CN112059933A - 环状磨具 - Google Patents
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Abstract
提供环状磨具，其高品质地切削硬质材料。该环状磨具具有磨具部，该磨具部包含结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒，该结合材料包含锡镍合金。优选锡在所述锡镍合金中的含有率为57wt％以上且不足75wt％。另外，优选该环状磨具由所述磨具部构成。或者，该环状磨具还具有环状基台，该环状基台具有把持部，所述磨具部在该环状基台的外周缘露出。环状磨具具有使用了包含锡镍合金的结合材料的磨具部，该环状磨具在对硬质材料进行切削时积极地产生自发磨锐的作用，因此切削能力得到维持。
Description
技术领域
本发明涉及安装于切削装置的环状磨具。
背景技术
搭载于电子设备等的器件芯片例如是通过将包含半导体的圆板状的晶片切断而形成的。在晶片的正面上设定交叉的多条分割预定线，在由分割预定线划分的各区域内形成包含该半导体的IC(Integrated Circuit，集成电路)等器件。并且，当将晶片沿着该分割预定线分割时，形成各个器件芯片。
在晶片的分割中使用具有安装有环状磨具(切削刀具)的切削单元的切削装置。在利用切削装置对晶片等被加工物进行切削而分割时，使环状磨具一边在与被加工物的上表面垂直的面内旋转一边切入至该被加工物。该环状磨具具有磨具部，该磨具部包含磨粒和分散并固定该磨粒的结合材料，通过从结合材料适当露出的磨粒与被加工物接触而对被加工物进行切削。
当进行被加工物的切削时，磨粒被消耗，但结合材料也被消耗而使新的磨粒逐渐从结合材料露出，因此该环状磨具的切削能力得到维持。环状磨具的这样的作用被称为自发磨锐。
近年来，作为与由硅晶片形成的器件相比为高耐压、能够控制大电流的电信号的半导体器件，功率器件受到瞩目。功率器件例如用于电动汽车、混合动力汽车、空调的电源电路等。在功率器件的制造中使用电特性比硅晶片良好的碳化硅(SiC)晶片。
SiC晶片是硬质材料，因此在对SiC晶片进行切削而分割时，例如使用结合材料由镍(Ni)形成的环状磨具。但是，由镍形成的结合材料不容易被消耗，因此有时自发磨锐的作用未以充分的水准表现。因此，当利用该环状磨具对SiC晶片进行切削时，该环状磨具的切削能力慢慢降低，容易在所形成的器件芯片的侧面产生被称为崩边的缺损等。
因此，作为能够以较高的加工品质对SiC晶片进行分割的方法，已知有如下的方法：沿着分割预定线对SiC晶片照射激光束，在SiC晶片中形成包含非晶质的盾构隧道(参照专利文献1)。另外，已知有一边对环状磨具赋予超声波一边对SiC晶片进行切削的方法(参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2014-221483号公报
专利文献2：日本特开2014-13812号公报
激光加工装置或能够对环状磨具赋予超声波的切削装置较昂贵，因此使用这些装置的加工成本增高。因此，迫切希望开发能够高品质地切削SiC晶片等硬质材料的环状磨具。若能够在现有的切削装置中装配该环状磨具而高品质地切削硬质材料，则无需在切削装置中组装特别的结构，因此能够抑制加工成本。另外，给现有的切削装置带来新的用途，因此提高现有的切削装置的价值。
发明内容
本发明是鉴于该问题而完成的，其目的在于提供环状磨具，其能够高品质地切削SiC晶片等硬质材料。
根据本发明的一个方式，提供环状磨具，其特征在于，该环状磨具具有磨具部，该磨具部包含结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒，该结合材料包含锡镍合金。优选锡在所述锡镍合金中的含有率为57wt％以上且不足75wt％。
另外，优选该环状磨具由所述磨具部构成。或者，优选该环状磨具还具有环状基台，该环状基台具有把持部，所述磨具部在该环状基台的外周缘露出。
