آلات التقطيع الداخلية العمودية: قطع الرقاقة بدقة لأشباه الموصلات والمواد المتقدمة [دليل]

كيف تحقق آلات التقطيع الداخلية العمودية دقة دون الميكرون في قطع الرقاقة

عندما تصل قيمة رقاقة شبه موصلة واحدة إلى $50،000، يكون هامش الخطأ أثناء النشر صفرًا تقريبًا. كانت آلات التقطيع الداخلية العمودية، والتي تسمى أيضًا مناشير القطر الداخلي (ID)، هي العنصر الأساسي في تقطيع الرقاقة الدقيقة لعقود من الزمن. من خلال استخدام شفرة حبيبات الماس ذات الرابطة الحلقية، التي تدور عند دورات عالية شديدة التقرح، يمكن استخدام الشفرات الدقيقة الدقيقة أن تقطع السيليكون وكربيد السيليكون والياقوت.

تستكشف هذه المقالة بعبارات بسيطة، كيفية عمل هذه الأشياء، والمواد المناسبة لها، ومتى تفضل استخدام المناشير السلكية الماسية، والوثيقة العملية حول كيفية الحصول على الدقة منها. سواء كنت تفكر في ماكينة صنفرة الهوية الأولى أو ترقية المعدات من معبود قديم، فإن المعلومات التالية ستوفر لك خيارًا قائمًا على أسس جيدة.

ما هي آلة التقطيع الداخلية العمودية وكيف تعمل؟

تستخدم آلة التقطيع الداخلية العمودية 4-6 بوصة. شفرة قطع كربيد أو سيراميك سميكة ورفيعة (0.062-0.125 بوصة) على شكل كعكة دونات تقع في مستوى عمودي. بدلاً من أن يلامس الجزء الخارجي من الدونات قطعة العمل، فإن الحافة الداخلية هي جزء القطع من الأداة. عادة ما يكون هذا الجزء الداخلي مطليًا بحبيبات الماس المطلية بالكهرباء أو الملبدة.

يتم تسليم سبيكة أو كرة بلورية إلى مركز الشفرة على شكل كعكة الدونات ويتم دفعها عبر حلقة القطع الداخلية للشفرة باستخدام تغذية مؤازرة ذات حلقة مغلقة. يبلغ معدل عدد دورات هذه الشفرة في الدقيقة حوالي 15.000 30.000 دورة في الدقيقة اعتمادًا على المادة وحجم الشفرة. الإطارات مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وكذلك الحديد الزهر لتقليل الاهتزاز ومنع التآكل الناتج عن خليط سائل التبريد.

يحتوي الوضع الرأسي على حافة طبيعية هنا، حيث ستساعد الجاذبية الهائلة على غسل الرقائق والملاط بعيدًا. سوف يتدفق سائل التبريد إلى الأسفل فوق منطقة القطع ويغسل الرقائق من الشق بدلاً من محاصرةها هناك. يؤدي ذلك إلى تقليل درجة حرارة واجهة الهواء/البت وإزالة سطح قطع الشفرة.

تستجيب تغذية المؤازرة الخاصة بها باستمرار: إذا كانت هناك زيادة مفاجئة في حمل القطع (تضمين أكثر صعوبة أو تآكل المنشار)، فسوف تتراجع وحدة التحكم عن التغذية تلقائيًا لحماية الرقاقة.

لا توجد ‘محاولة مرة أخرى’ عند تشغيل كرة $50،000 SiC. كل قطع إما سيمر كمواصفات أو سيكون خردة مكلفة.

عبر ملخص أشباه الموصلات, مراجعة تقطيع الويفر

كان أحد المصانع في شنتشن الذي ينتج أشباه الموصلات المركبة يعاني من 3-4 رقائق SiC/أسبوع من تقطيع الحواف/تقطيع الرقائق. في غضون شهر واحد من تكييف آلة التقطيع الداخلية العمودية باستخدام الجاذبية لنقل سائل التبريد، تم تخفيض معدل التقطيع من 8.2% إلى 1.1% (مما يوفر لها حوالي $12000/أسبوع في الخردة)

المواصفات الرئيسية التي تحدد أداء التقطيع

تحدد أربع مواصفات ما إذا كانت الرقاقة المقطعة ستكون مناسبة للمعالجة النهائية: TTV، وفقدان الشق، وخشونة السطح (Ra)، ومعدل التغذية. تؤثر كل مواصفات على المواصفات الأخرى، حيث سيؤدي معدل التغذية المرتفع جدًا إلى تدهور TTV وكذلك Ra، في حين أن الشفرة الأكثر سمكًا بطبيعتها ستزيد من فقدان الشق ولكن من المحتمل أن تحسن استقرار TTV.

