金剛石刀輪滾壓脆斷單晶硅和藍寶石的實驗研究

陳 絨，周 聰，謝 晉*，陳釗杰

（1.廣東科技學(xué)院，廣東 東莞523083；2.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510641）

1 引 言

單晶硅和藍寶石作為半導(dǎo)體襯底材料，具有優(yōu)越的性能［1-2］，已被廣泛應(yīng)用于LED、CMOS、MEMS器件制造產(chǎn)業(yè)［3-5］。在制作此類微電子器件時，需要對基底材料上光刻后的芯片電路進行分割并封裝，切割質(zhì)量直接影響著器件質(zhì)量和成本［6］。此外，硬脆性硅和藍寶石易產(chǎn)生裂紋，加工難度大［7-8］。

玻璃基板常采用硬質(zhì)合金刀輪滾壓切割［9］，但其壽命和精度較低；芯片切割采用金剛石高速旋切［10］，但由于磨粒產(chǎn)生應(yīng)力集中，易出現(xiàn)崩邊［11］。激光切割會殘留熔融物質(zhì)和微觀裂紋［12］。也有學(xué)者提出一種干凈平滑的冰輔助激光切割，但增加了成本［13］。1921年，A.A.Griffith提出了微裂紋理論，Griffith認為，實際材料中存在許多細小的裂紋或缺陷。在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，裂紋開始擴展導(dǎo)致斷裂。所以，斷裂不是兩部分晶體沿整個晶面拉斷，而是裂紋擴展的結(jié)果［14］。

以此理論為基礎(chǔ)，早期采用單點金剛石刀具劃線切斷單晶硅，但是對刀刃精度要求較高［15］。因此，在采用直徑50 mm左右的金剛石砂輪片高速旋轉(zhuǎn)劃線切割時，需要在位修整砂輪片尖端［16-17］。由于半徑大的砂輪片切割時有不規(guī)則微裂紋橫向擴展乃至邊緣破碎，直徑2 mm左右的金剛石刀輪已逐漸開始被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用［18-19］。此外，刀輪滾壓壓力和深度與表面質(zhì)量的關(guān)系也一直被探究［20］。

在本研究中，利用金剛石微刀輪對單晶硅及藍寶石進行滾壓脆斷分割。根據(jù)脆性材料特性，微裂紋擴展機理，研究刀輪角度和滾壓壓力對工件材料應(yīng)力分布的影響。此外，實驗研究不同工藝參數(shù)對裂紋擴展和斷面質(zhì)量的影響。最終應(yīng)用于集成電路芯片的切割工藝中。

2 精密滾壓應(yīng)力場分析

2.1 刀輪精密滾壓脆斷模型

圖1為刀輪精密滾壓脆斷過程圖。在施加滾壓壓力p的作用下，使用刃端角度為α的金剛石刀輪在單晶硅和藍寶石表面進行滾壓，劃痕下方產(chǎn)生垂直裂紋。然后，通過施加力矩，垂直裂紋沿脆斷面擴展，產(chǎn)生脆斷分離［21］。采用ANSYS仿真軟件分析單晶硅和藍寶石滾壓脆斷過程的應(yīng)力分布。在仿真條件中，將刀輪定義為剛體，刃端角度α為115°和120°，尖端半徑r為0，將工件材料定義為彈性體。單晶硅和藍寶石的物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 刀輪精密滾壓脆斷過程Fig.1 Cutting wheel precision scribing and brittle fracture

表1 單晶硅和藍寶石物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of single crystal silicon and sapphire

2.2 刀輪角度對工件表面應(yīng)力的影響

圖2為滾壓過程的刀輪刃端處應(yīng)力分布云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，工件表面應(yīng)力的分布與刃端位置和刀輪形狀有關(guān)，在刃端處，張應(yīng)力達到最大，導(dǎo)致脆性材料的裂紋擴展。隨著離開刃端距離增大，張應(yīng)力逐漸減小，然后轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力。沿著滾壓方向，張應(yīng)力范圍逐漸擴大，最終工件表面形成直線劃痕，用于最后的脆斷切割。但是，刀輪刃端垂直下方的張應(yīng)力因逐漸轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，裂紋不會進一步擴展。

圖2 滾壓過程的刀輪刃端處應(yīng)力分布云圖Fig.2 Stress distribution at the edge of wheel during scribing