本发明的一个方式的环状磨具具有磨具部，该磨具部包含结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒。并且，该结合材料包含锡镍合金。该环状磨具对SiC晶片等硬质材料进行切削时，结合材料被大量消耗，因此适当地表现出自发磨锐的作用，从而该环状磨具的切削能力得到维持。因此，在对硬质材料进行切削的期间，加工品质不会降低。另外，该环状磨具能够安装于现有的切削装置，因此抑制加工成本。
因此，根据本发明的一个方式，提供能够高品质地切削SiC晶片等硬质材料的环状磨具。
附图说明
图1的(A)是示意性示出由磨具部构成的环状磨具的立体图，图1的(B)是示意性示出具有环状基台和磨具部的环状磨具的立体图。
图2是示意性示出由磨具部构成的环状磨具的制造工序的剖视图。
图3的(A)是示意性示出所形成的镀覆层的剖视图，图3的(B)是示意性示出将基台去除的情形的剖视图。
图4是示意性示出具有磨具部和环状基台的环状磨具的制造工序的剖视图。
图5的(A)是示意性示出所形成的镀覆层的剖视图，图5的(B)是示意性示出将基台的一部分去除的情形的剖视图。
图6是示出使用结合材料由镍形成的环状磨具和结合材料由锡镍合金形成的环状磨具对SiC晶片进行切削时崩边的产生状况的曲线图。
标号说明
1a、1b：环状磨具；3a、3b：磨具部；5：环状基台；2：镀浴槽；6：镍电极；8：开关；10：直流电源；12：旋转驱动源；14：桨叶；16：镀覆液；20a、20b：基台；22a、22b：掩模；24a、24b：镀覆层。
具体实施方式
对本发明的实施方式进行说明。图1的(A)是示意性示出作为本实施方式的环状磨具(切削刀具)的一例的由磨具部构成的环状磨具的立体图。图1的(A)所示的环状磨具1a是被称为垫圈型的环状磨具。
环状磨具1a由在中央具有贯通孔的圆环状磨具部3a构成。环状磨具1a安装于切削装置的切削单元。此时，切削单元所具有的主轴穿过该贯通孔。在对被加工物进行切削时，该主轴进行旋转，从而环状磨具1a在与该贯通孔的延伸方向垂直的面内旋转。并且，当使旋转的环状磨具1a的磨具部3a与被加工物接触时，对被加工物进行切削。
另外，图1的(B)是示意性示出具有环状基台和磨具部的环状磨具的立体图。图1的(B)所示的环状磨具1b是在环状基台5的外周缘配设有磨具部3b的被称为轮毂型的磨具。在将环状磨具1b安装于切削装置的切削单元时，环状基台5成为供切削装置的使用者(操作者)把持的把持部。在将环状磨具1b安装于切削装置的切削单元时，该切削单元的主轴穿过形成于环状基台5的贯通孔。
磨具部3a、3b例如是利用电解镀覆等方法在由铝等金属制成的基台上形成包含金刚石磨粒等磨粒的结合材料而制作的。另外，利用电解镀覆等方法形成的环状磨具1a、1b也被称为电沉积磨具或电铸磨具。环状磨具1a、1b的磨具部3a、3b包含结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒。通过使从结合材料适当地露出的磨粒与被加工物接触而对被加工物进行切削。
当进行被加工物的切削时，磨粒从结合材料脱落或磨损而被消耗，因此环状磨具1a、1b的切削能力慢慢降低。但是，当进行被加工物的切削时，结合材料也被消耗，因此新的磨粒逐渐从该结合材料露出。因此，将环状磨具1a、1b的切削能力保持在一定以上。该作用被称为自发磨锐。
近年来，作为与由硅晶片形成的器件相比为高耐压、能够控制大电流的电信号的半导体器件，功率器件受到瞩目。功率器件例如用于电动汽车、混合动力汽车、空调的电源电路等。在功率器件的制造中使用SiC(碳化硅)晶片。
以往，在作为硬质材料的SiC晶片的切削中例如使用结合材料由镍形成的环状磨具。但是，由镍形成的结合材料不容易被消耗，因此有时在该环状磨具中，自发磨锐的作用未以充分的水准表现。因此，当利用该环状磨具对SiC晶片进行切削时，该环状磨具的切削能力慢慢降低，因此容易在器件芯片的侧面上产生被称为崩边的缺损等。
与此相对，本实施方式的环状磨具1a、1b具有在结合材料中使用锡镍(Sn-Ni)合金的磨具部3a、3b。优选结合材料包含锡镍合金。当在结合材料中使用锡镍合金时，在利用该环状磨具对硬质材料进行切削时，该结合材料被剧烈消耗，因此适当地表现出自发磨锐的作用。因此，该环状磨具能够不降低加工品质而对硬质材料进行切削。
