藍寶石襯底片背面減薄磨削加工試驗分析

□ 牛俊凱 □ 張 毅 □ 韓 欣 □ 李國偉 □ 陳曉強

鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司 鄭州 450001

1 分析背景

藍寶石以優良的物化性質和光電特性成為發光二極管的主要襯底材料[1]。藍寶石在經歷長晶、掏晶棒、外圓加工、切片、雙端面研磨、外圓倒邊后,制成標準藍寶石襯底片,然后采用金屬有機化合物化學氣相沉積在襯底片上進行外延層生長[2-3]。最后對襯底片背面進行減薄磨削、拋光、切割,制成發光二極管芯片。發光二極管芯片制造工藝流程如圖1所示。藍寶石襯底片材料導熱性較差,為防止發光二極管有源區過大的溫升對光輸出特性和使用壽命產生影響,在完成蒸鍍刻蝕等工序后,還需要對藍寶石襯底片的背面進行減薄加工,從而達到改善芯片散熱性能的目的[4]。藍寶石襯底片背面磨削減薄至一定尺寸,可以滿足后續劃片、裂片、封裝的工藝要求[5]。

在流體磨料研磨條件下,趙欣等[6]研究了不同拋光參數對藍寶石襯底片化學機械拋光質量的影響,楊磊等[7]系統性分析了銅拋與化學機械拋光的壓力、轉速、時間對藍寶石襯底片表面質量與加工效率的影響。以上研究對藍寶石襯底片精密加工技術的發展起到積極的推動作用,但是業內采用固結砂輪進行藍寶石襯底片背面減薄磨削加工的研究還較少。在襯底片背面減薄磨削加工中,如何減少藍寶石襯底片產生的劃傷、碎邊、總厚度變化超差等缺陷,提高襯底片背面減薄磨削加工的效率和合格率,有效降低企業生產成本,是當下光電企業十分關心的問題。筆者通過開展磨削試驗,研究襯底片背面減薄磨削過程中的關鍵工藝參數、冷卻水溫度等對藍寶石襯底片磨削效率和磨削質量的影響規律,為藍寶石襯底片磨削加工工藝的優化提供依據。

▲圖1 發光二極管芯片制造工藝流程

2 試驗條件

試驗設備為32BSG-V型輪磨加工機,單次可加工五片直徑為101.6 mm的藍寶石襯底片,砂輪外徑為305 mm,磨料粒徑為45 μm。測量儀器有SJ-210型表面粗糙度測量儀、AS-882A型手持紅外測溫儀。檢測工作臺安裝有ID-C112MXB型數顯千分表,工作臺規格為φ480 mm×20 mm,有效區域平面度為0.001 mm。試驗中還使用FEI-Inspect S50型掃描電子顯微鏡。

3 試驗方案

在32BSG-V型輪磨加工機上開展三組藍寶石襯底片背面減薄磨削加工試驗,磨削加工方式如圖2所示。砂輪與貼有藍寶石襯底片的陶瓷載盤同向旋轉,砂輪軸定量進給。第一組以砂輪轉速為單一變量,磨削進給量為0.03 mm/min,陶瓷載盤轉速為60 r/min,所用耗材保持不變,在800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min的砂輪轉速下,分別加工200片藍寶石襯底片,襯底片厚度由310 μm統一減薄至130 μm。對32BSG-V型輪磨加工機負載表征電流和磨削加工后的藍寶石襯底片合格數量進行記錄。

▲圖2 磨削加工方式

第二組以磨削進給量為單一磨削參數變量,陶瓷載盤轉速為60 r/min,,所用砂輪保持不變,砂輪轉速為1 000 r/min,在0.02 mm/min、0.04 mm/min、0.06 mm/min、0.08 mm/min的磨削進給量下,將藍寶石襯底片由310 μm減薄至210 μm、170 μm、150 μm、130 μm等目標厚度。每種目標厚度的藍寶石襯底片各加工200片,記錄四種磨削進給量下不同目標厚度藍寶石襯底片的合格數量。