圖3為刀輪角度α對最大表面應(yīng)力σ的影響。可以看出，當(dāng)α=115°，單晶硅的最大張應(yīng)力為86.24 MPa，相 比α=120°的 應(yīng) 力，提 高 了 約33.2%。相反，滾壓藍寶石時，α=115°的刀輪產(chǎn)生的最大張應(yīng)力相比α=120°的低約5.2%。由此可知，刀輪滾壓脆斷韌度小且硬度較低的晶圓材料時，使用較大角度的刀輪會產(chǎn)生較低應(yīng)力，可保證脆斷面質(zhì)量。

圖3 刀輪角度α對工件表面最大應(yīng)力σ的影響Fig.3 Effect of cutting wheel angleαon workpiece surface maximum stressσ

2.3 滾壓壓力對單晶硅和藍寶石表面應(yīng)力的影響

圖4為滾壓壓力p與工件表面最大應(yīng)力σ的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著滾壓壓力p的上升，工件表面應(yīng)力σ線性上升。當(dāng)滾壓壓力p較低時，單晶硅表面應(yīng)力σ迅速上升，說明提高滾壓壓力p易產(chǎn)生更多裂紋，導(dǎo)致破碎。但是，藍寶石表面應(yīng)力σ上升速率比單晶硅低，原因是藍寶石斷裂韌度大，抵抗破碎能力更好，且精密滾壓脆斷所需滾壓壓力p也更大。此外，斷裂韌度為1.9～5.5的材料適合的滾壓壓力p的范圍約為0.03～0.07 MPa。

圖4 滾壓壓力p與工件表面最大應(yīng)力σ的關(guān)系Fig.4 Relationship between rolling pressure p and the maximum surface stressσ

3 滾壓脆斷實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 工藝條件及參數(shù)

圖5為刀輪滾壓實驗裝置以及金剛石刀輪形貌。根據(jù)第2節(jié)的模擬仿真結(jié)果，選擇合適工藝參數(shù)，進行滾壓脆斷實驗。其中，工件材料通過真空吸盤固定，在刀架上裝有金剛石刀輪，刀輪中央為刀輪軸安裝孔，刀輪裝入輪軸后固定在刀頭部位，如圖5（a）、（b）所示。圖5（c）、（d）為實驗使用的金剛石微刀輪形貌圖，刃端半徑r為5μm，用來保證精密滾壓時的精度。金剛石刀輪規(guī)格如表2所示。

圖5 實驗裝置及金剛石刀輪形貌Fig.5 Experimental setup and diamond wheel morphology

表2 金剛石刀輪規(guī)格Tab.2 Specifications of diamond cutter wheel

3.2 刀輪角度對滾壓脆斷斷面的影響

圖6為刀輪角度α對晶片斷面質(zhì)量的影響?？梢钥吹?，α=120°的單晶硅脆斷面裂紋比α=115°的裂紋分布更加均勻，斷面質(zhì)量更高，但是，a=115°的藍寶石脆斷面相對α=120°的質(zhì)量更高。結(jié)合第2節(jié)刀輪角度α對工件表面應(yīng)力σ的分析，加工斷裂韌度小和硬度低的材料使用α=120°的刀輪可以產(chǎn)生更低的應(yīng)力σ，而加工斷裂韌度大和硬度高的材料時使用α=115°的刀輪產(chǎn)生的應(yīng)力σ更低。

圖6 刀輪角度α對晶片斷面質(zhì)量的影響Fig.6 Effect of wheel angleαon wafer cross-section quality

由此可知，斷裂韌度小且硬度低的材料應(yīng)選擇角度偏大的刀輪，滾壓產(chǎn)生的應(yīng)力更低，裂紋擴展更加集中，使芯片材料的斷面品質(zhì)更高。

3.3 滾壓壓力與斷面質(zhì)量的關(guān)系

3.3.1 單晶硅和藍寶石的裂紋擴展

圖7為滾壓后的工件裂紋SEM形貌?？梢钥闯?，當(dāng)滾壓壓力p較低時，單晶硅產(chǎn)生明顯微裂紋，且隨著壓力上升橫向裂紋逐漸增多，甚至產(chǎn)生破裂。對于藍寶石，在p=0.07 MPa的滾壓壓力下，幾乎沒有微裂紋，提高壓力p后開始出現(xiàn)垂直裂紋。結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，說明藍寶石材料產(chǎn)生微裂紋所需要的應(yīng)力約為單晶硅的5倍，且由于其斷裂韌度大，硬度高，抵抗破碎和裂紋擴展的能力較強，需要更高的滾壓壓力p來產(chǎn)生垂直裂紋。