另外，在环状磨具1a、1b中，优选使在结合材料中使用的锡镍合金中的锡的含有率(例如锡在锡与镍的总重量中所占的重量)为57wt％以上且不足75wt％。更优选使锡镍合金中的锡的含有率为64wt％以上且70wt％以下。
当锡与镍的原子数比为1:1时，锡镍合金特别稳定。此时的该锡镍合金中的锡的含有率约为67wt％。因此，当将锡的含有率为67wt％左右的锡镍合金作为主要成分的结合材料用于环状磨具1a、1b的磨具部3a、3b时，环状磨具1a、1b的性能稳定。在该情况下，能够以极其稳定的品质对被加工物进行切削，加工品质的偏差变得极小。
通常在确定被加工物的切削条件时，考虑切削品质的偏差而选择具有一定程度的余裕的切削条件。即，必须选择比认为足以得到规定的加工结果的切削条件更严格的切削条件，以便即使在切削品质上产生一定程度的偏差也能够得到允许的加工结果。因此，在所设想的加工的偏差较大的情况下，有时能够选择的加工条件的范围变窄。
与此相对，本实施方式的环状磨具的性能的偏差较小，因此在使用该环状磨具对被加工物进行切削时，切削品质的偏差也变小。因此，在确定用于使用该环状磨具对被加工物进行切削的切削条件时，切削条件的限制比较小，切削条件的选择的范围变宽。
另外，当通过后述那样的电解镀覆法形成以锡镍合金作为主要成分的结合材料时，锡与镍的原子数比容易成为1:1，因此锡的含有率约为67wt％的该结合材料容易稳定地制造，生产率良好。例如在制造该环状磨具时，即使实施电解镀覆的镀覆槽中所含的镀覆液的组成发生变化，所形成的结合材料的组成也不会发生较大变化。因此，本实施方式的环状磨具的制造工序的管理也容易。
本实施方式的环状磨具1a、1b特别适合对由以SiC(碳化硅)为代表的硬质材料形成的被加工物进行切削的用途。不过，能够利用环状磨具1a、1b进行切削的被加工物不限于此，例如也可以对由硅等半导体等材料、或蓝宝石、玻璃、石英等材料形成的被加工物进行切削。
例如被加工物的正面由呈格子状排列的多条分割预定线划分，在所划分的各区域内形成有IC(Integrated Circuit，集成电路)或LED(Light Emitting Diode，发光二极管)等器件。最终将被加工物沿着分割预定线分割而形成各个器件芯片。
接着，对图1的(A)所示的垫圈型的环状磨具1a的制造方法进行说明。图2是示意性示出由磨具部构成的环状磨具1a的制造工序的剖视图。环状磨具1a利用电解镀覆等方法形成。在该制造方法中，首先准备收纳有镀覆液16的镀浴槽2，该镀覆液16中混入有磨粒。
镀覆液16是含有镍的盐和含有锡的盐溶解而成的电解液。各个盐例如是硫酸盐、氨基磺酸盐、氯化物、溴化物、乙酸盐、柠檬酸盐、或焦磷酸盐中的任意一种。各个盐按照镍与锡的原子数比大致成为1:1的方式投入到镀覆液16。不过，在镀覆液16中所含有的各个离子的原子数比未成为1:1的情况下，所形成的镀覆层的组成也不容易受到影响。即，镀覆液16的管理容易。
另外，可以在镀覆液16中添加氟化氢铵或氟化钠等氟化物。或者可以在镀覆液16中添加甘氨酸等α氨基酸。当在镀覆液16中导入这样的添加剂时，Sn2+或Ni2+的析出电位相互接近。另外，在镀覆液16中进一步混入有金刚石磨粒等磨粒。
在完成镀浴槽2的准备之后，将要通过电沉积形成磨具部3a的基台20a和镍电极6浸渍在镀浴槽2内的镀覆液16中。基台20a例如由不锈钢或铝等金属材料形成为圆盘状，在其表面上形成有掩模22a，该掩模22a具有与期望的磨具部3a的形状对应的形状的开口。另外，在本实施方式中，形成了能够形成圆环状磨具1a的掩模22a。
基台20a经由开关8而与直流电源10的负端子(负极)连接。另一方面，镍电极6与直流电源10的正端子(正极)连接。不过，开关8也可以配置于镍电极6与直流电源10之间。
然后，以基台20a作为阴极、以镍电极6作为阳极，在镀覆液16中流通直流电流，使镀覆层堆积在未被掩模22a覆盖的基台20a的表面上。如图2所示，利用电动机等旋转驱动源12使桨叶14旋转而对镀覆液16进行搅拌，同时使配置于基台20a与直流电源10之间的开关8短路。