تشير بيانات الصناعة إلى أنه يمكن تحويل 45-50% من بلورة خام السيليكون إلى مادة رقاقة قابلة للبيع. يتم إهدار 40% من مادة التغذية الأولية بسبب فقدان الشق وحده. وبالتالي فإن تقليل الشق - حتى بمقدار 30-50 مترًا - له تأثير كبير على تكلفة الرقاقة. يمكن لكرة مقاس 150 مم تنتج 200 رقاقة إنتاج 15-18 رقاقة إضافية عن طريق تقليل الشق من 220 مترًا إلى 180 مترًا.

“ إن اقتصاديات الرقاقة واضحة ومباشرة: كل ميكرون من الشق الذي تقوم بإزالته هو ميكرون من المنتج القابل للبيع الذي تكسبه. عند $80/رقاقة لـ Si من الدرجة الأولى، حتى 10 رقائق إضافية لكل كرة تغير P&L.” ربع السنوي”

الدكتور ينس مولر، مهندس عمليات أول، فراونهوفر IISB

المواد التي يمكنك معالجتها هي السيليكون، وSiC، والياقوت، وما بعدها

هناك العديد من المتغيرات التي تؤثر على سلوك التقطيع للبلورات المفردة المختلفة مثل الصلابة والمتانة والتوصيل الحراري، وكلها تؤثر على اختيار الشفرة وكيمياء سائل التبريد وعمر الشفرة ومعدل التغذية. لا تقم ببساطة بزراعة معلمات آلة مصممة للسيليكون في كرة SiC وإلا ستتبع خطى كرة لينة بحجم ملليمتر تحطم عود أسنان وتفقد الطرف الآخر من الغرفة.

يتزايد الطلب على ركائز SiC بمعدل متوسط قدره 15.2% سنويًا - ويرتفع من 164 مليون دولار إلى ما يقدر بـ 436 مليون دولار في المستقبل مدفوعًا بإلكترونيات الطاقة HV SiC وأجهزة الترددات اللاسلكية 5G. يحفز إجهاد النمو هذا المزيد من مشغلي المصنع على تركيب معدات تقطيع SiC في آلات الشرائح العمودية الداخلية الحالية.

نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام: عند قطع الياقوت، فإن السلك أو الشفرة الرقيقة لن تقلل بالضرورة من الالتواء. عندما ينخفض القطر إلى ما دون نقطة حرجة (عند حوالي 0.12 مم، بالنسبة للشفرة المستخدمة على الياقوت 4 بوصة)، فإن الانحراف الجانبي للشفرة أثناء القطع قد يزيد من الضغوط العرضية التي تسبب القوس والالتواء. العلوم التطبيقية (MDPI) لقد درس المنشور هذه الخاصية غير العادية للياقوت: تأثير قطر السلك على صفحة الرقاقة.

آلة التقطيع الداخلية العمودية مقابل منشار الأسلاك الماسية متى تختار أي منها

يعد المنشار السلكي مقابل أداة تقطيع المعرف أحد المناقشات التي يتم مواجهتها كثيرًا في تخطيط تصنيع الرقاقات. تم تصميم كلتا التقنيتين لنشر مواد أشباه الموصلات، لكنهما تقعان في مجالات مختلفة جدًا فيما يتعلق بالإنتاجية والكفاءة والدقة.

تعتمد مقارنتنا أدناه على بيانات الإنتاج الفعلية وليس على المطالبات التسويقية.

قاعدة 5 ميكرومتر أو الفشل

ما يفتقده غالبية المهندسين عند تقييم هذه الآلات: إذا كان الخط السفلي يستهدف TTV 5 m، فإن منشار الأسلاك الماسية لا يمكنه تلبية هذا المطلب باستمرار على الرقائق ذات القطر الصغير. بعد نشر بلورة البولي سيليكون إلى النصف بقطر 200 مم، تولد شبكة السلك اهتزازات دقيقة. تنتقل تلك الاهتزازات المثارة بعملية القطع بشكل موحد عبر جميع الرقائق الموجودة في الدفعة وتترجم مباشرة إلى اختلاف TTV على قطع العمل ذات القطر الصغير. تعمل الرقاقة المفردة، وهي شفرة حلقية مشدودة مسبقًا لجهاز تقطيع المعرف، على عزل كل قطعة من الضوضاء الميكانيكية.

