CN102186630B - 电化形成的薄壁切割锯和含研磨料的取芯钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明说明了电化形成的镍薄壁切割锯或刀片(20)和含金刚石磨料的取芯钻头。薄壁锯和取芯钻头是由多个凸部(22)和同等数量的多个凹部(24)形成，每个凸部(22)和凹部(24)交替布置，所述凸部和凹部大体平行或者同心，并且它们通过过渡部(26)连接。在另一个实施例中，一些过渡区域是由中间台阶或部分地凸部和凹部形成。这些中间台阶或部分地凹部和凸部使基材材料在切割锯自旋时在锯槽宽度D1上更均匀的分布，由此使得切割边缘具有大体方形的廓线。

Description

电化形成的薄壁切割锯和含研磨料的取芯钻头
相关申请
本发明要求2008年9月4日提交的两个美国专利申请No.12/203920和No.12/203921的优先权，其公开的全部内容包含于此。
技术领域
本发明涉及电化形成的薄壁切割锯和含研磨料的取芯钻头(或孔锯)。特别地，本发明涉及用电化形成的波纹状镍薄壁制造的切割锯，所述切割锯含有金刚石颗粒以允许快速、洁净和干式的切割。该切割锯的优点在于其被用作现代半导体或者微电子封装的解片锯。它们也可以用于在有或没有冷却剂的情况下切割小物体和大物体。取芯钻头允许以去除更小体积的材料的方式快速地切割取芯，并且使取芯具有良好的光洁度；优点在于能够在易于切碎和分裂的贵重材料中进行激光柱取芯或者进行钻孔。
背景技术
用来切割半导体封装的锯片被人们熟知。这种锯片被制成为圆盘形式、组锯形式和带锯形式。圆锯可通过将研磨料粘结在粘结剂上(以形成所称的固体树脂型刀片)的方式或者将研磨料涂覆在支撑盘上(以形成所称的热压结刀片)的方式制成。外周可以连续或者不连续。在外周切割边缘以槽的形式设置不连续形式的一个目的在于，允许从工件擦落的颗粒流出物及其相关联的冷却剂自由通过。冷却剂用以冷却锯片，及将颗粒或者碎片从刀片冲刷出。
在半导体工业中采用这些锯以通过将渠道或者分离通道切割入封装材料以使各个封装彼此分离。典型的粘结金刚石锯片已经在大的厚度范围内制成，例如从约25微米直到约500微米。
然后，每个分离的封装连接到基板。使用若干类型的落在表贴技术(或者SMT)器件的分类内的基板。SMT封装的器件可以包括安装在铜引脚框(leadframe)上并且通过由二氧化硅填料成型的聚合物包装的管芯(die)。另外，每个SMT封装在其上或者在其中具有电路，其中所述电路具有金属层、测试电路、接地平面等。每个半导体封装因此是具有不同硬度、延伸度和磨损性的材料的组合。
由于对于较厚的或者较宽的渠道的要求，一些导体封装使用厚的锯片被解片。即使这些厚的锯片也会被封装中的填料材料损伤。它们也会快速地被嵌塞塑料和来自电路的金属。然后被嵌塞的刀片要求更大的力以进行切割，并且由于完成切割的金刚石无效而以更慢的速度切割；另外，通常几乎没有空间用于待移除的新切割的碎片。新切割的碎片擦伤刀片材料，造成过度磨损。
固体型的锯片在使用一段时间后趋于形成子弹状廓线边缘。这使得半导体工业拒绝使用它们，因为刀片的侧边磨损及刀片的底部变的更小并且被切割的半导体封装随该磨损而直接增大。结果，封装变得更宽并且超出其尺寸规范。这意味着必须在刀片完全磨损之前相对早地替换锯片。
当嵌塞时，这些刀片还趋于产生粗糙的切割，这能够抹擦或者破坏暴露的电路图案，特别地是当所述抹擦发生于导电性焊盘或者碰撞到基板时，在一些情况中，会使导电性焊盘或者基板全部撕裂；这会在导电性焊盘和基板之间造成电泄漏。另外，粗糙的切割边缘还趋于具有毛刺。
图1A示出了已知的切割刀轮10。如美国专利3628292中所说明的，刀轮10在一侧上具有凸部11，每个凸部以准确地与另一侧上的槽12相对的方式形成。切割凸部11的面积被制成为等于槽12的面积，并且刀轮10的有效厚度保持相同。刀轮10采用具有使用多层丝网和硬质合金颗粒的成分的混合物的树脂型粘结剂。同样地，图1B示出了已知的由粘结剂和磨料颗粒环制成的取芯钻头10a。
由于对增加微电子加工和保持经济通过速率的推动力，需要提高在仍赋予每个封装器件整齐切割边缘的状态下提高微电子解片速度。整齐的切割边缘或者表面具有最小的边缘切削、内层碎屑、金属毛刺和金属抹擦。尽管薄壁含研磨料锯的发展了，仍需要新的更高性能的锯。
