蓝宝石切割工艺研究

陈煜，丁彭刚，付纯鹤

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

蓝宝石切割工艺研究

陈煜，丁彭刚，付纯鹤

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

介绍了蓝宝石晶体特性及主要应用，总结出了蓝宝石切割的技术要求。并在自主研发设备的基础上，进行了工艺切割试验，取得了良好的切割效果。

蓝宝石特性；多线切割；圆弧进给

蓝宝石晶体是一种具有集优良光学性能、物理性能和化学性能于一体的独特结晶体。作为最硬的氧化物晶体，蓝宝石由于其光学和物理特性被运用于各种要求严苛的领域。蓝宝石可以在高温下保持其高强度、优良的热属性和透过率。它有着很好的热透性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀。随着科学技术的迅猛发展，蓝宝石晶体已经成为现代工业，尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料。由于蓝宝石属于硬脆材料，其莫氏硬度达到8.5，仅次于金刚石，碳化硅等，具备内部晶格结构同向性，分子间的结合力大，因此造成其切割困难。传统的内外圆切割方式无法实现对其有效的切割。随着金刚线切割技术的出现，高速的金刚线切割设备的研制和应用逐渐扩大，本文结合自主研发的摆动式高速多线切割机，对蓝宝石的切割工艺进行了摸索研究。

1　多线切割工艺

本次切割工艺试验采用自主研发的高速多线切割机进行切割，如图1所示，通过伺服电机控制的放线轮拉出的金刚石线绕过几个导向轮后经过张力控制器，在切割室内连续缠绕在轴滚上，形成一个在水平面上的平线网。金刚石线绕过线网后再通过导向轮和张力臂回到收线轮上，再通过高速往返的金刚石线达到切割的效果。但是由于蓝宝石属于超硬材料，如果单纯依靠金刚石线的往复磨削，容易产生很大的线弓，切割线与被切料接触面积很大，不仅使切割能力大大下降，而且容易夹线、断线。如图2所示，我们把两个主轴固定在可以摆动的圆盘上，通过圆盘的摆动来带动主轴乃至整个切割线网摆动，而被切割材料则处在线网上方，并按照垂直于线网平面的方向向下进给，从而实现对材料的切割。由于线网的摆动，切割线与被切材料之间的切割接触区域变小，同样的张力下，对接触点的接触力更大，因此其切割力也就越大，实现快速切割。同时，由于线网的摆动，切割线会反复通过已切割完毕的切割面，进一步提高切割表面的质量。

图1　蓝宝石走线示意图

图2　蓝宝石切割摆动机构示意图

2　蓝宝石材料切割

切割材料选用155 mm×80 mm×40 mm的蓝宝石，切割片厚为500 μm，为了增加切割能力和效率，本次实验选用直径为0.25 mm的金刚石线，金刚石线的直径偏差为±0.005 mm，并考虑到金刚石线在槽中高速运转时，会产生轻微跳动，综合所有因素，轴滚槽距为0.765 mm。蓝宝石属于超硬材料，线速度太低，会造成线切不动现象，实验中切割线速度设为900 m/min。为了实现点切割，增大压强，实验充分应用了自主研发的摆动式线切机的线摆超强优势，主轴会一直摆动，摆动角度可达到正负7°，摆动频率可达到每分钟往复20次，大大增加了线和蓝宝石接触时切割压强和切割能力。蓝宝石在生长时是有晶向的，必须顺着晶向切割，才能最大限度减小翘曲和表面粗糙度。在粘接之前，必须通过晶向检测晶向的方向。切割的进给速度，实验人员通过查阅资料和联系厂家，初步认定了入刀速度和出刀速度较低，为0.2 mm/min，在切到料中间时，速度设为0.25 mm/min，经过计算，切割时间为12 h为了增加切削效果，在冷却水中，添加了切割润滑液，减少切割阻力，如3、图4所示，为蓝宝石切割过程图片。

图3　切割过程示意图

图4　切割过程示意图

图5　晶片测量点分布图

图5为切割下来的蓝宝石晶片。当蓝宝石片切割成功后，须将表面擦拭干净，接下来用无纺纱布蘸酒精擦拭，确保其表面没有切割留下来的细渣。在彻底擦拭干净之后，用目视初步观察晶片表面纹路是否比较均匀，用手指感触表面纹理的凹凸程度，可以大概得出片子的切割质量。更为专业便捷的操作是，拿起两片相邻的片子，背对背贴合在一起，迎着光的方向，看是否有光透过。如果贴合程度不是很高，有光透过，说明片子有翘曲或者表面质量稍差。

在本次实验中，我们采用专用的测量仪进行测量。如图5所示，我们顺着切割上下方向，在片子两段，各均匀取4个点，在片子中心取1个点，共9组测量数据。

3　切割片测量

在本次切割中，共切成13片，其测量数据见表1。从表1中可以看出最两端的晶片，由于上道工序或者长晶不好，片子质量本身尺寸会不均匀，所以不计入以后的数据整合中。

在表1的数据中，我们取中间11片的测量值计入数据库，中间几片表面质量和翘曲明显较好，片厚差＞10 μm，且TTV*和BOW*值明显要好。靠近两端的片厚差在15 μm以内，且TTV和BOW值稍差，说明切割线两端的张力有变化，且线在轴滚槽中，有轻微颤动现象。

去除头尾片，统计片数共11片。全部晶片的表面参数指标百分比分布情况如表2所示。通过专用数据分析软件生成三维效果图，如图6所示。

表2　指标百分比分布

图6　指标图形化示意图

4　结论

通过自主研制的蓝宝石金刚石线多线切割设备，使用该设备针对蓝宝石材料的切片试验，取得了良好的效果。在进行多次切割并不断完善切割工艺的基础上，目前已实现蓝宝石晶片的高质量可靠切割，其切割的晶片表面指标为：TTV*＜15 μm、BOW*＜15 μm、Warp*＜20 μm，达到了业内对蓝宝石晶片的技术指标要求。

*TTV：切片总厚度偏差、BOW：切片弯曲度、Warp：切片翘曲度。

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［2］张凤林，袁慧，周玉梅.硅片精密切割多线锯研究进展［J］.金刚石与磨料磨具工程，2006（6）：14-17.

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Cutting Technical Research of Sapphire

CHEN Yu，DING Penggang，FU Chunhe

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

In this article，based on the analysis about sapphire，we do some research on cuttingoftechnical of sapphire.Using the Mult_Wire Dicing Saw Machine designed by ourselves，we do experiences about sapphire cutting.

Sapphire；Mult_Wire Dicing Saw Machine；Circle Cutting

TN305

B

1004-4507（2016）10-0038-04

2016-08-22