探討不同結合度的砂輪磨削於藍寶石晶圓之聲射訊號特徵

作者:林玉堃、丁嘉仁、張高德

藍寶石(氧化鋁)晶圓主要是應用在LED/LCD平板顯示器產業,屬於硬脆性材料之一,因加工難度大、精度等級要求高,若磨削加工條件不足,容易造成晶圓表面的裂紋或邊緣的破裂等缺陷[1]。
對於硬脆材料的磨削加工製程,因為工件與砂輪磨粒的硬度相當,加工過程相當於工件與砂輪磨粒間相互磨削,造成磨粒由尖銳逐漸磨鈍,切削能力下降,且磨削作用力增加[2],若磨削作用力過大,將導致工件及砂輪破損,而適當的結合度可保持良好的磨削作用力。因為當作用力大於結合度時,將使磨料脫落,露出尖銳的磨粒,使其恢復磨削能力[3]。上述磨料鈍化後脫落的過程稱為砂輪的自銳性,是砂輪能磨削硬脆材料的關鍵能力。
硬脆材料薄化技術長期受到工業界的重視,許多砂輪製造廠投入開發,但各家產品其磨削能力有高有低,製造方和應用方都需靠經驗與實際上機磨削測試,才能得知砂輪的性能[4]。分析聲射訊號是在磨削監控系統中最常被提出的方法之一[5][6],聲射訊號是當材料結構發生局部差排滑動時所放出的彈性波,許多研究將該訊號用來測量材料破壞或磨削力監測等[7][8]。然而這些研究大多針對金屬工件與砂輪表面狀態進行探討,較無針對砂輪本身特性與工件磨削時的變化進一步分析,本研究將探討磨削藍寶石(氧化鋁)晶圓時,不同的砂輪結合度在聲射訊號上的訊號特徵。


實驗平台和砂輪


實驗平台為直立式輪磨加工機如圖1所示,具有高進給精度與高剛性的優點,運用圓周磨床加工原理,使磨削軸(S1)的鑽石砂輪與工件(S2)軸的加工材料進行相互旋轉運動,利用微量進給與高速轉動,使脆性材料產生延性加工機制,材料因此被移除[12]。實驗分析的鑽石磨輪為五顆鰭片式磨塊砂輪,規格與砂輪表面結構如表1所示,其中磨料粒度為#325及#400,磨損率(Ration of Wear, RoW)是指移除藍寶石晶圓厚度比上砂輪被消耗量,消耗量越大代表砂輪結合度越弱,自銳性越好,一般這類偏軟的砂輪適合對硬質的材料進行加工;而結合度強的砂輪則反之。聲射傳感器的頻率規格依照量測材料與環境來進行挑選,以直立式磨輪加工機來說,因磨削機制是S1與S2同時運轉,所以本實驗選用的聲射傳感器為非接觸的水傳導式(Hydrophone coolant through AE sensor),透過冷卻水將訊號收錄至傳感器 ,傳感器接收頻率範圍為10 k~1 MHz,由於聲射訊號是材料因受應力變形或破裂時,局部能量快速釋放所產生的彈性波或稱應力波,一般彈性波頻率超過20 kHz,而波因為透過介質傳遞,所以介質材料會影響訊號特徵[13]。在Nyquist取樣定理[14]中提到,取樣的頻率須大於類比信號的頻率2倍以上,所以本研究使用5倍取樣頻率5 MHz來擷取原始聲射訊號進行分析。

圖1 直立式輪磨加工機與聲射傳感器

 

文章轉載自工業技術研究院機械工業雜誌