藍寶石基片在精密劃片機中劃切實驗

1、 藍寶石材料特性

藍寶石（Al2O3）因其獨特的晶格結構（電絕緣和透明）、優異的力學性能（硬度高）、良好的熱學性能（易導熱）被廣泛用于半導體發光二極管、微電子電路、大規模集成電路等光電元器件的制造中。同時，藍寶石熔點高、強度高、光透性高以及化學穩定性強等特性被廣泛應用于智能設備、航空航天等領域。

GaN（氮化鎵）基LED芯片主要以藍寶石基板作為襯底材料，而其結構組成中，GaN的厚度只有5μm左右，藍寶石厚度在450μm左右，減薄后的厚度100μm左右。因此對GaN基LED芯片的劃切就是對藍寶石基片的劃切。

藍寶石屬于硬脆材料，劃切工藝參數對劃切質量有很重要的影響。下面通過試驗對藍寶石基片進行開槽劃切工藝試驗，研究工藝參數對藍寶石劃切影響規律，探究藍寶石劃切最優工藝參數，驗證自主研發全自動砂輪劃片機的性能。

2、試驗條件

本試驗中藍寶石基片劃切采用的設備為LX6366全自動精密劃片機，主軸最高轉速為60000r／min，采用2英寸刀片，如圖所示為LX6366劃切試驗裝置圖。選擇單面拋光藍寶石基片，厚度為0.43mm，2英寸大小，晶向為C面，藍寶石基片材料。

根據以往劃切經驗以及刀具性能特性，選定藍寶石劃切工藝參數范圍為：主軸轉速為25000～35000r／min，進給速度為1～5mm／s，劃切深度為0.05～0.1mm。相鄰劃切道之間間距設置為5mm，每組工藝參數試驗2次，每條切縫長為30～50mm，測量長度為5mm，每1mm取一個點測量，以最大切縫寬和崩邊寬度作為試驗結果，每劃切一組參數進行刀具磨損補償一次，避免刀具磨損對試驗的影響。

由于藍寶石硬脆特性，而樹脂結合劑刀片自銳能力強，具有良好的彈性，可以減小崩邊尺寸，提高劃切工件表面質量，因此選擇一種由熱固性樹脂作為結合劑與金剛石磨料燒結而成樹脂軟刀，磨料類型為金剛石，粒度為600＃，磨粒尺寸為10-20μm，結合劑類型為硬，集中度為75，刀片外徑為?56mm，厚度為0.25mm，內徑為?40mm，刀片露出量為3mm，具體試驗條件如圖所示。

3、試驗步驟及測量方法

3.1 試驗步驟

首先將劃切材料通過藍膜粘貼在崩盤上，再將粘貼好的工件安裝在真空吸盤上，通過負壓固定工件，然后設置相應的劃切參數，真空吸盤帶著工件沿著水平方向進給，當劃切完一道后，刀片抬起，真空吸盤帶著工件沿著進給的垂直方向移動一個設定的偏執距離以進行下一道劃切。劃切過程中記錄控制系統顯示的主軸電流大小，劃切后通過金相顯微鏡對切縫寬、崩邊寬度以進行測量，通過白光干涉儀對切割道表面形貌進行觀測。

3.2試驗測量方法原理

試驗后采用精密金相數碼顯微鏡采集加工后的溝槽圖樣，并測量切縫寬 Kw、崩邊寬度C，崩邊寬度為分布在劃切道兩側的崩邊的最大值，如圖所示為金相顯微鏡，藍寶石劃切后切縫寬和崩邊寬度測量示意圖。本文不考慮刀具厚度對劃切效果的影響，采用相對縫寬 Kwr來表示劃切過程工藝參數對劃切道寬度的影響，計算公式為：

試驗發現對當主軸轉速 n＝35000r／min，進給速度 v＝5mm／s，劃切深度 a＝50μm時對藍寶石的劃切效果最好。切割道寬度為248.69μm，相對縫寬為0.995，最大崩邊寬度為6.94μm。如圖a）和b）所示為劃切深度分別為a＝100um，a＝50um時，不同劃切工藝參數下藍寶石開槽劃切的形貌圖。

通過試驗及測量發現，隨著主軸轉速的增加，切縫寬增大，即相對縫寬增大，而隨主軸轉速增大切割道崩邊情況在一定程度上有所改善。進給深度對相對縫寬的影響較小，隨著進給速度增加，崩邊寬度有減小趨勢。劃切深度對崩邊寬度影響很大，增大劃切深度刀片磨損趨勢加劇。