Tekhnologiya_sborki_integralnyh_skhem

ровать усилие на валике: приложив большое усилие, можно разру-

шить хрупкие полупроводниковые кристаллы.

Для улучшения качества разламывания применяют установки, в которых валики движутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировку нагрузки.

Более совершенным является способ прокатывания пластины между двумя валиками (рис. 2.11), при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски. Пластину 1, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками– верхнимупругим (резиновым) и нижним стальным4.

Рис. 2.11. Размалывание полупроводниковой пластины прокатыванием между двумя валиками:

1 – пластина; 2 – валик; 3 – защитная пленка; 4 – стальной валик; 5 – пленка-носитель

Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носи- теле 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой 3. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластин, устанавливают перемещением одного из них (нижнего). При прокатке более упругий валик, в зависимости от толщины пластины, деформируется, и к ней прикладывается нагрузка, пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски. Пластина изгибается и разламывается по рискам: вначале на полоски, а после поворота на 90º – на кристаллы.

30

или полуцилиндра для различных размеров кристаллов должен быть различным. При малой кривизне необходимо создавать большое давление на пластину, которое ограничивает размеры кристаллов ИС, так как при больших размерах возникает угроза повреждения самих кристаллов. Достоинствами данного способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1,0–1,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются друг относительно друга. Недостатки: невысокий процент выхода годных изделий (до 90 %); разброс кристаллов по размерам (50–100 мкм), что ограничивает возможности автоматизации последующих операций сборки. Этих недостатков практически лишен метод разделенияпластин резкой алмазнымирежущими дисками.

2.5. Резка алмазными режущими дисками

Одностадийный процесс разделения полупроводниковых пластин сквозным разрезанием ее алмазными режущими дисками, наиболее широко распространен в производстве изделий микроэлектроники. Он сочетается с методом разделения пластины, приклеенной на адгезионный носитель. Резку алмазными режущими дисками характеризуют две взаимосвязанные составляющие (рис. 2.13): инструмент – алмазный режущий диск – и режимы резания. Для выбранного инструмента устанавливаются режимы резания, и наоборот, причем взаимосвязь будет различной при различных характеристиках материала резания. При изготовлении алмазных дисков алмазоносный слой получают двумя способами.

31

При первом способе смесь механического и алмазного порошка уплотняют, спекают и охлаждают под давлением. Используется связка типа оловянных бронз, обладающих высокой пластичностью при температуре спекания и обеспечивающих прочное сцепление алмазных зерен. Диски, полученные спе-

канием, имеют высокие стойкость а б г и точность геометрических размеров (рис. 2.13, а и б). Второй – гальванический способ получения алмазного слоя применяют при из-

готовлении дисков с внутренней алмазной режущей кромкой. Его недостаток – трудность получения тонких (менее 0,15 мм) дисков изза нежесткости металлической основы. Алмазный диск (рис. 2.13, в) имеет жесткий алюминиевый корпус, на котором электролитическим осаждением нанесен алмазный слой с никелевой связкой.

Лезвия алмазных режущих дисков закрепляются в специальных разборных и неразборных корпусах, причем лезвия бывают синтезированные, спрессованные и полученные методом гальваностегии. Для разделения пластин из «легких» материалов (Si, GaAs и т. п.) наиболее часто используют алмазные режущие диски, полученные гальваностегией. Сначала изготавливается алюминиевый корпус, на который методом электролитического осаждения наносится никель с алмазными зернами. Затем часть корпуса удаляется химическим травлением для вскрытия режущей кромки. Такие алмазные режущие диски относятся к классу корпусных. Они удобны в эксплуатации, так как исключают прикосновение оператора к лезвию, обладают хорошей взаимозаменяемостью при установке на шпиндель и дают наибольшее приближение ширины реза к ширине лезвия диска, поскольку мала вибрация, также эти диски легко воспроизводимы, износостойки благодаря эффективному отводу теплоты от лезвия к корпусу и обладают хорошими режущими свойствами. Их недостатки – высокая стоимость, невозможность использования в наборе. Резиноидные (синтезированные) и спрессованные диски относятся к бескорпусным. При установке на шпиндель они закрепля-

