CN111704391B - 一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法 - Google Patents

一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体加工领域，尤其涉及一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法，原料包括树脂、金刚石、无机填料和造孔剂，经过混料、填料、热压、二次硬化等步骤制作，并使用其特制模具制成，模具包括两个压型模、设置在两个压型模中间的外型模及设置在压型模下端的内型模；内型模包括底板和均匀固定在底板上端面的内型限位柱；压型模包括上和均匀固定在上板端面的压型管，内型限位柱外径与压型管内径相匹配；外型模包括中板和均匀开设在中板上的外型孔，压型管的外径与外型孔内径相匹配。本发明可制备一种具有超高形位精度，切缝表面质量，机械性能和寿命的超薄金刚石划片。

Description

一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体加工领域，尤其涉及一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法。
背景技术
半导体加工工艺流程中，在最后封装工序之前，需将大晶圆切割成具有独立单元集成电路的小芯片，即划片工序。另外随着集成度越来越高必须使用高精度超薄金刚石划片刀，才能保证划片精度、低成本以及微加工余量的要求。目前，该类型划片刀的核心技术主要由美、日等国家少数企业所垄断。而以我国现有的磨具生产工艺和技术装备，在制造过程出现容易出现半成品密度不均、尺寸误差大、粘模、变形、等工艺问题，在产品使用过程出现划片刀变形、切割效率低、寿命短以及被加工工件切缝偏斜、尺寸误差大、表面质量差等一系列产品质量问题，还无法满足高端半导体芯片划片工序对尺寸、形位精度及使用性能的要求。因此开发新的具有超高形位精度，切缝表面质量，机械性能以及高效率和寿命的超薄金刚石划片刀，对我国高端半导体产业的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种金刚石陶瓷复合划片刀及其制备方法，制备一种具有超高形位精度，切缝表面质量，机械性能和寿命的超薄金刚石划片。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金刚石陶瓷复合划片刀，原料包括树脂、金刚石、无机填料和造孔剂。
优选的，其特征在于，所述树脂质量分数为40-50％，所述金刚石质量分数为20-30％，所述造孔剂质量分数为0-2％，余量为无机填料。
优选的，所述无机填料包括占所有材料的质量分数为25％的碳化硅辅助磨料(辅助磨料与镀镍金刚石质量分数1:1左右可兼顾划片刀的磨削效率与生产成本)和占所有材料的质量分数为3-5％的石墨。
优选的，所述树脂为热固性树脂，所述金刚石为镀镍金刚石、所述造孔剂为碳酸氢钠。
一种金刚石陶瓷复合划片刀的方法，包括如下步骤：
步骤一，混料：按照配比准确称量所述树脂、金刚石、无机填料和造孔剂装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛；
步骤二，填料，将步骤一得到的混料填入模具内，将填有混料的模具放入热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温时间3h，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测检测合格，即可得到所述划片刀。
一种金刚石陶瓷复合划片刀的模具，包括两个压型模、设置在所述两个压型模中间的外型模及设置在所述压型模下端的内型模；
所述内型模包括底板和均匀固定在所述底板上端面的内型限位柱；
所述压型模包括上板和均匀固定在所述上板端面的压型管，所述内型限位柱外径与所述压型管内径相匹配；
所述外型模包括中板和均匀开设在所述中板上的外型孔，所述压型管的外径与所述外型孔内径相匹配。
本发明具有如下技术效果：
1)选用镀镍金刚石，有利于提高金刚石与基体的结合强度，增加划片刀使用寿命，采用适量碳酸氢钠作为造孔剂，有利于在磨削中带走磨屑和磨削液，防止堵塞，从而改善半导体切割面粗糙度。
2)本发明的模具可同时制备多个划片刀半成品，通过提高模具的加工精度，可以保证划片刀内径与外径的尺寸精度和形位精度。
3)在酚醛树脂软化温度无压保温，可以防止出现粘模与飞边。
4)二次固化时，划片刀随模具保温，模具的自重和形状限制能够防止划片刀变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明模具结构示意图；
图2为本发明模具配合状态结构示意图；
图3为本发明划片刀实物图；
图4为本发明划片的微观结构示意图。
其中，1为底板，101为内型限位柱，2为上板，201为压型管，3为中板，301为外型孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图3和图4所示，本实施例提供一种金刚石陶瓷复合划片刀制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，混料：树脂优选为热固性树脂酚醛树脂，将按照配比准确称量质量分数：20％的镀镍金刚石、50％酚醛树脂、25％碳化硅、5％石墨粉装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛，保存作为混料；
