Cómo las sierras de alambre múltiple cortan las obleas de SiC « Del lingote al sustrato terminado

El carburo de silicio se mantiene en Mohs 9,2-9,5, el más duro de todos los materiales semiconductores comerciales que se producen en la actualidad. Ese nivel de dureza hace que el corte de obleas sea uno de los pasos más difíciles en toda la cadena de suministro de SiC, un paso en el que equipos o parámetros incorrectos pueden eliminar días de crecimiento de cristales en minutos. Máquinas de sierra multicable son la solución a este problema, pasar más de 100 alambres de diamante individuales a través de un solo lingote simultáneamente, produciendo cientos de obleas por ejecución. Analizamos la física, los parámetros del proceso y las consideraciones del equipo que pueden inclinar un lote de obleas por encima de las especificaciones aceptables o convertirlas en chatarra costosa.

Por qué la demanda de obleas de SiC está acelerando el desarrollo de sierras multicables

Aunque los fabricantes tradicionales de circuitos integrados de silicio se tomaron su tiempo para cambiar al SiC, el segmento de materiales semiconductores ha crecido extremadamente rápido en los últimos años. ¿La razón principal? La electrónica de potencia de los automóviles, mejor para los eléctricos, es el motivador: los inversores de SiC y los cargadores solares reducen las pérdidas de conmutación a la mitad (o más) en comparación con los IGBT de silicio clásicos: ahorran energía y ofrecen autonomía de conducción de vehículos eléctricos. Para 2025, la mayoría de las nuevas plataformas de vehículos eléctricos ya incorporaron inversores de SiC y, para finales de la década, esa cifra probablemente se disparará.

Este nivel de crecimiento ambicioso pone un punto de pellizco razonable en la etapa de oblea. El proceso de crecimiento de la bola de transporte físico de vapor (PVT) que produce SiC probablemente demore varios días por bola, lo que luego produce un número limitado de sustratos. Cuando cada segundo de su retorno de la inversión en materia prima es valioso, las eficiencias adicionales de corte de precisión de la oblea van directamente al margen del producto final.

La tendencia de la industria de pasar de obleas de SiC de 6 pulgadas (150 mm) a 8 pulgadas (200 mm) está generando cada vez más demanda de sustratos planos y ultrafinos sistemas de sierra multialambre de precisión - luces de alambre más largas, control de tensión más preciso y una envoltura de corte más amplia. Los equipos que manipulaban fácilmente sustratos de 4 pulgadas hace 10 años no pueden mantener la planitud y la uniformidad del espesor necesarias para diámetros de 200 mm.

Para comprender más sobre las propiedades y aplicaciones del carburo de silicio, consulte Descripción general de la tecnología de carburo de silicio (PMC). Para obtener investigaciones adicionales de la Comisión de Energía de California sobre el futuro de las técnicas de fabricación de obleas de SiC, consulte Alternativas basadas en láser a los desbastes en la fabricación de obleas de carburo de silicio.

Cómo una sierra de alambre múltiple corta los fundamentos del proceso de SiC

Siguiendo una secuencia específica, el proceso de corte de la sierra multialambre de SiC es el siguiente. El conocimiento básico de cada paso explica por qué el control de cada parámetro durante el corte puede ser tan crítico.

Paso 1 « Montaje de lingotes. Cada lingote de SiC se une a una viga de vidrio o carbono mediante adhesivo epoxi. La alineación en esta etapa afecta directamente el arco de la oblea y la urdimbre en el producto terminado. La viga se conecta al mecanismo de alimentación de la máquina, que controla la velocidad de descenso durante el corte.

Paso 2 «Preparación de la red de alambre. Entre 120 y 150 alambres de diamante galvanizados paralelos se enhebran a través de rodillos guía de precisión, creando una “red de alambre plana.” Las ranuras del rodillo guía definen el paso del alambre « y el paso determina el espesor de la oblea más la ranura. Cada alambre suele tener un diámetro nominal de 0,22 mm con una arena de diamante de 25 μm unida a un núcleo de acero.

Paso 3 « Ajuste de parámetros y activación del refrigerante. El operador establece la velocidad del cable (12-25 m/s), la tensión del cable (40-45 N) y la velocidad de alimentación (~1 mm/min para SiC). Las boquillas de refrigerante están colocadas para dirigir el fluido de corte hacia la zona de entrada de la acera. El equipos de corte de alambre diamantado para SiC activa el flujo de refrigerante antes de que comience el contacto con el cable.

Paso 4 « Descenso de alimentación controlado y corte simultáneo. Durante el corte, el lingote desciende a la banda de alambre en movimiento. Todos los cables se cortan simultáneamente, cortando el lingote en obleas paralelas. Las envolturas cortadas pueden alcanzar 250×250×100 mm en sistemas avanzados. A una velocidad de alimentación de ~1 mm/min, un lingote de SiC de 25 mm requiere aproximadamente 25 minutos de tiempo de corte activo.

