Scie multifil à semi-conducteurs : principe de fonctionnement, spécifications et guide de sélection

Qu'est-ce qu'une scie multifil à semi-conducteurs et comment fonctionne-t-elle ?

Une scie multi-fils à semi-conducteur est une machine de précision, travaillant sur des centaines de fils minces parallèles tendus sur un ensemble de rouleaux de guidage rainurés pour trancher simultanément un seul lingot en une multitude de plaquettes Une scie multi-fils diffère d'une scie mono-filaire (single-wire) qui produit 1 plaquette à un moment (un multi-wire saw can contient entre 5000-2000 travées de fils dans une seule nappe de fils, produisant 300 tranches ou plus par cycle).

La façon dont fonctionne une scie multifilaire est simple Un fil continu (fil recouvert de diamant ou fil nu alimenté avec une suspension abrasive) est bouclé autour d'un ou plusieurs rouleaux de guidage de fil, formant un “web” parallèle de fils de sciage à travers la pièce à usiner Le lingot est maintenu vers le bas sur la bande de fil par une table d'alimentation utilisant un adhésif époxy pour le monter solidement Le débit d'alimentation est contrôlé, et comme la bande de fil se déroule à des taux compris entre 10-25 mètres par seconde, le fil se fraye un chemin abrasif à travers la pièce à usiner pour produire des plaquettes avec des caractéristiques uniformes, et peu de matière gaspillée.

Cinq composants principaux définissent l'architecture de la machine :

• Rouleaux de guidage de fil : cylindres de précision-moulé avec micro-rainures dirigeant le pas du fil (précision ±2 µm)
• Toile métallique : réseau de fils de coupe parallèles correctement tendus à l'intérieur
• Table d'alimentation (feed table) qui maintient la pièce à usiner aussi bas que 0,2 mm par minute (silicium)
• Système de refroidissement : fourniture de fluide à température contrôlée à la zone coupée, lavage des débris et élimination de la charge thermique
• Unité de contrôle de tension : assurant une tension constante sur toutes les travées du fil pour éviter l'affaissement ou la rupture

Cette technique de coupe parallèle est le principe commun à toute technologie de tranchage en coin ; cette caractéristique qui fait du sciage de fils multifilaires la norme industrielle reconnue dans la fabrication de semi-conducteurs et la production de cellules solaires.

Fil de diamant contre lisier : deux méthodes de coupe comparées

Pour la fabrication de semi-conducteurs, les scies monofilaires utilisent entre 4 et 6 heures pour trancher un lingot de 200 mm qui produit une tranche. Une scie multifilaire effectue ce cycle entier simultanément pour produire des centaines de tranches dans le même laps de temps.

Il existe deux méthodes principales de tranchage des tranches à l'aide d'un seul fil ou d'un plus grand nombre de fils plus fins : le sciage de fils diamantés, le DWS et le sciage de fils à base de lisier, SWS. Le tableau suivant est une comparaison des deux sur la base de données de production réelles.

Le DWS est désormais cité comme la première technologie pour la fabrication de tranches de silicium et de carbure de silicium. Il a été démontré dans l'article publié dans Procedia Manufacturing que le DWS offre une alternative plus durable à la découpe à base de lisier, en donnant beaucoup moins de gaspillage de matériaux et un impact environnemental minimisé. Ainsi, par rapport à la découpe à base de lisier, la productivité plus élevée (débit 2 à 3 fois plus rapide) et la perte de saignée plus de tranches glanées à partir de la matière première semi-conductrice précieuse de chaque lingot. Cela doit être un avantage lucratif.

La découpe à base de lisier reste la méthode dominante utilisée pour les semi-conducteurs composants Le GaAs et l'InP sont plus doux et plus fragiles que le silicium, et l'action abrasive libre du lisier produit moins de dommages souterrains sur ces matériaux Pour les applications de verre optique, le lisier offre également la finition de surface plus lisse requise pour réduire les étapes de polissage post-découpe.

Spécifications clés qui affectent la qualité de la plaquette

DONGHE offre équipement de scie multifilaire support des deux applications, lisier et fil de diamant.

L'uniformité de la tension du fil (au-delà de toute la bande de fil) est le facteur le plus important affectant la qualité de la tranche En utilisant la mesure de la force du fil dans un système de contrôle de tension en boucle fermée, la tension le long de toute la bande de fil doit être mesurée et la régulation avec l'allongement du fil et les changements thermiques est conduite Sinon, la variation d'épaisseur entre les extrémités de la bande de fil peut être habituellement supérieure à 20 m (ce qui est bien en dehors de la spécification SEMI M1 dans la catégorie des tranches de silicium poli).

Lors de la sélection d'une scie à fil diamant pour trancher les semi-conducteurs, il est important de vérifier que la machine dispose d'un système de contrôle de tension en boucle fermée, d'un liquide de refroidissement contrôlé à 0,5 C près et de rouleaux de guidage avec une précision de pas inférieure à 2 m.

