Полупроводниковая многопроволочная пила: принцип работы, характеристики и руководство по выбору

Что такое полупроводниковая многопроводная пила и как она работает?

Полупроводниковая многопроволочная пила - это прецизионная машина, работающая на сотнях параллельных тонких проволок, натянутых на набор рифленых направляющих роликов, чтобы одновременно разрезать один слиток на множество пластин. Многопроволочная пила отличается от однопроволочной пилы (которая производит 1 пластину за раз (многопроволочная пила может содержать от 500 до 2000 пролетов проволоки в одном проволочном полотне, производя 300 или более ломтиков за цикл.

Как работает многопроволочная пила, просто. непрерывная проволока (алмазная или оголенная проволока, подаваемая абразивной суспензией) наматывается на один или несколько направляющих роликов проволоки, образуя параллельную “web” пильных проволок поперек заготовки. Слиток удерживается на проволочном полотне с помощью подающего стола, использующего эпоксидный клей для его надежного крепления. Скорость подачи контролируется, и по мере того, как проволочное полотно движется со скоростью 10-25 метров в секунду, проволока абразивно изнашивается через заготовку, образуя пластины с однородными характеристиками и небольшим количеством потраченного материала.

Пять основных компонентов определяют архитектуру машины:

• Проволочные направляющие ролики — прецизионные шлифовальные цилиндры с микроканавками, направляющими шаг проволоки (точность ±2 мкм)
• Проволочное полотно — массив параллельных режущих проволок и правильно натянутых проволок внутри
• Подающий стол — стол, который удерживает заготовку и обеспечивает скорость подачи всего 0,2 мм в минуту (кремний)
• Система охлаждающей жидкости (Oolant system) подает жидкость с регулируемой температурой в зону реза, смывает мусор и удаляет тепловую нагрузку
• Блок контроля натяжения (Tension control) (англ.) (англ.)русск. обеспечивает постоянное натяжение всех пролетов проволоки во избежание провисания или поломки

Этот метод параллельной резки является общим принципом для всех технологий нарезки клином; эта характеристика делает распиловку проволоки из нескольких проводов признанным отраслевым стандартом как в производстве полупроводников, так и в производстве солнечных элементов.

Алмазная проволока против навозной жижи: сравнение двух методов резки

Для производства полупроводников однопроводниковые пилы используют от 4 до 6 часов для нарезки слитка диаметром 200 мм, из которого получается одна пластина. Многопроводная пила выполняет весь этот цикл одновременно, производя сотни ломтиков за один и тот же период времени.

Существует два основных метода нарезки пластин с использованием одной проволоки или большего количества более тонких проволок: распиловка алмазной проволоки, DWS и распиловка проволоки на основе суспензии, SWS. Следующая таблица представляет собой сравнение этих двух материалов на основе реальных производственных данных.

DWS теперь считается ведущей технологией производства пластин из кремния и карбида кремния. В статье, опубликованной в журнале Procedia Manufacturing, было продемонстрировано, что DWS предлагает более устойчивую альтернативу резке на основе суспензии, обеспечивая значительно меньшие потери материала и минимизированное воздействие на окружающую среду. Таким образом, по сравнению с резкой на основе суспензии более высокая производительность (2-3 раза более высокая производительность) и более низкие потери керна могут напрямую привести к тому, что из драгоценного полупроводникового сырья каждого слитка будет собрано гораздо больше пластин. Это должно быть прибыльной выгодой.

Резка на основе суспензии остается доминирующим методом, используемым для компонентных полупроводников. GaAs и InP мягче и хрупче кремния, а свободное абразивное действие суспензии приводит к меньшему повреждению подповерхностей этих материалов. Для применения в оптическом стекле суспензия также обеспечивает более гладкую поверхность, необходимую для уменьшения этапов полировки после резки.

Основные характеристики, влияющие на качество пластин

ДОНХЭ предлагает многопроволочное пильное оборудование поддержка обоих применений: суспензии и алмазной проволоки.

Однородность натяжения проволоки (помимо всего проволочного полотна) является единственным наиболее важным фактором, влияющим на качество пластины. используя измерение силы проволоки в системе контроля натяжения с обратной связью, следует измерить натяжение вдоль всего проволочного полотна и провести регулирование с удлинением проволоки и термическими изменениями. В противном случае изменение толщины между концами проволочного полотна обычно может составлять более 20 м (что значительно выходит за рамки спецификации SEMI M1 в категории пластин из полированного кремния).

При выборе алмазной проволочной пилы для разрезания полупроводников важно проверить, что машина имеет замкнутую систему контроля натяжения, охлаждающую жидкость, которая контролируется с точностью до 0,5 С, и направляющие ролики с точностью шага менее 2 м.