32

ются между жесткими фланцами. Основными их преимуществами наряду с возможностью использования в наборе являются многократное (до трех раз) применение при замене фланцев и резка на большую глубину, чем корпусные диски. Прокладки для дисков, работающих в наборе, выполняются из алюминия или карбида титана. Фланцы изготавливаются из нержавеющей стали. Фланцы, заключающие диск, оказывают наибольшее давление на зерна алмаза. В результате при установке диска возможно искривление лезвия. Правка лезвия такого диска помогает устранить эксцентриситет и заусеницы, т. е. уменьшить ширину реза. Частой причиной поломки бескорпусного диска или превышение ширины реза является неправильный выбор крутящего момента фланца или его плохое качество. Фланцы не должны вызывать вибрацию при рабочих частотах вращения шпинделя. Следовательно, использование бескорпусных дисков требует строгого соблюдения условий эксплуатации и своевременного ремонта элементов их крепления. После установки на шпиндель перед началом работы диски необходимо править. Лезвие правится на 150 мкм глубже необходимой глубины резания на пластине. Все алмазные режущие диски подразделяются по толщине и высоте лезвия, а также по размерам зерен алмазного порошка на нем. Характеристики корпусных дисков приведены в табл. 2.1.

При разрезании пластины необходимо правильно выбрать марку диска, глубину обработки, скорость резания, частоту вращения диска и высоту лезвия. Марку диска выбирают по толщине и высоте

33

лезвия, учитывая, что при малом размере алмазного зерна резко снижается срок службы диска и увеличивается время резания, а при больших размерах алмазных зерен увеличивается величина сколов и ухудшается качество обрабатываемой поверхности. Толщина b режущего лезвия диска выбирается из условия b = ( p – δt) / 2, где p – ширина дорожки разделения, мкм; δt – погрешность позиционирования лезвия диска относительно дорожки разделения, мкм.

Высота режущего лезвия выбирается на 50–100 мкм больше максимальной глубины резания, так как радиальный износ диска при обработке Si составляет 3–5 мкм на длине 100 м резания. Частота вращения – один из факторов, влияющий на стойкость диска и качество реза. Увеличение частоты вращения считается предпочтительным, так как уменьшается глубина врезания зерна в сечение среза, т. е. уменьшается сила резания. Однако при разрезании неметаллических материалов алмазными режущими дисками появляется ряд ограничений, из-за которых оптимальная частота вращения диска составляет 30–40 тыс. об/мин (рис. 2.14) по критерию минимальных сколов по кромкам реза и максимальной стойкости диска.

Дальнейшее увеличение частоты вращения диска ведет к резкому возрастанию усилия резания. Причина этого – гидродинамические явления, происходящие в зоне разделения (рис. 2.15). Поскольку рез-

34

ка кремниевых пластин производится на относительно высоких скоростях, вокруг инструмента возникают воздушные потоки. Поэтому давление струи охлаждающей жидкости, направленной в зону резания, должно пробить воздушную завесу вокруг диска. Например, для обработки кремния при частоте вращения диска 35 тыс. об/мин давление потока охлаждающей жидкости должно быть не менее 1 МПа.

Рис. 2.15. Схема подачи воды в зону резания

В этом случае жидкость вследствие сцепления с поверхностями обрабатываемой пластины и инструмента затягивается в сужающееся пространство в зоне резания.

Процесс усиливается за счет каналов, создаваемых алмазными зернами в материале, и вибрации, вызываемой в жидкости выступающими алмазными зернами. Жидкость попадает в клинообразный зазор между пластиной и лезвием. Поскольку жидкость несжимаема, то из условия неразрывности потока следует, что в таком зазоре возникает внутреннее гидравлическое давление, стремящееся расклинить поверхности. Величина давления создает препятствие для выхода отходов обработки. Осколки материала, задерживаясь в зоне разработки, препятствуют вращению диска, внедряются в связку, заклиниваются в зазорах между зернами и блокируют режущее лезвие инструмента. Вылет лезвия бескорпусного диска влияет на режимы резания и качество разделения. При его увеличении уменьшается жесткость системы, происходит искажение формы реза, увеличивается вероятность поломки инструмента. Слишком малый вылет затрудняет поступление и выход охлаждающей жидкости из зоны резания. Отношение вылета диска к его толщине устанавливается 10–15 %,

35

глубина врезания – 2/3 вылета диска. Оптимальная скорость резания – это наибольшая скорость, обеспечивающая требования к величине сколов, поверхности реза, стойкость инструмента и др. Рекомендуемые режимы обработки ряда материалов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Рекомендуемые режимы обработки материалов

Дисковая резка используется для разделения пластин толщиной более 450 мкм. Ширина рисок зависит от толщины алмазной кромки диска и составляет 40–50 мкм. Полученные после разрезания кристаллы имеют вертикальные боковые грани практически по всей вы-

