藍(lán)寶石基片在精密劃片機(jī)中劃切實(shí)驗(yàn)

1、 藍(lán)寶石材料特性

藍(lán)寶石（Al2O3）因其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)（電絕緣和透明）、優(yōu)異的力學(xué)性能（硬度高）、良好的熱學(xué)性能（易導(dǎo)熱）被廣泛用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管、微電子電路、大規(guī)模集成電路等光電元器件的制造中。同時(shí)，藍(lán)寶石熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、光透性高以及化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特性被廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。

GaN（氮化鎵）基LED芯片主要以藍(lán)寶石基板作為襯底材料，而其結(jié)構(gòu)組成中，GaN的厚度只有5μm左右，藍(lán)寶石厚度在450μm左右，減薄后的厚度100μm左右。因此對(duì)GaN基LED芯片的劃切就是對(duì)藍(lán)寶石基片的劃切。

藍(lán)寶石屬于硬脆材料，劃切工藝參數(shù)對(duì)劃切質(zhì)量有很重要的影響。下面通過(guò)試驗(yàn)對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行開(kāi)槽劃切工藝試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石劃切影響規(guī)律，探究藍(lán)寶石劃切最優(yōu)工藝參數(shù)，驗(yàn)證自主研發(fā)全自動(dòng)砂輪劃片機(jī)的性能。

2、試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)中藍(lán)寶石基片劃切采用的設(shè)備為L(zhǎng)X6366全自動(dòng)精密劃片機(jī)，主軸最高轉(zhuǎn)速為60000r／min，采用2英寸刀片，如圖所示為L(zhǎng)X6366劃切試驗(yàn)裝置圖。選擇單面拋光藍(lán)寶石基片，厚度為0.43mm，2英寸大小，晶向?yàn)镃面，藍(lán)寶石基片材料。

根據(jù)以往劃切經(jīng)驗(yàn)以及刀具性能特性，選定藍(lán)寶石劃切工藝參數(shù)范圍為：主軸轉(zhuǎn)速為25000～35000r／min，進(jìn)給速度為1～5mm／s，劃切深度為0.05～0.1mm。相鄰劃切道之間間距設(shè)置為5mm，每組工藝參數(shù)試驗(yàn)2次，每條切縫長(zhǎng)為30～50mm，測(cè)量長(zhǎng)度為5mm，每1mm取一個(gè)點(diǎn)測(cè)量，以最大切縫寬和崩邊寬度作為試驗(yàn)結(jié)果，每劃切一組參數(shù)進(jìn)行刀具磨損補(bǔ)償一次，避免刀具磨損對(duì)試驗(yàn)的影響。

由于藍(lán)寶石硬脆特性，而樹(shù)脂結(jié)合劑刀片自銳能力強(qiáng)，具有良好的彈性，可以減小崩邊尺寸，提高劃切工件表面質(zhì)量，因此選擇一種由熱固性樹(shù)脂作為結(jié)合劑與金剛石磨料燒結(jié)而成樹(shù)脂軟刀，磨料類(lèi)型為金剛石，粒度為600＃，磨粒尺寸為10-20μm，結(jié)合劑類(lèi)型為硬，集中度為75，刀片外徑為?56mm，厚度為0.25mm，內(nèi)徑為?40mm，刀片露出量為3mm，具體試驗(yàn)條件如圖所示。

3、試驗(yàn)步驟及測(cè)量方法

3.1 試驗(yàn)步驟

首先將劃切材料通過(guò)藍(lán)膜粘貼在崩盤(pán)上，再將粘貼好的工件安裝在真空吸盤(pán)上，通過(guò)負(fù)壓固定工件，然后設(shè)置相應(yīng)的劃切參數(shù)，真空吸盤(pán)帶著工件沿著水平方向進(jìn)給，當(dāng)劃切完一道后，刀片抬起，真空吸盤(pán)帶著工件沿著進(jìn)給的垂直方向移動(dòng)一個(gè)設(shè)定的偏執(zhí)距離以進(jìn)行下一道劃切。劃切過(guò)程中記錄控制系統(tǒng)顯示的主軸電流大小，劃切后通過(guò)金相顯微鏡對(duì)切縫寬、崩邊寬度以進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)白光干涉儀對(duì)切割道表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

3.2試驗(yàn)測(cè)量方法原理

試驗(yàn)后采用精密金相數(shù)碼顯微鏡采集加工后的溝槽圖樣，并測(cè)量切縫寬 Kw、崩邊寬度C，崩邊寬度為分布在劃切道兩側(cè)的崩邊的最大值，如圖所示為金相顯微鏡，藍(lán)寶石劃切后切縫寬和崩邊寬度測(cè)量示意圖。本文不考慮刀具厚度對(duì)劃切效果的影響，采用相對(duì)縫寬 Kwr來(lái)表示劃切過(guò)程工藝參數(shù)對(duì)劃切道寬度的影響，計(jì)算公式為：

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n＝35000r／min，進(jìn)給速度 v＝5mm／s，劃切深度 a＝50μm時(shí)對(duì)藍(lán)寶石的劃切效果最好。切割道寬度為248.69μm，相對(duì)縫寬為0.995，最大崩邊寬度為6.94μm。如圖a）和b）所示為劃切深度分別為a＝100um，a＝50um時(shí)，不同劃切工藝參數(shù)下藍(lán)寶石開(kāi)槽劃切的形貌圖。

通過(guò)試驗(yàn)及測(cè)量發(fā)現(xiàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切縫寬增大，即相對(duì)縫寬增大，而隨主軸轉(zhuǎn)速增大切割道崩邊情況在一定程度上有所改善。進(jìn)給深度對(duì)相對(duì)縫寬的影響較小，隨著進(jìn)給速度增加，崩邊寬度有減小趨勢(shì)。劃切深度對(duì)崩邊寬度影響很大，增大劃切深度刀片磨損趨勢(shì)加劇。