Paso 5 « Separación y limpieza de obleas. Una vez completado el corte, las obleas permanecen unidas a la viga mediante una fina capa de epoxi. Se separan en un baño de disolvente calentado y luego se limpian ultrasónicamente para eliminar los residuos y los residuos de refrigerante.

Para el aserrado de SiC con alambre de diamante abrasivo fijo, los datos experimentales sobre mecánica de corte y formación de superficies de la investigación de la Universidad de Michigan utilizando alambre de diamante se detallan en su artículo sobre corte de sierra de diamante abrasiva fija.

Alambre de diamante versus alambre de suspensión para corte de SiC « Comparación basada en datos

En comparación con la lechada, la industria se ha desplazado hacia el aserrado con alambre de diamante para obleas de SiC, pero la comparación no está tan sesgada como muchos creen. Ambas tecnologías tienen sus propias compensaciones respectivas, relevantes en diferentes pasos a lo largo de la cadena de suministro.

Parámetro	Alambre de diamante	Alambre de lodo
Velocidad de corte	2-13× basal	Línea de base (1×)
Ancho de la acera	150-260 μm	<200μm
Diámetro del alambre	0,10-0,22 mm	0,10-0,16 mm (núcleo de acero)
Rugosidad superficial (Ra)	~1,8 μm	~0,8-1,2μm (finer)
Daños subterráneos	Capa de daño de 15-30 μm (fractura frágil)	Capa de daño de 5-15 μm (abrasión dúctil)
Refrigerante	Fluido de corte a base de agua	Lodo abrasivo (polietilenglicol + abrasivo SiC)
Costo del cable	Mayor por metro de alambre	Menor costo de alambre + alto costo de lechada
Impacto Ambiental	Limpiador (sin flujo de residuos de lodos)	Requisitos importantes para la eliminación de residuos

Y aquí está la sorpresa para la mayoría de los ingenieros: el alambre de diamante no siempre es la mejor opción para el SiC. La ventaja de la velocidad de rendimiento es real, tenga en cuenta que 2 3 veces más rápido maneja entre 15 y 20 veces más obleas de silicio en la misma cantidad de tiempo de aserrado, pero tiene un precio: la gruesa capa de daño subterráneo de comparación parcial (15-30 m frente a 5-15 m en suspensión) debe eliminarse posteriormente mediante los procesos de lapeado y pulido, lo que añade gastos adicionales y pérdida de material a la oblea terminada. En comparación con los métodos de corte tradicionales basados en lechada, el proceso de corte con alambre de diamante cambia la calidad de la superficie por el rendimiento. La dureza del SiC 'Mohs 9,5 'aumenta el desgaste abrasivo del alambre de corte recubierto de diamante y, además, promueve el microfisura del material quebradizo en la capa de daño subterráneo bajo las cargas de alta presión del aserrado.

La conclusión: como es habitual en el caso del SiC, la mayoría de las fábricas ahora reducen la ventaja de rendimiento prevista con pasos de pulido posteriores presupuestados en el proceso posterior. Para una comparación de la eficiencia de fabricación y la rentabilidad del aserrado con alambre de lechada de diamante y alμmina, consulte Aserrado de alambre de diamante: alternativa sostenible (ScienceDirect). A revisión más reciente de una muestra más amplia de la literatura sobre sierra de alambre de diamante de SiC sirve como mejor conocimiento de los mecanismos de corte y daño subterráneo.

Parámetros críticos del proceso que controlan la calidad de las obleas de SiC

Para el corte de SiC con sierra de múltiples hilos, los tres parámetros principales a controlar son la velocidad del cable, la velocidad de avance y la tensión del cable. Se influyen entre sí, deben ajustarlos todos para lograr una solución óptima para cada grado de SiC y tamaño de lingote: el objetivo de los ingenieros de procesos que conocen el equipo y el material.

Velocidad del cable: 12-25 m/s. Una mayor velocidad del cable aumenta la velocidad de eliminación del material y mejora el rendimiento, pero en el SiC también aumenta la profundidad del daño subterráneo. Las arenillas de diamante se acoplan a la superficie del cristal con mayor energía, cambiando el modo de eliminación del rayado dúctil a la fractura frágil. La mayoría de las operaciones de SiC se asientan en el rango de 15-20 m/s como un equilibrio entre productividad y calidad de la superficie.

