Sierra multicable semiconductora: principio de funcionamiento, especificaciones y guía de selección

¿qué es una sierra multicable semiconductora y cómo funciona?

Una sierra semiconductora de múltiples hilos es una máquina de precisión que trabaja en cientos de alambres delgados paralelos estirados a lo largo de un conjunto de rodillos guía ranurados para cortar simultáneamente un solo lingote en una multitud de obleas. Una sierra de varios hilos se diferencia de una sierra de un solo hilo, que produce 1 oblea a la vez. Una sierra de varios hilos puede contener entre 500 y 2000 tramos de alambre en una sola banda de alambre, produciendo 300 o más cortes por ciclo.

Cómo funciona una sierra de alambre múltiple es simple. Un alambre continuo (recubierto de diamante o alambre desnudo alimentado con suspensión abrasiva) se enrolla alrededor de uno o más rodillos guía de alambre, formando una “red” paralela de alambres de aserrado a través de la pieza de trabajo. El lingote se sujeta sobre la banda de alambre mediante una mesa de alimentación que utiliza un adhesivo epoxi para montarlo de forma segura. La velocidad de alimentación está controlada y, a medida que la banda de alambre avanza a velocidades de entre 10 y 25 metros por segundo, el alambre se desgasta abrasivamente a través de la pieza de trabajo para producir obleas con características uniformes y poco material desperdiciado.

Cinco componentes principales definen la arquitectura de la máquina:

• Rodillos guía de alambre (los cilindros rectificados con precisión con microranuras que dirigen el paso del alambre (precisión ±2 µm)
• Telaraña de alambre -roza el conjunto de alambres de corte paralelos y alambres correctamente tensados en su interior
• Mesa de alimentación «la mesa que sujeta la pieza de trabajo y presenta velocidades de alimentación tan bajas como 0,2 mm por minuto (silicio)
• Sistema de refrigeración -anuncio de fluido con temperatura controlada a la zona de corte, lavado de residuos y eliminación de carga térmica
• Unidad de control de tensión - que garantiza una tensión constante en todos los tramos del cable para evitar hundimientos o roturas

Esta técnica de corte paralelo es el principio común a toda la tecnología de corte en cuña; esta característica hace que el aserrado de alambre múltiple sea el estándar reconocido de la industria tanto en la fabricación de semiconductores como en la producción de células solares.

Alambre de diamante versus suspensión: dos métodos de corte comparados

Para la fabricación de semiconductores, las sierras de un solo alambre utilizan entre 4 y 6 horas para cortar un lingote de 200 mm que produce una oblea. Una sierra de varios hilos realiza todo este ciclo simultáneamente para producir cientos de cortes en el mismo período de tiempo.

Hay dos métodos principales de corte de obleas utilizando un solo alambre o una mayor cantidad de alambres más delgados: aserrado con alambre de diamante, DWS y aserrado con alambre a base de lechada, SWS. La siguiente tabla es una comparación de los dos basada en datos de producción reales.

DWS ahora se cita como la principal tecnología para la fabricación de obleas de silicio y carburo de silicio. En el artículo publicado en Procedia Manufacturing se ha demostrado que DWS ofrece una alternativa más sostenible al corte basado en lodos, ya que proporciona un desperdicio de material significativamente menor y un impacto ambiental mínimo. Entonces, en comparación con el corte basado en lodos, la mayor productividad (rendimiento 2-3 veces más rápido) y la menor pérdida de corte pueden traducirse directamente en que se obtengan muchas más obleas de la preciosa materia prima semiconductora de cada lingote. Esto tiene que ser un beneficio lucrativo.

El corte basado en lechada sigue siendo el método dominante utilizado para los componentes semiconductores. El GaAs y el InP son más blandos y frágiles que el silicio, y la acción de abrasión libre de la lechada produce menos daño subterráneo en estos materiales. Para aplicaciones de vidrio óptico, la lechada también ofrece el acabado superficial más suave necesario para reducir los pasos de pulido posteriores al corte.

Especificaciones clave que afectan la calidad de las obleas

DONGHE ofrece equipo de sierra multialambre soportando ambas aplicaciones, lodo y alambre de diamante.

La uniformidad de la tensión del alambre (más allá de toda la banda de alambre) es el factor más importante que afecta la calidad de la oblea. Utilizando la medición de la fuerza del alambre en un sistema de control de tensión de circuito cerrado, se debe medir la tensión a lo largo de toda la banda de alambre y se debe regular con el alargamiento del alambre y los cambios térmicos. De lo contrario, la variación de espesor entre los extremos de la banda de alambre puede ser generalmente superior a 20 m (lo que está muy fuera de la especificación SEMI M1 en la categoría de oblea de silicio pulido).

Al seleccionar una sierra de alambre de diamante para cortar semiconductores, es importante comprobar que la máquina tenga un sistema de control de tensión de circuito cerrado, un refrigerante controlado con una precisión de 0,5 C y rodillos guía con una precisión de paso inferior a 2 m.