圖7 滾壓后的工件裂紋SEM形貌Fig.7 SEM morphology of crack in the workpiece after rolling

3.3.2 斷面質(zhì)量對比

圖8為單晶硅劃痕的SEM形貌圖（α=120°）。使用不同壓力p進行滾壓脆斷，獲得脆斷面?？梢钥闯鰡尉Ч柙跐L壓處兩側(cè)出現(xiàn)邊沿破碎，長度在1.12～1.35μm，且在增大滾壓壓力p的條件下，雖然滾壓深度增加，但應(yīng)力σ也增大，邊沿破碎程度更大。

圖8 單晶硅劃痕的SEM形貌圖（α=120°）Fig.8 SEM morphology of scratched silicon（α=120°）

圖9為單晶硅劃痕的斷面光學(xué)形貌圖（α=120°）。由圖可知，在p=0.015 MPa時，劃痕深度裂紋擴展相對均勻；在p=0.010 MPa時，斷面發(fā)生雞毛頸區(qū)，為非正常局部區(qū)域；p=0.020 MPa時斷面發(fā)生非正常分離局部鏡面區(qū)域。由此可知，單晶硅在滾壓壓力p為0.015 MPa左右時斷面質(zhì)量最優(yōu)。

圖9 單晶硅劃痕的斷面形貌圖（α=120°）Fig.9 Cross-section morphology of scratched silicon（α=120°）

圖10為藍寶石劃痕的SEM形貌圖（α=115°）?？梢钥闯觯砻孢呇仄扑槌潭缺葐尉Ч璧图s20%，且形狀規(guī)則。這也說明，藍寶石斷裂韌度大且硬度高，能產(chǎn)生質(zhì)量較好的劃痕。對應(yīng)的藍寶石劃痕的斷面形貌如圖11所示。從圖中可以看到，在p=0.095 MPa時，藍寶石斷面劃痕深度裂紋擴展較均勻，斷面質(zhì)量較高。

圖10 藍寶石劃痕的SEM形貌圖（α=115°）Fig.10 SEM morphology of sapphire scratches（α=115°）

圖11 藍寶石劃痕的斷面形貌圖（α=115°）Fig.11 Cross-section of sapphire scratches（α=115°）

圖12為滾壓壓力p與工件表面滾壓深度h的關(guān)系?？梢钥闯觯瑵L壓深度h與滾壓壓力p呈線性關(guān)系。單晶硅的滾壓深度h在38～58μm，藍寶石的滾壓深度h在77～115μm，約為單晶硅的2倍。也可以預(yù)測，斷裂韌度為1.9～5.5的材料適合的壓力范圍為0.03～0.07 MPa。對于不同角度刀輪的滾壓效果，在單晶硅上使用α=120°的刀輪可以產(chǎn)生更深的滾壓深度，斷面質(zhì)量較好，而在藍寶石上使用α=115°刀輪的效果更優(yōu)，這是由于滾壓時產(chǎn)生的表面應(yīng)力σ更小所導(dǎo)致的。

圖12 滾壓壓力p與工件表面滾壓深度h的關(guān)系Fig.12 Relationship between rolling pressure p and depth h of workpiece surface

綜上所述，在進行晶片滾壓脆斷分離時，對應(yīng)不同的晶片材料首先需要選擇合適角度的刀輪，并在合適的滾壓壓力p下進行。過小的滾壓壓力p導(dǎo)致過小的應(yīng)力σ，無法在劃痕下方產(chǎn)生垂直裂紋；而過大的滾壓壓力p導(dǎo)致過大的應(yīng)力σ，會產(chǎn)生破碎以及崩裂。其中，單晶硅滾壓壓力p為0.015 MPa，藍寶石的滾壓壓力p為0.095 MPa時，滾壓脆斷后的斷面裂紋擴展相對均勻，斷面質(zhì)量最優(yōu)。