Matériaux qu'une scie multifil peut traiter

Les scies multi-fils sont des équipements polyvalents conçus pour couper bon nombre des articles les plus durs et les plus difficiles à usiner dans le domaine de l'ingénierie, de l'électronique, du traitement photovoltaïque et de l'industrie céramique avancée. Les éléments répertoriés ci-dessous sont les principaux modules d'application et matériaux.

• Le silicium (mono - et polycristallin) est à la base des cellules solaires et des tranches semi-conductrices Les lingots de mono - et poly-silicium sont tous deux spécifiés en standard.
• Les semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC) et les onduleurs de véhicules électriques La nature extrêmement dure du SiC (Mohs 9.5) place le fil de diamant comme seul fil de coupe approprié Les analystes du marché prévoient que la demande de plaquettes de SiC passera de 1,69 milliard de dollars américains en 2025 à 6,4 milliards de dollars américains en 2032 avec un TCAC de 21,3%.
• Substrats saphir & fenêtres optiques Fil diamant requis dans l'abrasif dû à Mohs 9.
• Nitrure de gallium (GaN) Appareils RF électronique de puissance & semi-conducteurs composés.
• Transmissions optiques & télécoms en arséniure de gallium (GaAs) Généralement découpées avec du fil de bouillie afin de réduire les dommages de surface.
• Quartz : composants optiques et résonateurs.
• Céramiques techniques alumine, zircone, piézo-céramiques industrielles, médicales.
• Graphite : composants des électrodes et des creusets.
• Verres optiques : lentilles de précision et ébauches de prisme.

La demande croissante de SiC dans les modules d'alimentation EV et de GaN dans les infrastructures 5 G a induit de plus en plus équipement de scie multifilaire en cours de mise en œuvre pour ces applications Les machines proposées par DONGHE sont toutes configurées pour le traitement du silicium, du SiC, du saphir et de la céramique, avec des possibilités de réglage de la tension du fil et du débit d'alimentation pour chaque type de matériaux.

Défis communs et comment les résoudre

La coupe de scies à fil à l'échelle de production introduit trois problèmes courants. Chacun est facilement diagnostiqué avec des causes profondes connues, par rapport auxquelles des solutions techniques peuvent être testées.

1. Casse-fil

Casse du fil. Se produit lorsque le fil s'enclenche, arrêtant immédiatement la coupe en quelques secondes, pour ruiner tout le lot Les sources incluent des pointes de tension, causées par des courroies d'entraînement usées, un débit de liquide de refroidissement mal aligné à l'entrée du fil ou une fatigue du fil due au chauffage et au vrillage. La recherche sur les effets d'usure de la scie à fil (PMC) indique que lorsque le grain de diamant est épuisé, le taux d'usure suit un compte proportionnel utilisant la courbe du nombre de pouces coupés par le fil lors d'un parcours donné, des parties du fil peuvent être planifiées avant une défaillance catastrophique.

Solutions : Installer un système de gestion des fils diamantés (DWMS) pour mesurer l'usure en temps réel Couper avec un débit d'alimentation d'entrée plus faible pendant les 5 premiers mm de profondeur Vérifier la tension de la courroie d'entraînement tous les 3 mois Enregistrer la tension du fil et enregistrer les pointes éventuelles supérieures à 51TP3 T de consigne.

2. Dommages souterrains (SSD)

Dommages souterrains (SSD).S'effectue lorsque des micro-fissures s'étendent sous la surface supérieure de la plaquette de 1-30 m. Les facteurs contributifs incluent un excès de débit d'alimentation, des grains de diamant grossiers et des vibrations.Le traitement électronique ultérieur nécessite un broyage, un rodage et un polissage supplémentaires, ce qui entraîne des coûts plus élevés et des rendements plus faibles si la couche endommagée devient trop profonde.

Solutions : Réduire le débit d'alimentation lors de la coupe de matériaux fragiles (SiC et saphir).Utiliser des broyeurs avec une taille de grain plus fine (10-20 m pour finir la coupe, 30-40 m pour la coupe grossière).Veiller à ce que le débit d'eau de refroidissement soit optimal pour réduire les vibrations et les contraintes thermiquesLa pratique de l'industrie stipule que la SSD en dessous de 5 m est réalisable sur Si.

3. Épaisseur de plaquette incohérente

La variation de l'épaisseur à travers un lot peut être causée par l'expansion de la bande de fil et des rouleaux de guidage, une répartition inégale de la tension du fil sur de nombreuses tractions ou l'usure des rainures dans les rouleaux de guidage. La dérive thermique sur 8 à 10 heures de coupe continue peut déplacer la surface supérieure de 5 à 10 m.

Solutions : Refroidir avec un liquide de refroidissement à température contrôlée jusqu'à une précision de 0,5 C. Utilisez un contrôle de tension du fil en boucle fermée, avec plusieurs points de jauge répartis sur le fil Planifiez la mesure mensuelle et le rebroyage des rainures du fil Rotatif après toutes les 8 à 10 heures de coupe active.

Comment choisir la bonne scie multifilaire

Cliquez ici pour utiliser une liste de contrôle pour décider quelles spécifications vous devez choisir pour votre scie multifilaire.

