CN103361530A - 一种金刚石切割片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石切片及其制备方法，由金属基胎和金刚石颗粒组成，该金刚石切割片中金刚石浓度为16～28%，粒径为12～45微米；按质量比，金属基胎的组成为：纳米铜粉45～67%、纳米锡粉15～45%、银粉5～16%、钴粉2～15%、镍粉1～8%、碳化硅粉10～15%。上述金刚石切割片通过混料-成型-烧结-加工-研磨的过程制备得到；具有高强度和硬度、低烧结温度并且解决了现有技术中由于传热不良造成的切偏问题，使用寿命长，符合半导体行业对切割片要求厚度薄、强度高的问题；制备方法简单，原料来源广泛，适于工业化生产。

Description

一种金刚石切割片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石切割片，具体涉及一种可用于半导体行业的超薄金属基金刚石切割片及其制备方法。
背景技术
由于金刚石所具有的特性（硬度高、抗压强度高、耐磨性好）而使其在切割加工中成为切割硬脆材料及硬质合金的理想工具，不但效率高、精度高，而且粗糙度好、磨具消耗少、使用寿命长，同时还可改善劳动条件，因此广泛用于普通切割片难于加工的坚硬材料。金刚石切割片是将金属粉末或者树脂粉末胎体和人造金刚石颗粒相混合，经研磨、制坯、烧结而成。现有技术中以树脂粉末为胎体制备的树脂基金刚石切割片存在寿命短、精度不够、切割进刀速度慢及易崩断等缺点；以普通金属结合剂为胎体的金属基金刚石切割片的烧结温度过高，从而损害金刚石强度导致切割片寿命下降，在切割过程中由于导热问题导致切割片变软而切偏，无法满足生产需要。
在半导体芯片加工划片工序中，需将大晶片分割成具有独立单元集成电路的小芯片，另外随着集成度越来越高，高集成度晶片的分割必须使用更薄的金刚石切割片，才能达到高准确度、低成本以及微加工余量的要求。普通金属粉末强度和硬度低，制备超薄金刚石切割片时易变形，合格率极低，使用时易断刀，不适于制造50微米以下的超薄金刚石切割片，无法满足工业生产的要求。
因此开发新的具有优异散热性、机械性能的超薄切割片以提高工作效率、延长使用寿命对支撑半导体产业的发展具有重要意义，特别是对我国尚起步的高端芯片产业具有推动作用。
发明内容
本发明目的是提供一种金刚石切割片，在提高材料散热性能的同时保证良好的强度和刚度，并且厚度小于50微米，适用于半导体行业；本发明的另一目的是提供一种制备该金刚石切割片的方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种金刚石切割片，由金属基胎和金刚石颗粒组成，按质量百分比，该金刚石切割片中金刚石浓度为16～28%，粒径为12～45微米；所述金属基胎的组成和含量为：
纳米铜粉              45～67%
纳米锡粉              15～45%
银粉             5～16%
钴粉                      2～15%
镍粉          1～8%
碳化硅粉      10～15%
上述百分数为质量百分数。
上述技术方案中，所述纳米铜粉技术条件为：
Cu(≮) 颜色 比表面积（m2/g） 粒径nm
99.5% 紫红色 6.67 30-100
所述纳米锡粉技术条件为：
Sn(≮) 颜色 比表面积（m2/g） 粒径nm 体积密度g/cm3 晶型
99.9% 黑色 45.3 30-50 0.42 球形
所述银粉技术条件为：Ag含量大于等于99.5%，粒径1～2μm。
所述钴粉技术条件为：Co含量大于等于99.7%，粒径2～7μm。
所述镍粉技术条件为：Ni含量大于等于99.5%，粒径0.2～2μm。
所述碳化硅粉技术条件为：SiC含量大于等于99.3%，粒径6.1～7.3μm。
(1)混料：按比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌2～4小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌2～4小时得到混合料；
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，压力20～80MPa；
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯；工艺条件为：压力20～50KN，升温速度20～80℃/min，烧结温度600～800℃，保温时间10～90min，冷却速度20～70℃/min；
(4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片；
(5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
上述银粉、钴粉、镍粉、碳化硅粉都是本领域常用的组分材料，是本领域技术人员熟知的已知物质。
本发明中金属基胎以纳米金属粉为主。纳米金属粉属零维纳米材料，其原子和电子结构不同于化学成分相同的普通金属粒子，它具有不同于宏观物体和单个原子的磁、光、电、声、热、力及化学等方面奇异特性，具有弥散强化作用，能大幅提高金属的强度、硬度以及导电导热性能并降低了金属的软化温度。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明使用纳米金属粉提高了基胎金属的强度和硬度，避免超薄切割片在使用过程中断刀，提高了工作效率，同时纳米金属粉降低了基胎金属的软化温度，从而大大降低了切割片的烧结温度，避免了对金刚石的损害；
2、本发明制备的金刚石切割片，传热性能优异，解决了现有技术中由于传热不良造成的切偏问题，使用寿命长，符合半导体行业对切割片要求厚度薄、强度高的问题；
3、本发明公开的制备方法简单，原料来源广泛，适于工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