步骤二，填料，首先将内型模的底板1向下，内型限位柱101向上放置，将压型模的上板2向下压型管201向上，将压型管201套接在内型限位柱101上，将外外型模的中板3通过外型孔301套在压型管201外，组合完成后，使内形限位柱端面与中板3表面平齐，压型管201端面距离中板3表面一定距离形成一个环形模腔以控制填入混料的质量，进而控制划片刀厚度。将混料缓慢投入模腔中，用刮刀轻轻刮平，随后施加取另一个压型模，使压型管201向下，压入压型管201端面距离中板3形成的空腔内并固定外型模，同步移动上下两个压型模使成型料处于外型模中间，随后在将该模具转移到热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，此过程中划片刀坯体进一步硬化，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温3h，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测是否满足，平行度＜2μm，表面粗糙度Ra＜0.5μm，检测合格，即可得到所述划片刀。
本实施例得到的划片刀性能如下：
使用上述划片刀切割3*3mm LED灯珠，基板厚度为0.48mm,主轴转速25k rpm,进刀速度30mm/s,寿命4000m,切割后基板存在明显熔锡、拉毛现象。
实施例二
本实施例提供一种金刚石陶瓷复合划片刀制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，混料：树脂优选为热固性树脂酚醛树脂，将按照配比准确称量质量分数：20％的镀镍金刚石、50％酚醛树脂、25％碳化硅、4％石墨粉和1％碳酸氢钠装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛，保存作为混料；
步骤二，填料，首先将内型模的底板1向下，内型限位柱101向上放置，将压型模的上板2向下压型管201向上，将压型管201套接在内型限位柱101上，将外外型模的中板3通过外型孔301套在压型管201外，组合完成后，使内形限位柱端面与中板3表面平齐，压型管201端面距离中板3表面一定距离形成一个环形模腔以控制填入混料的质量，进而控制划片刀厚度。将混料缓慢投入模腔中，用刮刀轻轻刮平，随后施加取另一个压型模，使压型管201向下，压入压型管201端面距离中板3形成的空腔内并固定外型模，同步移动上下两个压型模使成型料处于外型模中间，随后在将该模具转移到热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，此过程中碳酸氢钠分解形成气孔，划片刀坯体进一步硬化，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温3H，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测是否满足，平行度＜2μm，表面粗糙度Ra＜0.5μm，检测合格，即可得到所述划片刀。
本实施例得到的划片刀性能如下：
使用上述划片刀切割3*3mm LED灯珠，基板厚度为0.48mm,主轴转速25k rpm,进刀速度30mm/s,寿命3800m,切割后基板熔锡现象消失、毛刺小于10μm。
碳酸氢钠的加入在划片刀中产生气孔，其不仅可以容纳切割产生的碎屑，防止划伤工件，而且气孔可以容纳冷却液，促进工件表面冷却防止工件烧伤。
实施例三
本实施例提供一种金刚石陶瓷复合划片刀制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，混料：树脂优选为热固性树脂酚醛树脂，将按照配比准确称量质量分数：20％的镀镍金刚石、50％酚醛树脂、25％碳化硅、3％石墨粉和2％碳酸氢钠装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛，保存作为混料；
步骤二，填料，首先将内型模的底板1向下，内型限位柱101向上放置，将压型模的上板2向下压型管201向上，将压型管201套接在内型限位柱101上，将外外型模的中板3通过外型孔301套在压型管201外，组合完成后，使内形限位柱端面与中板3表面平齐，压型管201端面距离中板3表面一定距离形成一个环形模腔以控制填入混料的质量，进而控制划片刀厚度。将混料缓慢投入模腔中，用刮刀轻轻刮平，随后施加取另一个压型模，使压型管201向下，压入压型管201端面距离中板3形成的空腔内并固定外型模，同步移动上下两个压型模使成型料处于外型模中间，随后在将该模具转移到热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，此过程中碳酸氢钠分解形成气孔，划片刀坯体进一步硬化，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温3H，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测是否满足，平行度＜2μm，表面粗糙度Ra＜0.5μm，检测合格，即可得到所述划片刀。
本实施例得到的划片刀性能如下：
使用上述划片刀切割3*3mm LED灯珠，基板厚度为0.48mm,主轴转速25k rpm,进刀速度30mm/s,寿命2800m,切割后基板熔锡现象消失、毛刺小于10μm。
过量的碳酸氢钠加入产生较多气孔，导致划片刀强度降低，使用寿命减少。
实施例四
本实施例提供一种金刚石陶瓷复合划片刀制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，混料：树脂优选为热固性树脂酚醛树脂，将按照配比准确称量质量分数：25％的镀镍金刚石、45％酚醛树脂、25％碳化硅、4％石墨粉和1％碳酸氢钠装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛，保存作为混料；