соте (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Дисковая резка

2.6. Резка полотнами, проволокой, ультразвуком

Резка стальными полотнами и проволокой применяется, когда не требуется высокая точность изготовления кристаллов и сохранение

36

Резка проволокой – вольфрамовую или стальную проволоку диаметром ~0,1 мм наматывают на вращающие ролики, имеющие канавки с шагом, соответствующим размерам кристаллов (рис. 2.18). Ролики закреплены в кассете, совершающей возвратно-поступатель- ное движение с частотой от 700 до 1000 движ. ход/мин. Для увеличения срока службы проволоку перематывают с помощью подающей и приемной катушек и одновременно натягивают, подтормаживая подающую катушку. Преимуществом резки полупроводниковых пластин на кристаллы проволокой и полотнами является их мягкое абразивное воздействие на обрабатываемый материал, что позволяет разрезать пластины с покрытиями из золота, никеля и других материалов без их отслаивания, а недостатком – возможность обрыва при износе, что приводит к неисправимому повреждению разрезаемой пластины.

Рис. 2.18. Структурная схема установки для резки пластин на кристаллы проволокой

37

Ультразвуковая резка полупроводниковых пластин осуществляется в результате воздействия на зерна абразивной суспензии инструмента, совершающего колебания с высокой частотой (16–25 кГц) и разрушения этими зернами обрабатываемой поверхности с высокой интенсивностью (рис. 2.19). При образовании канавки ее форма копирует форму и размеры инструмента. Благодаря этому УЗ-методом можно вырезать кристаллы сложной конфигурации (круглые с глухими отверстиями, лунками и т. д.). Точность УЗ-обработки зависит в основном от размера зерен абразива, степени износа инструмента, глубины обработки, атакже характеристикиоборудования.

Рис. 2.19. Структурная схема установки УЗ-резки:

1 – УЗ-концентратор; 2 – полупроводниковая пластина; 3 – сопло для подачи алмазной суспензии

2.6.1. Сквозное прорезание пластин

Перспективным методом разделения полупроводниковых пластин на кристаллы является их сквозное прорезание, которое исключает необходимость операции разламывания. Для сохранения ориентации разделенных кристаллов пластины перед резкой закрепляют на адгезионном носителе толщиной приблизительно 75–100 мкм. Носитель натянут в спутнике-рамке, выполненной из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, или полистирола толщиной 2 мм, имеющем направляющие для совмещения с вакуумным столом установок резки кристаллов. Рамка имеет центральное отверстие круглой или прямоугольной формы, размер которого на20–30 мм больше диаметрапластины.

38

Сквозная резка Si-пластин выполняется алмазными дисками с наружной режущей кромкой зернистостью 10/7 мкм на установках для резки при частоте вращения шпинделя 5·104 об/мин и скорости подачи при попутном резании 100–120 мм/с, встречно-попутном –

80–90 мм/с.

Установка имеет двупольную систему ориентации с выводом информации на телеэкран, автоматический поворот стола на 90º, систему компенсации износа дисков, их автоматической правки, микропроцессорное управление и возможность резки набором из двух-трех дисков. Длясквознойрезкипластинприменяютсябескорпусные(рис. 2.13, а, б) и, при частичном износе, корпусные диски. Для повышения эффективности сквозной резки пользуются устройством гидродинамического крепления бескорпусных дисков, когда передача крутящего момента обеспечивается через слой жидкости, благодаря чему улучшается качество резки. Использование сквозной дисковой резки позволяет создавать автоматизированные участки для разделения и подготовки кристаллов к сборке. Все установки могут быть связаны единой вычислительной и транспортной системами. Автоматическая установка обеспечивает сборку 60 спутников с пластинами за час. Спутники и пластины подаются из магазинов, взаимно ориентируются и поступают в рабочую зону, где соединяются в вакуумной камере для предотвращения попадания воздушных пузырьков в зону склейки. Подготовка носителей с пластинами является одной из основных проблем, сдерживающих широкое внедрение сквозной резки в производстве. При разделении методом сквозной резки пластин целесообразно дополнять автоматизированные комплексы оборудованием для автоматической сортировки иукладки годных кристаллов в кассеты.

2.7.Контроль качества дисковой резки

иразламывания пластин

Перед началом резки настраивают установку: проводят юстировку оптической системы, наладку механизмов перемещения рабочего стола, вращения и перемещения шпинделя. Проверяют алмазные диски на отсутствие дефектов. Заданную глубину резки устанавливают медленным перемещением стола по высоте в направлении диска с помощью шагового двигателя. Оптимальная глубина резания – 2/3–3/4 толщины пластины. Оптимальная частота вращения шпин-

39