm/min時，超聲加工與普通加工的主軸轉速與鋸切力的關系。實驗中隨著主軸轉速的升高，鋸切力會不斷地降低。其原因是轉速的提高會導致單顆磨粒的切削厚度減小，從而使得切削力降低。同時從圖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%。推測其原因為超聲振動的添加迫使單顆磨粒切削厚度進一步減小，導致鋸切力降低。

3.3 材料去除率與鋸切力的關系

圖8表示在不同的材料去除率Q以及不同的轉速下，超聲加工鋸切力與普通加工鋸切力的對比情況。從圖8中可以發現，在較低材料去除率下超聲振動對于鋸切力的作用并不明顯。當去除率增大到一定程度時，超聲振動對于鋸切力的作用才比較明顯。這說明超聲振動作用對于較大去除率的加工具有優勢，反之也說明超聲振動的添加可以提高加工效率。

3.4 超聲加工對材料崩邊影響

在加工參數=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，超聲加工產生崩邊的最大尺寸為45.95 μm，非超聲加工產生崩邊的最大尺寸為47.80 μm?？梢?，超聲產生的崩邊尺寸要小于非超聲加工產生的崩邊尺寸。

同時對比圖9(a)與9(b)中虛線方框里的崩邊情況可以發現，超聲加工產生的平均崩碎情況要小于非超聲加工產生的崩碎情況。從圖9(b)橢圓虛線框中可以看出，超聲加工產生較大的崩碎還是要小于非超聲加工產生的崩碎。同時結合該參數下，所獲得的超聲加工的切割力要小于非超聲加工產生的切割力，可以說明切割力的降低會減小硅片的崩邊，超聲切割可以在一定程度上抑制崩邊的產生。

(a) 材料去除率與F的關系

(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 結論

本文采用超聲輔助劃片與普通劃片兩種方式對硅片進行了鋸切，建立并分析了超聲輔助劃切的模型，同時對鋸切時的受力情況進行了分析。通過對比超聲加工與普通加工得出以下結論：

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

（2）通過對比超聲加工與非超聲加工時去除率與鋸切力的關系，在相同去除率下超聲加工所產生的鋸切力要小于普通加工產生的鋸切力。同時在較大去除率的情況下，超聲切割更具優勢。

（3）實驗中通過對硅片崩邊情況的觀察，發現在超聲切割加工下硅片產生的崩邊要小于非超聲切割，說明超聲切割可以抑制崩邊的產生。

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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

國家自然科學基金資助項目(51275181)

李政材(1990－), 男, 山西忻州人, 碩士研究生, 研究方向為高效精密加工。

李政材, E-mail: 1174697344@qq.com