Материалы, которые можно обработать с помощью многопроволочной пилы

Многопроволочные пилы - это универсальное оборудование, предназначенное для резки многих самых твердых и сложных для обработки предметов в области техники, электроники, фотоэлектрической обработки и передовой керамической промышленности. перечисленные ниже элементы являются основными модулями применения и материалами.

• Кремниевый (моно - и поликристаллический) кремний является основой солнечных элементов и полупроводниковых пластин, Как моно - так и поликремниевые слитки указаны в качестве стандарта.
• Карбид кремния (SiC) силовые полупроводники и инверторы электромобилей Чрезвычайно жесткая природа SiC (Mohs 9.5) ставит алмазную проволоку в качестве единственного подходящего режущего провода Аналитики рынка прогнозируют, что спрос на пластины SiC вырастет с 1,69 млрд долларов США в 2025 году до 6,4 млрд долларов США в 2032 году при среднегодовом выражении 21,3%.
• Сапфировые подложки & оптические окна. алмазная проволока, необходимая в абразиве из-за Mohs 9.
• Нитрид галлия (GaN) Радиочастотные устройства, силовые электроники и сложные полупроводники.
• Оптические и телекоммуникационные передачи арсенида галлия (GaAs). Обычно разрезают жижей, чтобы уменьшить повреждение поверхности.
• Кварцевые — оптические компоненты и резонаторы.
• Техническая керамика глинозем, цирконий, пьезокерамика промышленная, медицинская.
• Графит — электроды и компоненты тигля.
• Оптическое стекло — прецизионные линзы и заготовки для призм.

Рост спроса на SiC в силовых модулях электромобилей и GaN в инфраструктуре 5G стимулировал все больше и больше многопроводное пильное оборудование реализуется для этих приложений. машины, предлагаемые DONGHE, все настроены для обработки кремния, SiC, сапфира и керамики, с возможностью натяжения проволоки и регулировки скорости подачи для каждого типа материалов.

Общие проблемы и способы их решения

Резка проволочной пилы в производственных масштабах создает три общие проблемы. Каждому легко диагностировать известные коренные причины, по которым можно проверить инженерные решения.

1. Поломка провода

Обрыв провода. происходит, когда проволока защелкивается, немедленно останавливая разрез в течение нескольких секунд, чтобы испортить всю партию. Источники включают в себя шипы натяжения, вызванные изношенными приводными ремнями, несоосный поток охлаждающей жидкости при входе в провод или усталость провода из-за нагрева и перекручивания. Исследования эффектов износа проволоки и пилы (PMC) показывают, что по мере истощения алмазной крупы скорость износа следует пропорциональной кривой - используя счет количества дюймов, вырезанных проводом на данном проходе, части провода могут быть запланированы до катастрофического отказа.

Решения: Установите систему управления алмазной проволокой (DWMS) для измерения износа в режиме реального времени. Вырежьте с более низкой скоростью подачи на вход для первых 5 мм глубины. проверяйте натяжение приводного ремня каждые 3 месяца. записывайте натяжение проволоки и регистрируйте любые шипы, превышающие 5% заданного значения.

2. Повреждение недр (SSD)

Повреждение под поверхностью (SSD). возникает, когда микротрещины проходят под верхней поверхностью пластины на 1-30 м. Факторы, способствующие этому, включают избыточную скорость подачи, крупную алмазную песок и вибрацию. Последующая электронная обработка требует дополнительного шлифования, притирки и полировки, что приводит к более высоким затратам и снижению выхода, если слой повреждения становится слишком глубоким.

Решения: Уменьшить скорость подачи при резке хрупких материалов (SiC и сапфир).Использовать шлифовальные машины с более мелким размером песка (10-20 м для финишной резки, 30-40 м для грубой резки).Убедитесь, что поток охлаждающей воды оптимален для снижения вибрации и термических деформаций. Практика отрасли утверждает, что SSD ниже 5 м возможен на Si.

3. Непоследовательная толщина пластины

Изменение толщины в партии может быть вызвано расширением проволочного полотна и направляющих роликов, неравномерным распределением натяжения проволоки при многих натяжениях или износом канавок в направляющих роликах. Термический дрейф в течение 8-10 часов непрерывного разреза может сдвинуть верхнюю поверхность на 5-10 м.

Решения: Охладите терморегулируемой охлаждающей жидкостью до точности 0,5 C. Используйте замкнутый контур контроля натяжения проволоки, с несколькими точками калибра, распределенными по проволоке. запланируйте ежемесячное измерение и повторное шлифование канавок ролика. вращайте проволоку после каждых 8-10 часов активной резки.

Как правильно выбрать многопроволочную пилу

Нажмите здесь, чтобы использовать контрольный список, чтобы решить, какие характеристики вам следует выбрать для своей многопроволочной пильной машины.