第三組以前兩組試驗結果為依據,選定一組合理的磨削工藝參數,將藍寶石襯底片厚度統一減薄至150 μm,設置不同的冷卻水溫度,觀察冷卻水溫度變化對藍寶石襯底片磨削質量的影響[8-9]。

藍寶石襯底片磨削質量合格的標準為,單片總厚度變化不大于10 μm,減薄目標厚度公差范圍為±5 μm,表面粗糙度Ra小于 0.3 μm,襯底片表面無異常劃痕、碎邊。在檢測工作臺上測量藍寶石襯底片總厚度變化值時,每片需選取五個目標厚度測量點,五個測量點分別為中心點及周向均布的四個點,周向的四個測量點距離襯底片邊緣7 mm左右。五個測量點中厚度最大值減去最小值即為藍寶石襯底片總厚度變化值[10]。表面粗糙度值采用SJ-210型表面粗糙度測量儀測量,由于單次加工的五片藍寶石襯底片表面粗糙度基本一致,因此隨機抽取一片進行測量即可。

4 砂輪轉速影響

第一組試驗結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出,砂輪轉速在800～1 200 r/min內,隨著砂輪轉速的提高,加工藍寶石襯底片的合格數量呈上升趨勢,輪磨加工機負載表征電流波動不大。當砂輪轉速達到1 400 r/min時,負載表征電流增大明顯,輪磨加工機出現間斷性報警停機現象,加工的藍寶石襯底片合格數量也急劇下降,不合格項主要是碎邊。

▲圖3 砂輪轉速與合格數量關系▲圖4 砂輪轉速與負載表征電流關系

砂輪轉速在800～1 200 r/min內,隨著砂輪轉速的提高,砂輪磨粒刻入藍寶石襯底片的深度變淺,襯底片表面損傷層變淺,出現深劃痕和碎邊的概率下降,因而藍寶石襯底片加工的合格率得到提升。當砂輪轉速提高至1 400 r/min時,砂輪磨粒刻入深度進一步變淺,磨粒受到磨削阻力的拉扯作用減弱,磨粒不能及時脫落,刃口被磨平仍無法脫落或破碎,出現光磨現象。光磨現象產生后,隨著砂輪的持續進給,砂輪與襯底片的磨削擠壓現象加重,襯底片表面余量無法及時去除,邊緣出現碎邊現象,導致合格率明顯下降。磨粒刃口磨平區域如圖5所示。

負載表征電流反映輪磨加工機主軸功率的變化。在持續進給下,磨粒刃口磨平,砂輪磨削阻力劇增,加之砂輪主軸轉速高,需要更大的功率來保持砂輪主軸轉速恒定,導致輪磨加工機負載表征電流急劇增大,甚至超過輪磨加工機負載表征電流設定的上限值。輪磨加工機設置負載表征電流上限值是為了確保輪磨加工機的精度,保護輪磨加工機的主軸及電機。

磨削中,砂輪結合劑對磨粒的把持力是一定的,砂輪能夠實現持續自銳,磨粒刃口鈍化后能夠及時脫落,自動產生新的帶鋒利刃口的磨粒。砂輪轉速直接影響磨粒對藍寶石襯底片表面的刻劃深度,如圖6所示。刻劃深度越深,磨粒受到的阻力越大,越易脫落。砂輪轉速在800～1 200 r/min內時,磨粒參與磨削時受到的阻力雖然逐漸減小,但仍然大于結合劑對磨粒的把持力,磨粒在鈍化后可順利脫落。當砂輪轉速達到1 400 r/min時,磨粒刻劃深度更淺,磨粒參與磨削時受到的阻力明顯小于結合劑對磨粒的把持力,導致磨粒刃口鈍化后無法及時脫落。