Materiales que puede procesar una sierra de alambre múltiple

Las sierras de alambre múltiple son equipos versátiles diseñados para cortar muchos de los artículos más duros y difíciles de mecanizar en el espacio de la industria de la ingeniería, la electrónica, el procesamiento fotovoltaico y la cerámica avanzada. Los elementos que se enumeran a continuación son los principales módulos y materiales de aplicación.

• El silicio (mono y policristalino) es la base de las células solares y las obleas semiconductoras. Tanto los lingotes mono como los de polisilicio se especifican de serie.
• Semiconductores de potencia de carburo de silicio (SiC) e inversores de vehículos eléctricos. La naturaleza extremadamente dura del SiC (Mohs 9,5) sitúa al alambre de diamante como el único alambre de corte adecuado. Los analistas de mercado pronostican que la demanda de obleas de SiC crecerá de 1,69 mil millones de dólares en 2025 a 6,4 mil millones de dólares en 2032 con una tasa compuesta anual de 21,3%.
• Sustratos de zafiro y ventanas ópticas. Se requiere alambre de diamante en el abrasivo debido a Mohs 9.
• Dispositivos de RF de nitruro de galio (GaN), electrónica de potencia y semiconductores compuestos.
• Transmisiones ópticas y de telecomunicaciones de arseniuro de galio (GaAs). Generalmente se corta con alambre de lodo para reducir el daño a la superficie.
• Componentes ópticos y resonadores de cuarzo.
• Cerámica técnica alúmina, circonio, piezocerámica industrial, médica.
• Electrodos y componentes de crisol de grafito.
• Vidrio óptico « lentes de precisión y prismas en blanco.

La creciente demanda de SiC en los módulos de potencia de los vehículos eléctricos y de GaN en la infraestructura 5G ha inducido cada vez más equipo de sierra multicable siendo implementado para estas aplicaciones. Todas las máquinas ofrecidas por DONGHE están configuradas para procesamiento de silicio, SiC, zafiro y cerámica, con posibilidades de ajuste de tensión de alambre y velocidad de avance para cada tipo de materiales.

Desafíos comunes y cómo resolverlos

El corte de sierras de alambre a escala de producción introduce tres problemas comunes. Cada uno se diagnostica fácilmente con causas fundamentales conocidas, con las que se pueden probar soluciones de ingeniería.

1. Rotura de alambre

Rotura de alambre. Ocurre cuando el cable se rompe, deteniendo inmediatamente el corte en cuestión de segundos, para arruinar todo el lote. Las fuentes incluyen picos de tensión, causados por correas de transmisión desgastadas, flujo desalineado de refrigerante al entrar el cable o fatiga del cable debido al calentamiento y torsión. La investigación sobre los efectos del desgaste de las sierras de alambre (PMC) afirma que a medida que se agota la arena de diamante, la tasa de desgaste sigue un recuento proporcional de uso de la curva del número de pulgadas cortadas por el cable en un recorrido determinado, partes del cable pueden programarse antes de una falla catastrófica.

Soluciones: Instale un sistema de gestión de alambre diamantado (DWMS) para medir el desgaste en tiempo real. Corte con una velocidad de avance de entrada más baja durante los primeros 5 mm de profundidad. Verifique la tensión de la correa de transmisión cada 3 meses. Registre la tensión del cable y registre cualquier pico superior a 5% de punto de ajuste.

2. Daños subterráneos (SSD)

Daño subterráneo (SSD). Ocurre cuando las microfisuras se extienden debajo de la superficie superior de la oblea entre 1 y 30 m. Los factores que contribuyen incluyen el exceso de velocidad de alimentación, arena de diamante gruesa y vibración. El procesamiento electrónico posterior requiere molienda, lapeado y pulido adicionales, lo que genera costos más altos y menores rendimientos si la capa dañada se vuelve demasiado profunda.

Soluciones: Reduzca la velocidad de alimentación al cortar materiales quebradizos (SiC y zafiro). Utilice molinillos con un tamaño de grano más fino (10-20 m para terminar el corte, 30-40 m para el corte rugoso). Asegúrese de que el flujo de agua de refrigeración sea óptimo para reducir la vibración y las tensiones térmicas. La práctica de la industria establece que SSD por debajo de 5 m es factible en Si.

3. Espesor inconsistente de la oblea

La variación en el espesor a lo largo de un lote puede deberse a la expansión de la banda de alambre y los rodillos guía, la distribución desigual de la tensión del alambre en muchos tirones o el desgaste de las ranuras en los rodillos guía. La deriva térmica durante 8 a 10 horas de corte continuo podría desplazar la superficie superior entre 5 y 10 m.

Soluciones: Enfriar con refrigerante con temperatura controlada con una precisión de 0,5 C. Utilice control de tensión de alambre de circuito cerrado, con múltiples puntos de calibre distribuidos a lo largo del alambre. Programe mediciones mensuales y rectificado de ranuras de rodillos. Gire el cable cada 8 a 10 horas de corte activo.

Cómo elegir la sierra multialambre adecuada

Haga clic aquí para utilizar una lista de verificación para decidir qué especificaciones debe elegir para su sierra de alambre múltiple.