Контрольный список выбора ✔:

1. Тип материала — тип проволоки, g размер и диапазон скорости подачи. сапфиру и карбиду кремния нужна выделенная алмазная проволока; GaAs может потребовать производительности резки суспензии.
2. Размер пластины — размеры машины рассчитаны на максимальный диаметр пластины 150 мм, 200 мм или 300 мм. Подтвердите, что ваши станции охлаждения и стирки соответствуют выбранной спецификации.
3. Объем производства — группы R&D нуждаются в машинах с минимальной настройкой. Производственным группам требуются полностью автоматизированные машины с высокой производительностью и высокой консистенцией.
4. Машина должна поддерживать как кремниевые, так и режущие проволоки III-V, а также резку навоза, если вы обрабатываете и то, и другое.
5. Автоматизированное управление рецептами HMI — сеть обмена сообщениями об оборудовании (SECS/GEM) является стандартом для производственной среды.
6. Спотовая покупка оценивает номинальную стоимость детали (политики запасов и наличия запасных частей, обучение инженеров и время реагирования технической поддержки). Без чрезмерных инвестиций стоимость простоя может легко превысить $10 000 в час при производстве полупроводников.

ДУНХЭ (базируется в Shanghai Donghe Science & Technology Co., Ltd.) имеет более чем 10-летний опыт в производстве прецизионные машины для резки проволоки для полупроводниковой промышленности. DONGHE предоставляет как производственное оборудование, так и инженерную поддержку приложений, чтобы привести конфигурацию машины в соответствие с вашими требованиями к материалам и характеристикам пластин с сертификацией ISO 9001:2015 CE, 35 патентами и более 10 000 зарегистрированных инцидентов резки для более чем 300 клиентов.

Часто задаваемые вопросы

Что такое процесс распиловки полупроводников?

Полупроводниковая распиловка включает закрепление полупроводникового слитка на подающем столе с эпоксидной смолой или воском, а затем медленное опускание его в полотно из множества углеродных или бериллиевых/медных проволок, проходящих поперек направляющих роликов со скоростью 10-25 метров в секунду. проволоку с алмазным приводом или проволоку, подаваемую суспензией, измельчают вещество, через которое оно проходит, разделяя его на сотни пластин за одну операцию. Непрерывные охлаждающие жидкости циркулируют во время распиловки, чтобы предотвратить накопление тепла и унести мусор.

После распиловки полупроводника в пластины обработка продолжается путем очистки, притирки и полировки, после чего пластину можно использовать в качестве подложки для изготовления устройства.

Как многопроволочная пила обеспечивает постоянную толщину пластины?

Постоянная толщина пластины зависит от 3 системы управления для достижения повторяемой толщины. во-первых, контроль натяжения проволоки с обратной связью предотвращает чрезмерное натяжение или провисание различных пролетов проволоки во время процесса. Во-вторых, охлаждающая жидкость с регулируемой температурой (обычно с точностью до 0,5 C) предотвращает расширение проволочного полотна и наборов направляющих роликов из-за тепла.

В-третьих, для точного размещения отдельных проводов используются надежные и точно расположенные направляющие ролики с точностью шага канавок менее 2 м. Все эти системы интегрированы для достижения ТТВ менее 10 м в производстве и менее 5 м в высокоточной многопроволочной пиле.

Какие материалы можно разрезать многопроволочной пилой, кроме кремния?

Материалы: SiC, сапфир, GaAs, GaN, кварц, керамика, графит, оптическое стекло и т. д. Алмазная проволока используется для самых твердых подложек, а суспензия часто используется для более мягких соединений III-V.

Каков типичный срок службы режущей проволоки?

Хороший срок службы алмазной проволоки зависит от твердости разрезаемого материала и диаметра проволоки В случае кремниевых слитков одна катушка алмазной проволоки (обычно диаметром 80-120 мм) будет вырезать 800-1500 пластин до тех пор, пока диаметр алмазной крупки не упадет ниже эффективного уровня резания. В случае SiC срок службы алмазной проволоки может составлять всего 200-400 пластин на катушку проволоки из-за чрезвычайной твердости материала (Mohs 9.5).

Хорошей практикой обычно является перевод проволоки каждые 8-10 часов активной резки и надлежащий контроль натяжения. Некоторые производители используют систему управления алмазной проволокой (DWMS), которая отслеживает общий износ проволоки в режиме реального времени и предупреждает о необходимости работать до того, как вероятность выстрела проволоки станет высокой.

Могут ли многопроволочные пилы быть интегрированы в существующие производственные линии?

Да. почти все современные многопроволочные пильные станки облегчают стандартные отраслевые протоколы SECS/GEM для хорошо интегрированной системы MES. Многопроволочные пилы DONGHE имеют настраиваемые вводы-выводы для автоуправляемых значений рецептов для регистрации данных.