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蓝宝石行业加工用金刚石砂轮介绍

日期:2018-01-21




1、蓝宝石加工流程

1.1衬底蓝宝石片制程

从蓝宝石晶锭到最后的衬底蓝宝石片,主要包括以下步骤:长晶→ 掏棒→ 头尾截断→滚磨→晶棒定向→切片→倒角磨边→粗精研磨→CMP抛光。每一个步骤均需要配备不同的金刚石工具来完成,主要工具有钻头、砂轮、线锯等。

长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体;

掏棒:使用蓝宝石钻头(高精度套料钻头)从蓝宝石晶体中掏出蓝宝石晶棒;

滚磨:使用金刚石砂轮(树脂结合剂或金属结合剂)进行晶棒的结晶方向平研、外径研磨,得到精确的外圆尺寸精度;(19.现在粗磨一般是金属砂轮、精磨是陶瓷砂轮,也有企业用树脂砂轮粗精磨)

定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,便于精准切片加工;

切片:使用金刚石线锯将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片;

倒角磨边:采用金属结合剂金刚石砂轮将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度;

研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平面度。分粗研磨和精研磨,涉及的磨料磨具产品主要有金刚石磨盘、金刚石研磨液、金刚石背面减薄砂轮等;

抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级精度,多使用CMP抛光液。

1.2 封装制程

磊晶及封装制程主要包括以下步骤:衬底片→外延片→蒸镀刻蚀→热处理→背面减薄→研磨抛光→划片测试→固晶→打线封装→切割→测试。主要涉及的磨料磨具产品为金刚石超薄划片刀、金刚石背面减薄砂轮、研磨液、抛光液等。

2、部分磨料磨具产品介绍

2.1 高精密金刚石砂轮

金刚石砂轮在蓝宝石、硅片等硬脆材料加工过程中的应用最为广泛,从晶棒的处理到晶片的粗加工进而到精加工等步骤,均要用到不同种类的金刚石砂轮。图2为4种代表砂轮,分别是晶棒滚圆砂轮(图3a)、平面研磨砂轮(图3b)、减薄砂轮(图3c)以及抛光砂轮(图3d)等,金刚石粒度从100#到8000#均有涉及,胎体材料包括金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂。

图3 金刚石砂轮

如前所述,蓝宝石加工过程也用到大量金刚石砂轮。比如,外径研磨、结晶向平研,主要使用树脂结合剂金刚石砂轮,粗磨粒度在100#左右,精磨200#左右,树脂基有一定弹性,起到抛光作用,加工的工件质量好;倒角磨边砂轮为金属结合剂金刚石砂轮,常见尺寸规格:1FF1V/9 202*20*30*2.5,金属基具有较高的韧性和强度,槽型精度高,使用寿命长,主要磨削设备为东京精密、台湾大途等;窗口片粗研磨使用陶瓷金刚石磨盘(图4)加工,较之铸铁盘加工方式,具有加工效率高、精度高、研磨质量好、使用寿命长等优点。另外,背面减薄砂轮(图3-c)、金刚石研磨液(图4)等产品也大量使用,具有很大的市场价值。由于砂轮类型较多,本文就不再展开论述。

图4 金刚石磨盘和研磨液

2.2 金刚石超薄划片

超薄划片(图5)由金刚石和粘结剂组成一个圆环薄片状,厚度在0.015~0.3mm 之间,可分为金属结合剂刀片和树脂结合剂刀片两种。其中金属结合剂电镀刀片的厚度为0.015mm~0.1mm,金属结合剂热压刀片和树脂结合剂刀片的厚度为0.1mm~0.3mm。超薄划片广泛应用于电子工业对各种硬脆材料进行切割或开槽加工,如硅、锗、磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、光学陶瓷、玻璃等;具有切割精度高、割缝窄、使用寿命长等特点;使用时需装在专用设备上,可单刀使用也可多刀同时使用。

图5 金刚石超薄划片刀

据资料介绍,世界上超薄划片的年销售额达5亿多美元。目前,该类产品的市场主要被日本、美国等世界领先的公司所垄断。这些公司所生产的刀具性能稳定、规格种类齐全、具有很高的切割精度。我国电子工业正步入一个飞速发展期,对精密切割工具的需求也进入了高速增长期。但是由于国内该类产品发展起步较晚,其性能还存在诸多的缺陷,不能满足国内市场快速发展的要求,因此每年都要从国外进口大量的各种类型的划片。在国内,对薄型砂轮片进行研究和制造并打入市场的企业很少,因此对超薄划片的研究与开发,具有广阔的市场前景。

2.3 高精度套料钻头

套料钻头(图6)加工对象为蓝宝石等较为贵重的硬脆材料,主要用于表壳、光学玻璃、LED 衬底的加工,钻头的精度要求非常高。以 2 寸的套料钻头为例,日本的钻头售价可以达到 2500 元以上,国内钻头的售价也可达到 800 元以上,与同规格的工程钻头 (100 元左右)相比,这类产品具有极高的附加值.而且市场需求正在逐年增加,具有较为广阔的应用前景。

图6 套料钻头

套料钻头制造技术包括超薄环状刀头制造技术、高精度焊接技术以及钻头后续修磨技术;其中超薄环状刀头的质量对产品的最终使用性能起着决定性的作用,该项技术包括均匀混料、精细造粒、标准化热压烧结、脱模等一系列生产工艺和操作标准;高精度焊接技术是保证钻头同心度和焊接强度的关键步骤,包括焊接面处理、焊接同心调整、标准化焊接;钻头后续进行修磨,以进一步提高钻头的精度。

2.4 CMP 修整器

随着半导体工业的飞速发展,电子器件尺寸缩小,要求晶片表面平整度达到纳米级。传统的平坦化技术,仅仅能够实现局部平坦化,但是当最小特征尺寸达到0.25 μm 以下时,必须进行全局平坦化。目前唯一可以实现全局平坦化的技术为机械化学抛光技术(CMP),也就是用化学腐蚀和机械力对加工过程中的晶圆等衬底材料进行平滑处理。

CMP 的工作原理是将晶片固定在最下面,然后将抛光垫放置在研磨盘上,亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的研磨液在晶片表面和抛光垫之间流动;抛光时,旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上,对晶片进行平坦化处理。抛光垫属于消耗品,一般由多空性材料的聚亚胺脂材料制造,抛光垫表面必须定期用一个金刚石修整器来修整以提高寿命,这个修整器就是 CMP 修整器。CMP 修整器的作用是扫过垫表面来提高表面粗糙度并除去用过的浆料,修整器包含一个不锈钢盘以及一个镀镍(CVD 金刚石层)的金刚石磨粒,金刚石磨粒的粒度为20μm 左右(图7)。

图7 CMP修整器

3M 公司占据了 CMP 修整器的主要市场。抛光垫修整器用于抛光垫的形貌修整,对修整器的研究集中在修整器尺寸、金刚石颗粒粒度、金刚石颗粒密度、排列方式、粘接方式等方面;其中金刚石颗粒的粘接方式是主要研究内容,要求在保证修整器寿命的同时,不产生金刚石颗粒的脱落,以免造成对晶片的划伤。

3 结语

1)蓝宝石行业使用的磨料磨具产品较多,值得磨料磨具行业同仁关注。

2)由于工件(蓝宝石)附加值高,相应的金刚石工具性能要求高、稳定性必须好,使得金刚石工具的价格较高、利润较高。当前,蓝宝石行业大量使用进口砂轮,比如圣戈班、disco、则武、旭金刚、台湾钻石等,具有很大的国产化空间。



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