(1)混料：按上述比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌2小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌3小时得到混合料；
金属基胎原料中各组分质量比为：
纳米铜(Cu)粉                   45%
纳米锡(Sn)粉                         30%
镍(Ni)粉                              3%
钴(Co)粉                             4%
银(Ag)粉                       11%
碳化硅(SiC)粉                  7%
金刚石颗粒与金属基胎的质量比为1∶37；
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，冷压压力400KN； 
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯；工艺条件为：热压压力40KN，升温速度20℃/min，烧结温度600℃，保温时间10min，冷却速度20℃/min；
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片；
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
该切割片厚度50μm，导热系数350 W/(m·K)，在Disco DAD3350划片机上以主轴转速25Krpm、进刀速度6mm/s切割500μm厚度晶圆，直径磨损量控制为2mm，在线测试实际径向磨耗1.5mm，有效切割长度为400米，平均磨耗比为3.75μm/m。
实施例二
(1)混料：按上述比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌4小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌2小时得到混合料。
金属基胎原料中各组分质量比为：
纳米铜(Cu)粉                   50%
纳米锡(Sn)粉                         30%
镍(Ni)粉                              2%
钴(Co)粉                             3%
银(Ag)粉                       5%
碳化硅(SiC)粉                  10%
金刚石颗粒与金属基胎的质量比为1∶18；
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，冷压压力500KN。 
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯。工艺条件为：升温速度60℃/min，烧结温度700℃，保温时间50min，冷却速度50℃/min，热压压力30KN。
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片。
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
该切割片厚度0.35mm，导热系数370 W/(m·K)，在Disco EAD6430K划片机上以主轴转速30Krpm、进刀速度150mm/s切割1.0㎜BGA，直径磨损量控制为2mm,在线测试实际径向磨耗1.5mm，有效切割长度为3500米,平均磨耗比为0.43μm/m。
实施例三 
(1)混料：按上述比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌3小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌4小时得到混合料；
金属基胎原料中各组分质量比为：
纳米铜(Cu)粉                   47%
纳米锡(Sn)粉                         31%
镍(Ni)粉                              1%
钴(Co)粉                             2%
银(Ag)粉                       5%
碳化硅(SiC)粉                  14%
金刚石颗粒与金属基胎的质量比为1∶35；
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，冷压压力500KN； 
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯；工艺条件为：热压压力35KN，升温速度80℃/min，烧结温度800℃，保温时间90min，冷却速度70℃/min；
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片；
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
该切割片厚度70μm，导热系数310 W/(m·K)，在Disco DAD3350划片机上以主轴转速30Krpm、进刀速度10mm/s切割525μm厚度晶圆，直径磨损量控制为2mm,在线测试实际径向磨耗1.6mm，有效切割长度为300米,平均磨耗比为5.3μm/m。
实施例四 
(1)混料：按上述比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌3小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌4小时得到混合料。
金属基胎原料中各组分质量比为：
纳米铜(Cu)粉                         65%
纳米锡(Sn)粉                            15%
镍(Ni)粉                                2%