✔ Lista de verificación de selección:

1. El tipo de material -condicta el tipo de alambre, el tamaño de la arena y el rango de velocidad de alimentación. El zafiro y el carburo de silicio necesitan alambre de diamante dedicado; Los GaAs pueden requerir capacidad de corte de lechada.
2. Tamaño de oblea «los tamaños de máquina están clasificados para un diámetro máximo de oblea de 150 mm, 200 mm o 300 mm. Confirme que sus estaciones de enfriamiento y lavado se ajusten a las especificaciones seleccionadas.
3. Los grupos de I+D de volumen de producción necesitan máquinas que corten lingotes singulares con una configuración mínima. Los grupos de producción requieren máquinas totalmente automatizadas con alto rendimiento y alta consistencia.
4. La máquina debe soportar cables de corte de silicio y III-V y corte en suspensión si procesa ambos.
5. La red automatizada de mensajería de equipos y control de recetas (SECS/GEM) HMI áspera automática es estándar para el entorno de producción.
6. Spot buy evalúa el costo nominal de las piezas: políticas de almacenamiento, inventario y disponibilidad de repuestos, capacitación de ingenieros y tiempo de respuesta del soporte técnico. Sin una inversión excesiva, el costo del tiempo de inactividad puede fácilmente ser de más de $10.000 por hora en la fabricación de semiconductores.

DONGHE (con sede en Shanghai Donghe Science & Technology Co., Ltd.) tiene más de 10 años de experiencia en la fabricación de máquinas cortadoras de sierras de alambre de precisión para la industria de semiconductores. DONGHE proporciona tanto el equipo de fabricación como el soporte de ingeniería de aplicaciones para hacer coincidir la configuración de la máquina con los requisitos de especificaciones de materiales y obleas con la certificación CE ISO 9001:2015, 35 patentes y más de 10,000 incidentes de corte registrados para más de 300 clientes.

Preguntas frecuentes

¿cuál es el proceso de aserrado de semiconductores?

El aserrado semiconductor implica asegurar un lingote semiconductor a una mesa de alimentación con epoxi o cera y luego bajarlo lentamente hasta convertirlo en una red de muchos alambres de carbono o berilio/cobre que pasan a través de rodillos guía a 10-25 metros por segundo. El alambre accionado por diamante o el alambre alimentado con suspensión muele la sustancia a través de la cual pasa, dividiéndola en cientos de obleas en una sola operación. Durante el aserrado circulan refrigerantes continuos para evitar la acumulación de calor y transportar los residuos.

Una vez que el semiconductor se ha aserrado en obleas, el procesamiento continúa limpiando, lapeando y puliendo, después de lo cual la oblea se puede utilizar como sustrato para la fabricación de dispositivos.

¿cómo garantiza una sierra de múltiples hilos un espesor de oblea constante?

El espesor constante de la oblea depende de 3 sistemas de control para lograr un espesor repetible. En primer lugar, el control de tensión de alambre de circuito cerrado evita la sobretensión o el hundimiento de los distintos tramos de alambre durante el proceso. En segundo lugar, un refrigerante con temperatura controlada (generalmente con una precisión de 0,5 C) evita la expansión de la banda de alambre y los juegos de rodillos guía debido al calor.

En tercer lugar, se utilizan rodillos guía fiables y espaciados con precisión, con una precisión de paso de ranura inferior a 2 m, para espaciar con precisión los cables individuales. Todos estos sistemas están integrados para lograr un TTV de menos de 10 m en producción y menos de 5 m en sierra multialambre de alta precisión.

¿qué materiales puede cortar una sierra de alambre múltiple además del silicio?

Materiales: SiC, zafiro, GaAs, GaN, cuarzo, cerámica, grafito, vidrio óptico, etc. El alambre de diamante se emplea para los sustratos más duros, mientras que la suspensión se utiliza a menudo para compuestos III-V más blandos.

¿Cuál es la vida útil típica del alambre de corte?

Una buena vida útil del alambre de diamante depende de la dureza del material que se corta y del diámetro del alambre. En el caso de lingotes de silicio, un carrete de alambre de diamante (generalmente de 80 a 120 mm de diámetro) cortará entre 800 y 1500 obleas hasta que el diámetro de la arena de diamante caiga por debajo del nivel de corte efectivo. En el caso del SiC, la vida útil del alambre de diamante puede ser tan baja como 200-400 obleas por carrete de alambre debido a la extrema dureza del material (Mohs 9,5).

Las buenas prácticas generalmente son traducir el cable cada 8 a 10 horas de corte activo y controlar adecuadamente la tensión. Algunos productores emplearán un sistema de gestión de alambre diamantado (DWMS) que monitorea el desgaste total del alambre en tiempo real y proporciona una advertencia para que funcione antes de que la probabilidad de disparo del alambre sea alta.

¿se pueden integrar sierras multicables en las líneas de producción existentes?

Sí. Casi todas las modernas máquinas de sierra de múltiples cables facilitan los protocolos SECS/GEM estándar de la industria para un sistema MES bien integrado. Las sierras de múltiples cables DONGHE tienen E/S configurables para valores de recetas operados automáticamente para el registro de datos.