图3的(A)是示意性示出所形成的镀覆层24a的剖视图。当镀覆层24a成为期望的厚度时，将开关8切断而停止镀覆层24a的堆积。镀覆层24a为金刚石磨粒均等地分散而得的锡镍合金。
然后，将该基台20a的全部去除而使该镀覆层24a剥离。图3的(B)是示意性示出将基台20a去除的情形的剖视图。由此，能够形成磨具部3a，该磨具部3a具有包含锡镍合金的结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒，完成垫圈型的环状磨具1a。
接着，对图1的(B)所示的轮毂型的环状磨具1b的制造方法进行说明。图4是示意性示出具有磨具部和环状基台的环状磨具1b的制造工序的剖视图。环状磨具1b与环状磨具1a同样地利用例如镀浴槽2中的电解镀覆等方法形成。在该制造方法中，准备与环状磨具1a的制造方法同样的镀浴槽。
镀浴槽2和镀覆液16的构成与上述环状磨具1a的制造方法相同，因此省略了说明。其中，由于与直流电源10的负极连接的基台20b的一部分为支承环状磨具1b的磨具部3b的环状基台5，因此基台20b的形状为与该环状基台5对应的形状。另外，在基台20b的表面上形成有掩模22b，该掩模22b具有与磨具部3b的形状对应的开口。并且，与上述环状磨具1a的制造方法同样地使镀覆层堆积在基台20b的露出部分。
图5的(A)是示意性示出形成于基台20b的表面的镀覆层24b的剖视图。在以规定的厚度形成镀覆层24之后，如图5的(A)所示，将该基台20b的一部分去除而使镀覆层24b的被该基台20b覆盖的区域的一部分露出。另外，在实施基台去除工序之前预先将掩模22b从基台20b去除。
然后，如图5的(B)所示，对基台20b中未形成镀覆层24b的那一侧的外周区域进行部分蚀刻，使镀覆层24b的被基台20b覆盖的区域的一部分露出。由此，完成在环状基台5的外周区域固定有磨具部3b的轮毂型的环状磨具1b。
【实施例】
在本实施例中，制作具有磨具部3a的环状磨具1a，该磨具部3a包含含有锡镍合金的结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒。所制作的环状磨具称为实施例刀具。并且，使用该实施例刀具对作为被加工物的SiC单晶基板进行切削，观察切削后的被加工物而测量在被加工物上产生的崩边等损伤的大小。另外，测量切削后的实施例刀具的直径，与切削前的实施例刀具的直径进行比较而计算出消耗量。
另外，在本实施例中，为了进行比较，制作具有磨具部的环状磨具，该磨具部包含由镍构成的结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒。所制作的环状磨具称为比较例刀具。并且，同样地使用该比较例刀具对SiC单晶基板进行切削，测量在被加工物上产生的崩边等损伤的大小，并且计算出消耗量。
首先，对所制作的各个环状磨具1a进行说明。实施例刀具的厚度为在对被加工物进行切削时形成于被加工物的切削槽的宽度成为25μm～30μm的厚度。并且，在磨具部中，结合材料使用锡镍合金，磨粒使用金刚石磨粒。这里，使锡在锡镍合金中的含有率为67wt％。
另外，金刚石磨粒使用粒度为#2000的磨粒。另外，关于粒度，希望参照日本工业标准委员会(JISC：Japanese Industrial Standards Committee)所制定的JIS R6001-2：2017(磨削磨料用磨削材料的粒度-第2部：微粉)。另外，使磨粒的集中度为50。
另外，比较例刀具的结合材料代替锡镍合金而使用镍(100wt％)，除此以外，与实施例刀具同样地制作。
作为利用实施例刀具和比较例刀具进行切削的被加工物，准备厚度为130μm且直径为4英寸的圆板状的SiC单晶基板。在本实施例中，在该SiC单晶基板的背面侧粘贴粘接带，隔着该粘接带而将SiC单晶基板载置于切削装置的保持工作台上，使该SiC单晶基板保持于保持工作台。另外，在该切削装置的切削单元中安装实施例刀具或比较例刀具。