钴(Co)粉                                2%
银(Ag)粉                             6%
碳化硅(SiC)粉                        10%
金刚石颗粒与金属基胎的质量比为1∶16。
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，冷压压力400KN。 
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯。工艺条件为：热压压力40KN，升温速度80℃/min，烧结温度700℃，保温时间75min，冷却速度70℃/min。
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片。
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
该切割片厚度50μm，导热系数285 W/(m·K)，在Disco DAD3350划片机上以主轴转速30Krpm、最后进刀速度15mm/s切割420μm厚度晶圆，直径磨损量控制为2mm,在线测试实际径向磨耗0.8mm，有效切割长度为290米,平均磨耗比为2.76μm/m。
实施例五 
(1)混料：按上述比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中，加入润湿剂，湿混搅拌3小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌4小时得到混合料。
金属基胎原料中各组分质量比为：
纳米铜(Cu)粉                        66%
纳米锡(Sn)粉                            15%
镍(Ni)粉                                2%
钴(Co)粉                               2%
银(Ag)粉                            5%
碳化硅(SiC)粉                           10%
金刚石颗粒与金属基胎的质量比为1∶30。
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，将工件置入热压模具内。 
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯。工艺条件为：热压压力50KN，升温速度80℃/min，烧结温度800℃，保温时间90min，冷却速度70℃/min。
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片。
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
该切割片厚度0.3mm，导热系数3620 W/(m·K)，在Disco EAD6430K划片机上以主轴转速30Krpm、进刀速度120mm/s切割1.0㎜FBGA，直径磨损量控制为2mm,在线测试实际径向磨耗1.45mm，有效切割长度为4500米,平均磨耗比为0.32μm/m。

Claims (8)

1.一种金刚石切割片，由金属基胎和金刚石颗粒组成，其特征在于，按质量百分比，该金刚石切割片中金刚石浓度为16～28%，粒径为12～45微米；所述金属基胎的组成和含量为：
纳米铜粉          45～67%
纳米锡粉          15～45%
银粉         5～16%
钴粉              2～15%
镍粉          1～8%
碳化硅粉      10～15%
上述百分数为质量百分数。
2.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述纳米铜粉的粒径为30～100纳米，其中铜含量大于等于99.5%。
3.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述纳米锡粉的粒径为30～50纳米，其中锡含量大于等于99.9%。
4.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述银粉的粒度为1～2微米，其中银含量大于等于99.5%。
5.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述钴粉的粒径为2～7微米，其中钴含量大于等于99.7%。
6.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述镍粉的粒度为0.2～2微米，其中镍含量大于等于99.5%。
7.根据权利要求1所述的金刚石切割片，其特征在于：所述碳化硅粉的粒度为6.1～7.3微米，其中碳化硅含量大于99.3%。
8.如权利要求1～7中任意一种金刚石切割片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)混料：按比例将所需的金属基胎原料加入涡流混料机中搅拌2～4小时，再加入经过筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌2～4小时得到混合料；
(2)成型：将上述混合料缓缓投入模具内，填置均匀，刮平，置于液压机操作台冷压制得工件，压力20～80MPa；
(3)烧结：将模具连同工件整体移入烧结炉内，烧结制得毛坯；工艺条件为：压力20～50KN，升温速度20～80℃/min，烧结温度600～800℃，保温时间10～90min，冷却速度20～70℃/min；
 (4)加工：对上述毛坯进行去毛刺、内圆和外圆加工处理，制成切割片；
 (5)研磨：通过研磨精加工工艺处理上述切割片而得到所述的金刚石切割片。
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