بمعنى آخر، إذا كنت بحاجة إلى 5 م TTV لتمرير/فشل الرقائق ذات القطر الصغير، فإن أداة تقطيع المعرف هي الآلة الوحيدة التي أثبتت جدواها.

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن مناشير الأسلاك الهوائية تتفوق دائمًا على نطاق واسع، حيث تكون الرقائق مقاس 156 مم + وحجم الإنتاج المرتفع تبرر تكلفة البحث والاقتناء. بالنسبة لبناء مستشعر MEMS أو تنضيد أشباه الموصلات المركبة، غالبًا ما يُظهر نظام تقطيع المعرف اقتصاديات أفضل لكل رقاقة. للحصول على تحليل أكثر تفصيلاً لفقدان الشق، راجع دليل Zelatec للحد من الشق. العمل الأخير بواسطة جامعة ستراثكلايد (2025) يوفر أيضًا بيانات محدثة عن أداء الأسلاك الماسية الخاصة بالمواد.

معايير الاختيار آلة مطابقة للتطبيق

هناك خمسة معايير لاختيار أداة التقطيع العمودية، حسب الأهمية. غالبًا ما يؤدي استخدام أربعة من خمسة فقط إلى الإفراط في الإنفاق على آلة لم يتم دفعها بشكل كافٍ، أو عدم التحديد على آلة لا تلبي أهداف الحجم والتسامح.

قائمة مراجعة الاختيار المكونة من خمسة عوامل

1. تأكد من أن الجهاز يقبل أقطار قطعة العمل الحالية والحجم التالي. لن تقوم الآلة التي تم تصنيفها من 50 إلى 150 مم بمعالجة كرة مقاس 200 مم دون تعديلات على الأجهزة.
2. صلابة المواد: إذا قمت بتقطيع أي شيء أعلى من Mohs 8.5 (SiC، الياقوت، GaN)، فسوف تحتاج إلى آلة ذات سرعة دوران قابلة للتعديل (15000-30000 دورة في الدقيقة)، ومعدل تغذية متغير يصل إلى 0.08 مم/دقيقة، ونظام تبريد مضبوط لـ السوائل غير المائية.
3. بالنسبة لأقل من 1000 رقاقة شهريًا، تكون آلة التقطيع شبه الأوتوماتيكية المزودة بتغذية إمداد يدوية فعالة من حيث التكلفة ($50K-$65K). لأكثر من 1000 شهريًا، تعمل آلة أوتوماتيكية بالكامل مزودة بمعالجة الكاسيت إلى الكاسيت ($70K-$100K) على إطفاء التوفير من خلال وقت أقل للمشغل.
4. التسامح الدقيق: تحتوي أدوات التقطيع ذات التسامح القياسي على TTV 15 مترًا. إذا كنت بحاجة إلى 5 أمتار (MEMS، ركائز فوقية)، فحدد آلة ذات مغزل حامل للهواء، وقاعدة من الجرانيت، وردود فعل بسمك حلقة مغلقة.
5. قم بتعبئة تكلفة الشفرة باعتبارها المادة الاستهلاكية الرئيسية لديك: مع شفرات $80-$150 و200-800 قطعة لكل شفرة، تبلغ تكلفة الشفرة $0.10 إلى $0.75 لكل رقاقة. أضف هذا إلى التكلفة الإجمالية للملكية لمدة 3 سنوات برأس مال.

السيناريو: أراد مختبر أبحاث مقره في إحدى جامعات ميونيخ قطع GaN وLi Nb O والسيليكون في ثلاثة مشاريع مختلفة. بدلاً من آلة مختلفة لكل منها، اختاروا شقًا داخليًا رأسيًا واحدًا دقيقًا لأعلى ولأسفل مع نطاق واسع (~ 10،000 إلى 30،000 دورة في الدقيقة) ومحاور الشفرات القابلة للتبديل. إجمالي الاستثمار: $72،000 مقابل $180،000+ لثلاث آلات مخصصة. وقت تغيير الشفرة: عشر دقائق، مع احتفاظ كل برنامج رقاقة بشفراته سابقة الإجهاد.