发明内容
下面是一个简单的摘要，以提供对于本发明的基本理解。该摘要并不是对于本发明的多方面的概述，并且不意图示出本发明的关键特性。而是，该摘要以总体的形式示出了本发明的一些发明构思，作为下面的详细说明书前序。
在一个实施方式中，本发明提供了一个含有研磨料的电化形成的薄壁切割锯。切割锯包括切割边缘是环形的取芯钻头。电化形成的切割锯包括：一个电化形成的波纹状镍薄壁，其具有多个凸部和同等数量的多个凹部，每个凸部与凹部交替布置，凸部和凹部大体平行且通过过渡部被连接从而凸部的顶面和凹部的相反面限定了具有锯槽宽度D1、基材厚度T和退刀槽深度D2的连续切割边缘；和研磨颗粒，其浸入电化形成的波纹状镍薄壁；其中每个所述锯具有夹紧或驱动区，并且所述夹紧/驱动区具有桥接至少所述凸部的槽口。
在含研磨料的切割锯的另一个实施方式中，连接两个相邻的凸部和凹部的一些过渡部被进一步形成有平行于所述凸部和凹部的中间台阶或者部分地凸凹的凸部/凹部，所述中间台阶的或部分地凸凹的凸部/凹部的相反面之间的距离D3小于锯槽宽度D1。所述锯可形成有圆形、环形或和直线形的切割边缘。
在含研磨料的切割锯的一个实施方式中，所述切割锯具有环状夹紧区，所述夹紧区中的凹部形成有槽口，因此槽口与凸部平齐并且它们示出一个以上的圆或线或槽口交错以形成两个或更多个的同心圆或者平行线。
在一个实施方式中，环形切割锯是取芯钻头，并且所述凸部和凹部是部分圆；所述凸部形成外圆切割边缘，而所述凹部形成内部同心切割边缘。夹具/夹紧区中的槽口展示为圆形或者交错以形成两个或更多个同心圆或者螺旋圆。
附图说明
借助于本发明的非限定性实施方式并参考附图说明本发明，在附图中：
图1A示出了已知的切割刀轮；图1B示出了已知的取芯钻头；
图2示出了根据本发明的实施方式的切割刀片；
图3示出了图2中所示的切割刀片的波纹状图案；
图4A示出了图3中所示的波纹状图案的中间台阶；
图4B示出了图3中所示的波纹状图案中的部分地凹凸的凸部和凹部；和
图4C示出了两个同心的成排的槽口与相关联的部分地凹凸的凸部/凹部或中间台阶；
图5A示出了根据本发明的另一个实施方式形成的环形锯片；和图5B示出了环形锯片和支撑盘之间的波纹状连接的截面；
图6A示出了用于固定和安装已知切割刀片的毂盘的分解图；图6B示出了用于固定和安装本发明的切割刀片的另一个毂盘的截面图；
图7A示出了根据本发明的另一实施方式的带锯的一部分；图7B示出了本发明的另一带锯的一部分；图7C示出了本发明的又一带锯的一部分；和
图8A示出了根据本发明的又一实施方式的取芯钻头；和图8B示出了图8A中示出的取芯钻头的端视图。
具体实施方式
现在将参考附图说明本发明的一个以上的特定实施方式或者替代实施方式。但是，本领域技术人员应明白，本发明可以不局限于这些特定的细节来实践。一些细节的说明不会展开说明以免模糊本发明。为易于引用，当参考图中共有的相同或者类似特性时，在全部图中使用共同的附图标记或者序列的附图标记。
图2示出了根据本发明的实施方式制成的电化形成的含研磨料切割刀片20。如图2中所示，切割刀片20通过在含有悬浮金刚石颗粒的熔池(bath)中将镍基材(matrix)电化形成于芯轴上而制成。芯轴的表面具有波纹状从而切割刀片20形成有交替的凸部22和凹部24。切割区沿切割刀片20的外周布置，而夹紧/驱动区位于外周与内周之间的环状区。切割刀片20的过渡部26接合凸部22与凹部24并将凸部22与凹部24分离，从而凸部22和凹部24在横向和纵向方向上空间分开。凸部22和凹部24是大致的平坦状并且每个都处于大致平行的平面中。通过采用波纹状开关，切割刀片20在其平面切割方向上是强度大的并且刚性的。另外，该波纹状开关有助于在切割过程中通过产生绕切割刀片20的气流而去除废料。所产生的气流还有助于在切割过程中冷却切割刀片20。
在切割刀片20中，每个过渡部26相对于凸部和凹部具有约45°的倾斜。过渡部26的倾斜能够根据切割刀片20的计划用途和待切割的材料而变化。该倾斜能够小于90°、小于60°并且更优选地根据刀片的期望用途在约30°至约60°之间。例如，在微电子解片行业中，过渡部26的优选倾斜是约45°±15°。