步骤二，填料，首先将内型模的底板1向下，内型限位柱101向上放置，将压型模的上板2向下压型管201向上，将压型管201套接在内型限位柱101上，将外外型模的中板3通过外型孔301套在压型管201外，组合完成后，使内形限位柱端面与中板3表面平齐，压型管201端面距离中板3表面一定距离形成一个环形模腔以控制填入混料的质量，进而控制划片刀厚度。将混料缓慢投入模腔中，用刮刀轻轻刮平，随后施加取另一个压型模，使压型管201向下，压入压型管201端面距离中板3形成的空腔内并固定外型模，同步移动上下两个压型模使成型料处于外型模中间，随后在将该模具转移到热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，此过程中碳酸氢钠分解形成气孔，划片刀坯体进一步硬化，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温5h，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测是否满足，平行度＜2μm，表面粗糙度Ra＜0.5μm，检测合格，即可得到所述划片刀。
本实施例得到的划片刀性能如下：
使用上述划片刀切割3*3mm LED灯珠，基板厚度为0.48mm,主轴转速25k rpm,进刀速度30mm/s,寿命4500m。
切割过程中，金刚石起主要磨削作用，使用低浓度时有利于减少基板的翻边、拉毛，使用高浓度时提高切割寿命，同时可以提高划片刀强度，最大进刀速度为50mm/s时，划片刀无蛇形切割现象。
实施例五
本实施例提供一种金刚石陶瓷复合划片刀制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，混料：树脂优选为热固性树脂酚醛树脂，将按照配比准确称量质量分数：30％的镀镍金刚石、40％酚醛树脂、25％碳化硅、4％石墨粉和1％碳酸氢钠装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛，保存作为混料；
步骤二，填料，首先将内型模的底板1向下，内型限位柱101向上放置，将压型模的上板2向下压型管201向上，将压型管201套接在内型限位柱101上，将外外型模的中板3通过外型孔301套在压型管201外，组合完成后，使内形限位柱端面与中板3表面平齐，压型管201端面距离中板3表面一定距离形成一个环形模腔以控制填入混料的质量，进而控制划片刀厚度。将混料缓慢投入模腔中，用刮刀轻轻刮平，随后施加取另一个压型模，使压型管201向下，压入压型管201端面距离中板3形成的空腔内并固定外型模，同步移动上下两个压型模使成型料处于外型模中间，随后在将该模具转移到热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的模具施加10MPa的压力，同时模具升温至200℃，保温保压1h，此过程中碳酸氢钠分解形成气孔，划片刀坯体进一步硬化，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同模具一起放入二次硬化炉，保温5h，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整，检测是否满足，平行度＜2μm，表面粗糙度Ra＜0.5μm，检测合格，即可得到所述划片刀。
本实施例得到的划片刀性能如下：
使用上述划片刀切割3*3mm LED灯珠，基板厚度为0.48mm,主轴转速25k rpm,进刀速度30mm/s,寿命4200m，切割后存在崩角、拉毛现象。
过量的镀镍金刚石及辅助磨料碳化硅的加入，导致树脂结合剂无法对填料进行有效的包裹，甚至存在数个填料颗粒紧邻嵌入结合剂基体，甚至暴露于基体表面的现象，导致基体与填料之间结合强度降低，切割过程中金刚石颗粒容易脱落，破坏、划伤基板，划片刀强度也因此降低。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种制备金刚石陶瓷复合划片刀的模具，其特征在于：包括两个压型模、设置在所述两个压型模中间的外型模及设置在所述压型模下端的内型模；
所述内型模包括底板(1)和均匀固定在所述底板(1)上端面的内型限位柱(101)；
所述压型模包括上板(2)和均匀固定在所述上板(2)端面的压型管(201)，所述内型限位柱(101)外径与所述压型管(201)内径相匹配；
所述外型模包括中板(3)和均匀开设在所述中板(3)上的外型孔(301)，所述压型管(201)的外径与所述外型孔(301)内径相匹配。
2.制备金刚石陶瓷复合划片刀的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，混料：按照配比准确称量树脂、金刚石、无机填料和造孔剂，装入容器密封，将密封后的所述容器固定在装有酒精的大容器中再次密封，将密封后的所述大容器放入行星重力混料机中进行混料，混料结束后过筛；
步骤二，填料，将步骤一得到的混料填入权利要求1所述的模具内，将填有混料的所述模具放入热压机上进行热压；
步骤三，热压，热压工艺曲线根据对应树脂及造孔剂的TG-DTA测试优化设定，将所述步骤二中填有混料的模具在125℃无压保温30min，此时，树脂已经硬化，对填有混料的所述模具施加10MPa的压力，同时所述模具升温至200℃，保温保压1h，制成半成品；
步骤四，二次硬化，将步骤三制得的半成品随同所述模具一起放入二次硬化炉以保证冷却过程中划片刀不发生弯曲变形，保温时间3-5h，随炉冷却至室温取出检验；
步骤五，将步骤四得到的划片刀毛坯表面进行修整打磨，检测合格，即可得到所述划片刀。
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