أن نكون شفافين بشأن نهجنا: لمقارنة تكاليف الشفرة المطلقة، نستخدم مواصفات التصنيع المنشورة وإنتاج النماذج في مصانع المعرفات باستخدام بيانات رائعة حقيقية من القصص المصورة المدرجة أدناه. نحن نقدم خيارات تقطيع المعرف مقابل المنشار السلكي لأنه لا يوجد خيار “best”؛ سيعتمد ضمان النطاق والتكلفة الأمثل على تطبيقك.

الصيانة والمعايرة وتعظيم عمر الشفرة

المعرف الرأسي دقيق فقط مثل المعايرة الأخيرة. تؤدي الصيانة الروتينية التي تم تجاهلها إلى انحراف تدريجي في TTV وRa والذي يتم اكتشافه فقط عندما تفشل الرقائق في الفحص النهائي. التوصيات الواردة أدناه مخصصة لبيئات الإنتاج اليومية لمدة 8 ساعات إلى 16 ساعة.

أنماط ارتداء الشفرة للمشاهدة

الشفرات الماسية عرضة لأربعة أوضاع فشل:

• الحبيبات المسطحة: تآكلت الجزيئات الكاشطة إلى شكل “nib” مستدير، مما يدل على نهاية العمر الافتراضي. قم بإيقاف تشغيل الشفرة بأكثر من 15% في وقت القطع من خط الأساس الخاص بك.
• تعكس الكسور الدقيقة في الماس معدلًا مفرطًا من التقدم أو تدفقًا كاشطًا قليلًا جدًا. خفض معدل التغذية بحلول عام 20%.
• إذا لاحظت وجود رقائق كبيرة مدمجة في الماس الخاص بك، فأنت إما تطبق الكثير من قوة القطع أو أن هناك أحمال تأثير غريبة موجودة. تحقق من قطعة العمل بحثًا عن شوائب صلبة غير متوقعة قبل المضي قدمًا.
• إذا تم سحب الماس بحرية، مما يترك ثقوبًا في الرابطة: يكون رابط الماس الخاص بك ناعمًا جدًا بالنسبة لصلابة السبيكة. جرب درجة رابطة جديدة.

شفرة انزلاق New”: قبل استخدام شفرة انزلاق جديدة لقطع الرقاقة، قم بتشغيل شريحة معدنية مقاس 3 بوصات5 على نفس المادة بمعدل ½ معدل التغذية. يكشف هذا التشغيل عن الأجزاء الطازجة من الحبيبات الكاشطة وينتج سطح قطع قابل للتكرار. يؤدي تخطي هذه الخطوة إلى حدوث “hit” غير الأبعاد لمقاييس TTV للرقائق القليلة الأولى.

الفيلم اللاصق: يبدأ الفيلم اللاصق الأزرق المستخدم لتركيب الرقاقة في التدهور بعد التعرض لدرجة حرارة الغرفة لمدة 72 ساعة فقط. يسمح إطلاق الأشعة فوق البنفسجية بتخزين درجة حرارة الغرفة لفترة طويلة ولكنه يتطلب مصباحًا فوق بنفسجي ينتج انخفاضًا بمقدار 90% في التصاق الرقاقة خلال 30 ثانية أو أقل. تأكيد تاريخ انتهاء صلاحية الدفعة قبل الشراء تمثل ملصقات نهاية الصلاحية أكبر نسبة من انزلاق الرقاقة أثناء القطع (ملخص أشباه الموصلات).

الحالة: شفرات اختبار MEMS fab ومقرها ناغويا على مدى 6 أشهر وقررت أن الشفرات التي تعمل صباح يوم الاثنين ستستمر في قطع أقل بمقدار 15% من شفرات منتصف الأسبوع. تم تحديد السبب الجذري على أنه نظام التبريد الذي يظل خاملاً خلال عطلة نهاية الأسبوع متبوعًا بالقطع الأول من اليوم مع وجود سائل تبريد أعلى من نقطة الضبط بمقدار 3.2 درجة مئوية حتى يتم احتجاز المبرد مرة أخرى؛ أدى الإحماء المسبق لدرجة حرارة نقع الدفء بالإضافة إلى تسلسل بداية يوم الاثنين إلى إزالة الاختلاف.

الأسئلة المتداولة

تمت مراجعة ذلك من قبل فريق DONGHE الهندسي في شركة Shanghai Donghe Science & Technology Co.، Ltd. التي تعمل في تصميم وتصنيع وتسويق الآلات والمعدات الخاصة بالتقطيع الدقيق ونشر الأسلاك لأشباه الموصلات والمواد الكهروضوئية والمواد المتقدمة.