根據(jù)最優(yōu)滾壓壓力p，結(jié)合圖4的應(yīng)力分析，單晶硅的最佳張應(yīng)力σ在100 MPa左右，藍寶石的為350 MPa左右，在適宜的外加應(yīng)力σ下，切痕表面不會產(chǎn)生過多的邊沿破碎，同時保證了一定的垂直裂紋長度（約10μm），可以獲得高質(zhì)量的斷面。

3.4 集成電路芯片的滾壓脆斷切割

集成電路產(chǎn)業(yè)分為電路設(shè)計、芯片制造以及封裝測試三個行業(yè)。在集成電路芯片封裝過程中，首先需要對芯片進行切割，這一過程具有重要影響。在切割過程中，精密的切割軌跡能夠保證在后續(xù)的分離過程中產(chǎn)生盡可能小的缺陷，不破壞表面電路，并減少后續(xù)的側(cè)面磨拋時間。

以上述的刀輪精密滾壓實驗研究為基礎(chǔ)，使用不同滾壓壓力p對集成電路芯片進行精密滾壓脆斷分離，觀察刻有電路的芯片表面破碎情況，如圖13所示?？梢钥闯觯跐L壓壓力p增大時，芯片的邊沿破碎較為嚴重，出現(xiàn)缺口以及崩碎，影響芯片的性能。在選擇滾壓壓力p較小的條件下產(chǎn)生的邊沿破碎不會破壞晶片表面電路，保證性能。

圖13 集成電路芯片分割后邊緣形貌對比圖Fig.13 Edge comparison after integrated circuit chips splitting

根據(jù)以上分析，使用帶鋸齒的120°金剛石刀輪以p=0.005 MPa的滾壓壓力對芯片背面進行滾壓脆斷分離，最終得到的芯片表面如圖14所示。帶鋸齒的刀輪滾壓脆斷后，所得到的芯片邊緣幾乎不產(chǎn)生破碎，不會損傷芯片中的電路線。

圖14 低損傷芯片分割形貌圖Fig.14 Low damage chip splitting

4 結(jié) 論

（1）在金剛石刀輪精密滾壓過程中，工件表面應(yīng)力分布與與刃端位置和刀輪形狀相近，張應(yīng)力最大的部分集中在刀輪刃端下方，且工件表面的應(yīng)力值與滾壓壓力總體呈線性關(guān)系。張應(yīng)力過低，劃痕下方無法產(chǎn)生垂直裂紋；張應(yīng)力過高，會產(chǎn)生橫向裂紋，易使芯片脆斷邊緣破碎和崩裂。

（2）在單晶硅精密滾壓時，刀輪角度為115°產(chǎn)生的張應(yīng)力相比120°約高33.2%，而在藍寶石中，刀輪角度為115°產(chǎn)生的張應(yīng)力相比120°刀輪約低5.2%。在選擇刀輪角度時，硬度和斷裂韌度越大的材料選用角度偏小的刀輪，滾壓時產(chǎn)生的應(yīng)力更低，裂紋擴展范圍更加集中，工件材料的斷面品質(zhì)更高。

（3）在進行對單晶硅與藍寶石精密滾壓脆斷時，滾壓深度與滾壓壓力成正相關(guān)關(guān)系。同時，在合適的滾壓壓力和張應(yīng)力范圍內(nèi)，劃痕表面邊沿破碎低至約1μm，微裂紋擴散均勻且方向一致，斷面質(zhì)量高。其中，單晶硅滾壓壓力為0.015 MPa，張應(yīng)力在100 MPa左右，藍寶石的滾壓壓力為0.095 MPa，張應(yīng)力在350 MPa左右時，滾壓脆斷后的斷面裂紋擴展相對均勻，斷面質(zhì)量最優(yōu)。

（4）將金剛石刀輪滾壓脆斷技術(shù)應(yīng)用于集成電路芯片切割中可減少后續(xù)加工磨拋的時間，提高效率。滾壓壓力增大會引起芯片邊沿破碎的增多，甚至出現(xiàn)缺口以及崩碎，影響芯片的性能。所以，在進行芯片切割時，應(yīng)盡可能選擇較小的滾壓壓力，選用帶微鋸齒的刀輪，保證芯片分離時表面電路完整性。