过渡部26的该倾斜对于使刀片20柔性并且当被毂盘或者固定夹具夹紧于解片机的轴上时自调整也是重要的。过渡部26的倾斜能够在夹紧区内变化。通过使凸部22和凹部24的数目变化，可以改变刀片20的其它特性，比如柔性的。
在切割刀片20的另一个实施方式中，夹紧区接近内周。
图3示出了图2中所示的波纹状切割刀片20的边缘廓线。如图3中所示，凸部22的顶面与凹部24的底部之间的距离限定了锯槽宽度D1，该宽度是刀片20在工件上的切割宽度。凸部22与凹部24之间的高度差限定了波纹深度或者退刀深度D2，其中D1等于D2与薄壁切割刀片20的基材厚度T的和。
例如，在微电子解片行业中，锯槽宽度D1在约25微米至约500微米的范围内变化。薄壁刀片的厚度T，即凸部22、凹部24和过渡部26的厚度通常是D1的约10％至约60％，并且优选地是D1的三分之一。例如，当凸部22、凹部24和过渡部26中的每个的厚度是约50微米时，刀片20具有约200微米的锯槽宽度D1。刀片20大约50微米的厚度制成有波纹状的表面，该表面具有120个凸部和凹部。这些刀片20在工件上提供给有干净的切割边缘，并且被毂盘或者固定夹具夹紧时刀片是坚硬的并且自平坦。
图4A示出了根据本发明的另一实施方式的切割刀片20的边缘廓线。通过比较图4A与图3，图4A中所示的边缘廓线在一些过渡部26中具有中间台阶27，使得中间台阶27平行于凸部22和凹部24。
图4B示出了根据本发明的另一实施方式的切割刀片20的边缘廓线。图4B中所示的边缘廓线具有部分地凹凸的凸部22a和凹部24a，从而它们限定了波纹深度D3，该深度D3小于D1。在一个实施方式中，部分地凹凸的凸部22a和凹部24a彼此相邻；在另一个实施方式中，它们沿横向方向上彼此离开。
再参考图2，切割刀片20具有位于夹紧/驱动区中的槽口28。槽口28形成与外径和内径同心的圆。如所观察到的，每个槽口28由各个凹部24的后部形成，使得槽口与凸部平齐。由此槽口28桥接凸部22，并且使由于图6B中所示的夹紧凸缘造成的或者当切割刀片20以例如15000-30000rpm的速度旋制时的离心力造成的在夹紧区中的波纹的形状的变形最小化。在另一个切割刀片的实施方式中，槽口28形成两排交错的槽口28，如图2和图4C所示。
图4C示出了根据本发明的又一实施方式的切割刀片20的边缘廓线。如图4C所示，一些中间台阶27在刀片20的切割区中形成为部分地凹凸的凸部22a或凹部24a。这通过槽口28的存在而得以允许。另外如图4C所示，一些中间台阶22b形成有大于凸部22或凹部24的面积。
在使用中或者使用后，过渡部26的磨损和撕裂表现为切割边缘的部分的凹形廓线。这与现有技术中的切割刀片的板状切割廓线形成对比。本切割刀片的切割边缘的凹形廓线是由于在切割刀片20旋制时，在锯槽宽度D1上的基材材料与工件的体积差异所致。通过形成中间台阶27、部分地凹凸的凸部22a、22b或凹部24a，在锯槽宽度D1上的基材材料的浓度被制成的更为均匀，并且这样使切割刀片20具有大体上方形的切割边缘廓线。
图5A示出了根据本发明制成的相对较大的环形锯30的平面图。锯30包括厚的金属坯料或者支撑体34，其中采用环形形状的刀片32和厚的金属坯料或者支撑体34相连接。如图3或者图4A-4C所示，刀片32是波纹状的。这样的刀片32易于制成1m或1m以上的直径，并且锯30能够操作以平滑地并且不嵌塞地切割材料。
图5B示出了沿图5A的线X-X获取的放大的仰视截面图。盘状支撑体34设置有波纹环状肩部35。肩部表面35形成有与刀片32的安装凸缘的图案匹配的波纹状图案。肩部表面的和安装凸缘36的波纹具有与刀片32相同的节距，但具有不同的波纹深度。安装凸缘36可以通过若干已知的技术接合到肩部35。
图6A示出了用于固定和安装现有技术的切割刀片10的毂盘60的分解图。毂盘60由三部分构成：凸缘毂盘62、支撑毂盘63和插入件64。图6B示出了用于固定和安装本发明的切割刀片20、30的毂盘60a。如图6B所示，毂盘60a也由凸缘毂盘62a和支撑毂盘63a构成。凸缘毂盘62a和支撑毂盘63a安装于解片机的轴上。凸缘毂盘62a和支撑毂盘63a夹着刀片20、30，并且反过来以组件的形式通过一侧上的夹紧螺母68和相反侧上的间隔件或者挡圈被固定于所述轴。通过形成在每个刀片20、30的夹紧区中的槽口28，不再需要插入件64将刀片20、30固定或安装于当前的解片机。