✔ Liste de contrôle de sélection :

1. Type de matériau type de fil dicté et gamme de vitesse d'alimentation en grains Le saphir et le carbure de silicium ont besoin d'un fil de diamant dédié ; GaAs peut nécessiter une capacité de coupe de boue.
2. Taille de la plaquette Les tailles de la machine sont évaluées pour 1 mm, 200 mm ou 300 mm diamètre maximum de la plaquette Confirmez vos stations de refroidissement et de lavage correspondent à la spécification sélectionnée.
3. Volume de production Les groupes R&D ont besoin de machines qui coupent des lingots avec un minimum de groupes de production nécessitent des machines entièrement automatisées avec un débit et une cohérence élevés.
4. La machine doit prendre en charge à la fois les fils de coupe en silicium et III-V et la coupe en suspension si vous traitez les deux.
5. Le contrôle automatique des recettes HMI et le réseau de messagerie d'équipement (SECS/GEM) sont la norme pour l'environnement de production.
6. Spot buy évalue les politiques nominales de coût des pièces, l'inventaire et la disponibilité des pièces de rechange, la formation des ingénieurs et le temps de réponse du support technique Sans investissement excessif, le coût des temps d'arrêt peut facilement être supérieur à $10 000 par heure dans la fabrication de semi-conducteurs.

DONGHE (Basée à Shanghai Donghe Science & Technology Co., Ltd) a plus de 10 ans d'expérience dans la fabrication de machines à découper les scies à fil de précision pour l'industrie des semi-conducteurs DONGHE fournit à la fois l'équipement de fabrication et le support d'ingénierie d'application pour faire correspondre la configuration de la machine à vos exigences de spécifications de matériaux et de plaquettes avec la certification ISO 9001 :2015 CE, 35 brevets et plus de 10 000 incidents de coupe enregistrés pour plus de 300 clients.

Foire aux questions

Quel est le processus de sciage des semi-conducteurs ?

Le sciage par semi-conducteur consiste à fixer un lingot semi-conducteur à une table d'alimentation avec de l'époxy ou de la cire, puis à le faire descendre lentement en une nappe de nombreux fils de carbone ou de béryllium/cuivre courant sur des rouleaux de guidage à 10-25 mètres par seconde. Le fil entraîné par diamant ou la boue alimentés en fil meule la substance à travers laquelle il passe, la divisant en centaines de tranches en une seule opération. Des liquides de refroidissement continus circulent pendant le sciage pour empêcher l'accumulation de chaleur et pour évacuer les débris.

Une fois le semi-conducteur scié en tranches, le traitement se poursuit par nettoyage, rodage et polissage, après quoi la tranche peut être utilisée comme substrat pour la fabrication de dispositifs.

Comment une scie multi-fils garantit-elle une épaisseur de tranche constante ?

L'épaisseur constante de la tranche dépend de 3 systèmes de contrôle pour obtenir une épaisseur reproductible. Premièrement, le contrôle de la tension du fil en boucle fermée empêche la surtension ou l'affaissement des différentes portées du fil pendant le processus. Deuxièmement, un liquide de refroidissement à température contrôlée (généralement précis à 0,5 C près) empêche l'expansion de la bande de fil et des ensembles de rouleaux de guidage en raison de la chaleur.

Troisièmement, des rouleaux de guidage fiables et espacés avec précision, avec une précision de pas de rainure inférieure à 2 m, sont utilisés pour espacer avec précision les fils individuels Tous ces systèmes sont intégrés pour atteindre un TTV inférieur à 10 m en production et inférieur à 5 m en scie multi-fils de haute précision.

Quels matériaux une scie multi-fils peut-elle couper en plus du silicium

Matériaux : SiC, saphir, GaAs, GaN, quartz, céramique, graphite, verre optique, etc. Le fil de diamant est utilisé pour les substrats les plus durs, tandis que la suspension est souvent utilisée pour les composés III-V plus mous.

Quelle est la durée de vie typique du fil de coupe ?

La bonne durée de vie du fil diamant dépend de la dureté du matériau à couper et du diamètre du fil Dans le cas des lingots de silicium, une bobine de fil diamant (généralement de 80 à 120 mm de diamètre) découpera 800 à 1 500 tranches, là où le diamètre du grain diamant descend en dessous du niveau de coupe effectif. Dans le cas du SiC, la durée de vie du fil diamant peut être aussi faible que 200 à 400 tranches par bobine de fil en raison de l'extrême dureté du matériau (Mohs 9,5).

La bonne pratique consiste généralement à translator le fil toutes les 8 à 10 heures de coupe active et à contrôler correctement la tension. Certains producteurs utiliseront un système de gestion des fils diamantés (DWMS) qui surveille l'usure totale du fil en temps réel et fournira un avertissement pour fonctionner avant que la probabilité de tir du fil ne soit élevée.

Les scies multi fils peuvent-elles être intégrées dans les lignes de production existantes ?

Oui. Presque toutes les machines modernes à scies multifils facilitent les protocoles SECS/GEM standard de l'industrie pour un système MES bien intégré. Les scies multifils DONGHE disposent d'E/S configurables pour les valeurs de recettes auto-opérées pour l'enregistrement des données.