使安装于切削单元的实施例刀具或比较例刀具以每分钟50,000转的速度旋转，将切削单元定位于规定的高度位置，使保持工作台和切削单元在与该保持工作台的保持面平行的方向上相对移动。于是，旋转的实施例刀具或比较例刀具对SiC单晶基板进行切削而将SiC单晶基板分割。
此时，切削单元处于实施例刀具或比较例刀具的下端定位于从粘贴于SiC单晶基板的背面的粘接带的上表面向下方30μm左右的高度位置的高度。即，利用切削单元对SiC单晶基板连同一部分的粘接带一起进行切削，将SiC单晶基板分割。另外，使保持工作台与切削单元的相对速度为5mm/sec。
在对SiC单晶基板进行了切削之后，利用光学显微镜观察SiC单晶基板的背面侧而检测崩边等损伤。具体而言，从SiC单晶基板的一端至另一端切削15行(line)，沿着各行观察SiC单晶基板。并且，测量在各行上所产生的崩边中的最大崩边的大小。
在以下的表1中示出在使用实施例刀具的情况和使用比较例刀具的情况下的所切削的SiC单晶基板的各行上确认到的崩边中的最大崩边的大小。另外，在图6中示出在各行上确认到的最大崩边的大小的分布状况。
【表1】
另外，在使用实施例刀具时，在SiC单晶基板上确认到的崩边中的最大崩边的大小为13.3μm，各行的最大崩边的大小的平均值为8.4μm。另外，关于15行的最大崩边的大小的分布，在平均值上加上3σ而得到的值为15.4μm。即能够理解，当使用实施例刀具对SiC单晶基板进行切削时，极不容易产生超过15.4μm的崩边。
与此相对，在使用比较例刀具时，在SiC单晶基板上确认到的崩边中的最大崩边的大小为37.7μm，各行的最大崩边的大小的平均值为26.6μm。另外，关于15行的最大崩边的大小的分布，在平均值上加上3σ而得到的值为53.8μm。即能够理解，当使用比较例刀具对SiC单晶基板进行切削时，会产生53.8μm以下的崩边。
因此，由本实施例能够确认到，在磨具部中具有包含锡镍合金的结合材料的环状磨具在被加工物为硬质材料的情况下，也能够极高品质地实施切削。
另外，作为使用实施例刀具或比较例刀具将SiC单晶基板切削至切削长度成为5m时的消耗量，测量各自直径的变化。其结果是，在实施例刀具中，消耗量为14.7μm，与此相对，在比较例刀具中，消耗量为2.5μm。
根据本结果可理解，与比较例刀具相比，实施例刀具容易因被加工物的切削消耗，积极地产生自发磨锐的作用。即，在磨具部具有包含锡镍合金的结合材料的环状磨具即使对被加工物进行切削，也通过自发磨锐的作用而维持切削能力。因此，给出了如下的启示：能够利用该环状磨具高品质地切削被加工物是因为充分产生自发磨锐的作用。
如以上所说明的那样，根据本实施方式，提供能够高品质地切削SiC晶片等硬质材料的环状磨具。本实施方式的环状磨具与现有的环状磨具的形状相同，因此能够容易地安装于现有的切削装置中。能够利用现有的切削装置进行硬质材料的高品质的切削，抑制被加工物的加工成本。另外，给现有的切削装置带来新的用途，因此现有的切削装置的价值提高。
另外，在上述实施方式中，对利用环状磨具对被加工物进行切削而分割的情况进行了说明，但本发明的一个方式的环状磨具也可以用于其他目的。例如，可以使环状磨具以未到达背面侧的深度切入至被加工物，在被加工物上形成底面未到达该背面的切削槽。在该情况下，本发明的一个方式的环状磨具也能够高品质地切削被加工物。
除此以外，上述实施方式的构造、方法等只要不脱离本发明的目的的范围，则可以适当变更并实施。
Claims (4)
1.一种环状磨具，其特征在于，
该环状磨具具有磨具部，该磨具部包含结合材料和分散固定在该结合材料中的磨粒，
该结合材料包含锡镍合金。
2.根据权利要求1所述的环状磨具，其特征在于，
锡在所述锡镍合金中的含有率为57wt％以上且不足75wt％。
3.根据权利要求1或2所述的环状磨具，其特征在于，
该环状磨具由所述磨具部构成。
4.根据权利要求1或2所述的环状磨具，其特征在于，
该环状磨具还具有环状基台，该环状基台具有把持部，
所述磨具部在该环状基台的外周缘露出。
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