图7A示出了根据本发明的另一实施方式的带锯70a的一部分。如图7A所示，带锯70a通过电化加工根据本发明的波纹状切割边缘72a和一体的长带材74制成。
图7B示出了根据本发明的另一实施方式的带锯70b的一部分。如图7B所示，带锯70b也通过电化加工的波纹状切割边缘72b和一体的但波纹状的带材74a制成。在另一个实施方式中，如图7C所示，波纹状切割边缘72b通过波纹段连接于长带材74b。在又一实施方式(未示出)中，与图4C中所示的类似，波纹状切割边缘72、72a、72b具有部分地凹凸的凸部和凹部。
图8A示出了根据本发明的另一实施方式的取芯钻头或筒形锯80。图8B示出了取芯钻头的端视图。取芯钻头80由以圆柱形状形成的、与管部84一体的波纹状取芯部82构成。在一个实施方式中，刀片T的厚度约为锯槽宽度D1的一半。取芯钻头80允许更少的待移除材料，并且由此使用更小的能量以钻孔或者取芯杆。已经对取芯钻头80用于从坯料切割出整齐的成品尺寸的激光柱进行测试。测试结果显示出了优良的表面光洁度和激光柱公差，从而减少了最终的尺寸形成处理时间。在传统处理中，超尺寸的柱被取芯出并且包含微裂纹的多余柱材在抛光之前被磨削掉以形成最终尺寸；柱的端部被抛光并且涂覆光学涂层以形成用于工作激光用的部分反射镜或者全反射镜。通过本发明的取芯钻头80，从坯料制成激光柱的4天的传统处理已经被消减为约10分钟。另外，由于使废料最少化，从而大量地节省了原材料。另外，由于在锯槽宽度上的微凹形的切割边缘，在钻头的入口和出口处没有切屑而允许制造商将整个芯材切割至最终产品尺寸。而且，取芯钻头80允许对于硬质材料和脆性材料的在没有冷却剂的状态下的约10mm/min的更高的钻孔进给速度至在有冷却剂的状态下的约130mm/min的进给速度。据估计，通过使用本发明的取芯钻头，激光柱制造商一年多能够节省约1000万美元。
图8A中所示的管或者夹具/夹紧部84具有圆筒表面。在另一个实施方式中，夹具/夹紧部84具有与取芯部82相同的波纹状图案并且与外部钻孔机的主轴的键槽接合。在又一个实施方式中，夹具/夹紧部84具有与取芯部82相同的波纹状图案，但是槽口28a形成在外部表面和/或内部表面(图8A中未示出)。优选地，槽口28a交错以形成两排或两排以上。成排的槽口28a可以是同心的或者是螺旋的。通过槽口28a，传统的已知钻孔机的卡盘可以使用本发明的取芯钻头。
根据本发明制成的锯片20、30和取芯钻头80进行了测试。在测试中，进行350mm/s的线性切割速度。在这些测试中，切割刀具的寿命在25km和50km之间。与现有技术的切割刀具的50mm/s的速度和500m的切割寿命相比较，本发明的锯片20、30和取芯钻头80比现有技术的刀片/钻头延长约50倍到100倍。
虽然已经说明和示出了具体的实施方案，应理解，在不偏离本发明的范围的前提下，能够对本发明进行许多改变、修改、变化和它们的组合。例如，对于圆锯或者环形锯已经说明了具有中间台阶或者具有部分地凹凸的凸部/凹部的过渡部，但对于取芯钻头并不如此限制。另外，根据待切割的工件的硬度，可以使用其它的磨料颗粒以替代金刚石，如硬质合金、立方氮化硼、刚玉等。

Claims (20)

1.一个含研磨料的切割锯，其包括：一个电化形成的波纹状镍薄壁，其具有多个凸部和同等数量的多个凹部，每个凸部与凹部交替布置，凸部和凹部大体平行且通过过渡部被连接从而凸部的顶面和凹部的相反面限定了具有锯槽宽度D1、基材厚度T和退刀槽深度D2的连续切割边缘； 
和研磨颗粒，其浸入电化形成的波纹状镍薄壁； 
其中所述锯具有夹紧或驱动区，并且所述夹紧或驱动区具有槽口，所述槽口在从所述锯的一侧观察时，形成在整个所述凸部。 
2.根据权利要求1所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，连接两个相邻的凸部和凹部的一些过渡部进一步形成一个或多个平行于所述凸部和凹部的中间台阶。 