Velocidad de alimentación: ~1 mm/min para SiC. Esto es considerablemente más lento que las obleas de silicio (que pueden funcionar a 2-4 mm/min) porque la dureza del SiC genera fuerzas de corte mucho mayores por unidad de material eliminado. Una velocidad de avance demasiado alta no sólo degrada la calidad de la superficie, sino que corre el riesgo de una rotura catastrófica del cable, especialmente en la zona de entrada del lingote, donde el cable entra en contacto por primera vez con la superficie curva.

Tensión del cable: 40-45 N. La tensión mantiene el cable recto y determina cuánto se desvía bajo la carga de corte. Demasiada tensión y el cable se rompe. Muy poco y el cable se desvía, creando un arco de oblea y un espesor desigual. Los sistemas de tensión controlados por PLC con retroalimentación de celda de carga en cada cable son estándar soluciones de sierra de alambre para materiales semiconductores.

Flujo de refrigerante es el cuarto parámetro que a menudo se pasa por alto. El fluido de corte debe alcanzar el punto de entrada de corte a un caudal suficiente para eliminar tanto el calor como las partículas de desechos de SiC. Un refrigerante insuficiente conduce a una acumulación térmica que provoca una inexactitud dimensional a través de la expansión, y a una acumulación de residuos que acelera el desgaste de los cables. El control de la temperatura de aserrado es cada vez más estándar en las máquinas de producción.

En este documento se analiza la investigación sobre los efectos del desgaste de los cables sobre la fuerza de aserrado del SiC y la calidad de la superficie Artículo de PMC que describe el experimento relacionado con el desgaste de la sierra de alambre.

Consideraciones clave para la calidad del aserrado de alambre de SiC

La oblea de SiC introduce tipos de defectos específicos que deben verificarse durante el proceso y tomarse medidas para prevenirlos durante el proceso. A continuación se muestra un mapa ilustrativo de los modos de defecto de las causas.

Defecto	Causa primaria	Prevención
Rotura de alambre	Tensión excesiva o tasa de alimentación de entrada demasiado alta	Reducir la alimentación de entrada a 30-50% de estado estacionario; verificar la alineación de la boquilla de refrigerante
Alta rugosidad superficial (Ra >2,5 μm)	Revestimiento de diamante desgastado o velocidad de avance excesiva	Monitorear el desgaste de los cables; reemplace el cable a intervalos especificados por el fabricante
Microfisuras subterráneas	Modo de fractura frágil a partir de parámetros agresivos	Reducir la velocidad del cable; aumentar la concentración de refrigerante
TTV >10μm	Tensión desigual del cable a través de la red	Calibrar el sistema de control de tensión; comprobar los cojinetes guía de alambre
Arco de oblea/deformación	Estrés residual asimétrico	Garantizar una distribución simétrica del refrigerante; verificar la alineación de la unión lingote-haz

Un único hecho cuantitativo que resulta instructivo: la eficiencia en la utilización de materiales después de toda la cadena de fabricación de obleas es sólo de aproximadamente 50%. Eso significa que el otro 50% se desperdicia en bordillos, eliminación de daños subterráneos y bordes. Cualquier mejora en esas áreas tiene un impacto inmediato en los costos de las obleas, de ahí la creciente demanda de sierras multicables de alta precisión con el mejor control de corte de su clase.

Pérdida de Kerf y rendimiento de material « Obteniendo más obleas por lingote

Cada micrón de corte perdido es una cuarta parte del lote de material que se convierte en polvo. En las obleas de silicio, los anchos típicos de corte son 90 120 m utilizando alambres delgados modernos. El material monocristalino de SiC es más duro (el abrasivo es una cerámica en sí mismo) y requiere un alambre más grueso y tolerante. Los anchos típicos de corte son de 150-200 µm por corte, y producir obleas delgadas a partir de este material duro y quebradizo exige un corte de precisión en cada paso.

Observando las tendencias de la industria: la tendencia de menos de (NT) diámetro del alambre. ¿Qué significa eso en ahorros de dinero real? Pasar de un alambre de 0,12 mm a 0,10 mm tradicionalmente le ahorra a la industria unos 60 m de corte por oblea. Debido a que se cortan más de 150 obleas de un solo lingote de 25 mm, eso realmente se suma en términos de ganancias de rendimiento. Los sistemas modernos con múltiples cables pueden obtener diámetros de corte tan bajos como 98 m utilizando 120 segmentos de alambre de 150 en paralelo. Se ha demostrado un rendimiento del sistema de 1.200 obleas por hora.

Alambre de 0,125 mm con paso de 0,25 mm.

Cómo seleccionar la sierra multialambre adecuada para la producción de SiC

Cable de 0,133 mm con paso de 0,35 mm.

Capacidad de refrigerante: 1 10 GPM debe adelantarse a la cantidad de calor generado y eliminar los residuos creados en el SiC durante el corte.

Preguntas frecuentes