▲圖5 磨粒刃口磨平區域

▲圖6 不同轉速下磨粒對藍寶石襯底片刻劃深度

5 磨削進給量影響

第二組試驗結果如圖7所示。由圖7可以看出,在不同的磨削進給量下,磨削不同目標厚度尺寸的藍寶石襯底片合格數量出現了較大差異。相同進給狀態下,目標厚度尺寸越薄,藍寶石襯底片合格數量越少;目標厚度尺寸越厚,藍寶石襯底片合格數量越多。目標厚度尺寸相同時,磨削進給量越大,藍寶石襯底片合格數量越少,并且在大磨削進給量狀態下,藍寶石襯底片表面容易出現深劃痕、碎邊現象,藍寶石襯底片狀態如圖8所示。

▲圖7 磨削進給量與目標厚度尺寸、合格數量關系▲圖8 藍寶石襯底片狀態

對藍寶石襯底片缺陷及不同磨削進給量下合格數量差異產生的原因進行分析。當磨削進給量增大時,磨粒刻劃產生的損傷層加深,藍寶石襯底片承受的磨削擠壓力增大。隨著藍寶石襯底片目標厚度的減小,藍寶石襯底片抵抗外力破壞的能力降低。當砂輪層高頻次進出藍寶石襯底片邊緣時,磨削擠壓產生的內應力首先從藍寶石襯底片邊緣釋放,從而產生碎邊現象。碎邊若不能及時沖刷掉,將會以大顆粒的形式參與磨削,直接導致藍寶石襯底片表面出現深劃痕,甚至砂輪層斷裂,合格數量隨之減少。考慮到加工效率及行業內普遍對合格率控制在95%的要求,結合圖7試驗結果,得到不同目標厚度尺寸的合理加工工藝參數,見表1。

表1 不同目標厚度尺寸合理加工工藝參數

6 冷卻水溫度影響

采用同一砂輪持續加工藍寶石襯底片,陶瓷載盤轉速為60 r/min,砂輪轉速為1 000 r/min,磨削進給量為0.04 mm/min,目標厚度為150 μm。每天記錄三次輪磨加工機冷卻水溫度,并取均值,次日統計前一天藍寶石襯底片的加工不合格率。通過數據處理,分析砂輪加工藍寶石襯底片時冷卻水溫度對不合格率的影響,得到冷卻水溫度與藍寶石襯底片加工不合格率的關系,如圖9所示。由圖9可以看出,冷卻水溫度上升,不合格率也呈上升趨勢,且波動趨勢趨近一致。

▲圖9 冷卻水溫度與加工不合格率關系

冷卻水的作用是帶走磨削熱量及磨屑,當冷卻水溫度上升時,冷卻水對磨削的冷卻效果變差,磨削熱量不能及時被帶走,藍寶石襯底片表面溫度上升,磨削熱量直接傳遞給藍寶石襯底片與陶瓷載盤貼附蠟膠層。蠟膠層被軟化,導致對藍寶石襯底片的定位性變差。在磨削過程中,藍寶石襯底片產生微變形和移位,會直接導致破片產生。另一方面,砂輪磨削面溫度上升后,砂輪胎體表層的力學性能發生變化,持續自銳的能力變差,從而提高了磨削異常產生的概率。綜上所述,冷卻水溫度上升會導致藍寶石襯底片的加工不合格率上升,按照業內對不合格率控制在5%的要求,在藍寶石襯底片減薄磨削過程中,合理的冷卻水溫度不應超過29 ℃。

7 結束語

筆者通過三組不同試驗分析,得到藍寶石襯底片背面減薄磨削加工時,砂輪轉速在800～1 200 r/min范圍內提高,有助于改善藍寶石襯底片磨削加工的合格率。在實際加工中,企業應根據設備的主軸功率限制及砂輪特性合理調整砂輪轉速。為了兼顧加工效率和磨削質量,目標厚度不同的藍寶石襯底片,磨削進給量也應不同,薄尺寸藍寶石襯底片適合較小磨削進給量,厚尺寸藍寶石襯底片可選擇較大磨削進給量。磨削加工中,冷卻水溫度上升,藍寶石襯底片不合格率呈上升趨勢,合理的冷卻水溫度不應超過29 ℃。