3.根据权利要求1所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，一些凸部和凹部是由中间凸部和凹部形成的，使得所述中间凸部和凹部平行于所述凸部和凹部，所述中间凸部和凹部的相反面之间的距离D3小于锯槽宽度D1。 
4.根据权利要求1-3中任一项所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述锯形成有如下形状的切割边缘：圆形、环形或直线形。 
5.根据权利要求4所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，圆形切割边缘锯或者直线形切割边缘锯具有平坦的凸部和凹部。 
6.根据权利要求4所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，圆形切割边缘锯或者直线形切割边缘锯用于制成单片的微电子封装，锯槽宽度D1为25-300微米，基材厚度T为5-80微米。 
7.根据权利要求6所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述研磨颗粒是金刚石，并且所述切割锯允许约350mm/s的干线性进给速度。 
8.根据权利要求7所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述锯的切割寿命超过25km。 
9.根据权利要求5所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述槽口表示为圆形或者线形。 
10.根据权利要求5所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，相邻槽口被错开以形成两个或更多个同心圆或者两条或更多条平行线。 
11.根据权利要求4所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述直线形切割边缘锯形成带锯。 
12.根据权利要求4所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述环形切割边缘锯被支撑在金属坯料上。 
13.根据权利要求4所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述环形切割边缘锯是取芯钻头或者筒形锯，并且所述凸部和凹部是部分的圆形。 
14.根据权利要求13所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述凸部形成了外圆切割边缘，而所述凹部形成了内部但同心的切割边缘。 
15.根据权利要求13或14所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，取芯钻头能够作用用于形成激光芯柱，锯槽宽度D1为100-250微米，基材厚度T为50-130微米。 
16.根据权利要求13所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述研磨颗粒是金刚石并且允许从10mm/min至130mm/min的钻孔进给速度。 
17.根据权利要求13所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，所述夹紧或驱动区中的槽口形成为与所述凸部平齐，并且所述槽口展示为圆形。 
18.根据权利要求17所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，相邻槽口被错开以形成两个或更多个同心圆。 
19.根据权利要求17所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，相邻槽口被错开以形成两个或更多个螺旋圆。 
20.根据权利要求13所述的含研磨料的切割锯，其特征在于，整个所述锯槽宽度D1上的切割边缘是凹形的，由此降低了在钻孔的入口处和出口处的边缘切削。 
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