南俊马 (中国陕西省西安碑林咸宁西路28号, Shaanxi 9, 710049, CN)
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NAN, Junma (No. 28 Xianning Road, BeilinXi'an, Shaanxi 9, 710049, CN)
| 权利要求书 1、 一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制备方法， 其特 征在于： 该方法按以下歩骤进行： ( 1 ) 组成设计与配制 QFN 封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀由金属胎体和金刚石颗粒 组成， 其中上述金属胎体由金属粉末和超细无机填料组成； 先将组成金属胎 体的各种金属粉末和超细无机填料置于混料机中湿混搅拌 3-5h，然后加入经 过处理的金刚石颗粒， 搅拌 1-2h后获得成份均匀及磨粒均布的混合料； (2) 冷压预成形 将上述混合料均匀布于钢模中， 然后在压机上施压制得成形压坯， 样品 经检验合格后， 将其置于石墨模具中； (3) 热等压烧结 将石墨模具连同工件整体移入烧结炉内热压烧结， 制成烧结金属基金刚 石锯刀毛坯； (4) 加工成型 锯刀毛坯去毛刺后用慢走丝机床进行内孔、 外圆切割， 再用双面游离研 磨工艺进行减薄加工， 最终得到满足厚度要求的超薄锯刀。 2、按照权利要求 1所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 将成分均匀及磨粒均布的混合料置于钢模中 冷压的工艺条件为： 压力 50-75MPa， 保压时间 1 -3s。 3、按照权利要求 1所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 将热压模具连同工件整体移入烧结炉内热压 烧结的工艺条件为： 模压压力 25-35MPa， 烧结温度 600-800 °C， 升温速率 50-70 °C/min , 保温保压时间 6-8min， 冷却方式： 炉冷或空冷。 4、按照权利要求 1所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 所述金刚石锯刀由金刚石颗粒和金属基胎体 组成； 金刚石颗粒履行切割功能， 其体积百分浓度为 45-78%， 粒度为 25-75μηΐ ο 5、按照权利要求 4所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 所述金刚石颗粒履行切割功能， 其体积百分 浓度为 50-70%， 粒度为 55-75μηι。 6、按照权利要求 2所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法，其特征在于：所述金属胎体是对金刚石颗粒实施把持功用， 由 95-98重量份的金属粉末和 2-5重量份的无机填料组成。 7、按照权利要求 6所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 所述金属胎体由 25-38重量份的 Cu、 3-8重 量份的 Sn和 55-68重量份的 Co组成。 8、按照权利要求 6所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 所述超细无机填料分别是 1 -4重量份的粒状 SiC和 1 -4重量份的粒状 Al203。 9、按照权利要求 1所述的一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石 锯刀的制备方法， 其特征在于： 所述烧结金属基金刚石锯刀用于半导体 QFN 封装器件的单体化分割加工。 |
本发明涉及超硬材料工具制造领域， 特别涉及一种半导体 QFN (Quad Flat No-lead) 封装器件切割用高性能金属基金刚石复合材料 及其高精度薄 型锯刀产品的制备方法。 背景技术
QFN封装是当今半导体高端封装测试领域内的主 流技术之一， 在 IC器 件朝着高密度集成、 减小外形尺寸、 增强散热能力、 提高电学性能的发展方 向上具有明显优势。
QFN 封装基板是由铜引导框与树脂类聚合物模压注 塑而成， 其内包封 了一个或多个以堆叠或平铺排布的芯片晶粒及 其相关的互连引线， 总体厚度 在 0.8-1.0mm范围内。 其中铜引导框厚约 0.2mm， 表面通常覆镀 0.02mm 厚的锡或镍合金； 聚合物厚度为 0.6-0.8 mm, 并由环氧树脂填充无机填料 如 Si 2 0 3 或 Al 2 0 3 颗粒构成。 IC芯片晶粒经 QFN封装后， 为能获得在终端设备上的应用， 必须进行 每个独立功能芯片的单体化分割加工， 这是半导体产业链迄今不可逾越的一 道重要作业工序。
锯式切割是当前执行此工序的主导方法，所用 锯刀是一种类似于砂轮片 的金刚石工具， 主要由金刚石磨粒和结合剂胎体组成， 通常被安装在专用划 片机上， 依靠锯刀刃部出露的金刚石颗粒对封装基板实 施线性切割， 以获得 切割质量符合使用要求的单体芯片，其外形尺 寸通常在 3x3-7x7mm内变化。 基于终端使用要求， 单个芯片的形状、 尺寸等公差及其相关的崩边、 划 痕等缺陷作为在线切割质量的基本控制指标， 通常工况下均易实现。但关键 是控制在厚度方向上铜引线的纵向伸出量（Bur r毛刺）和在切割方向上的横 向延展量 （Smearing拖尾）。 目前行业大体要求是 Burr<50 m， Smearing
< 1/3-1/2 Pitch 如此看重这两项指标的变化， 主要是前者影响每个芯片与 测试连接器的适配性， 如适配不良也就无法顺利实施正常的测试， 从而视为 次品； 而后者则有可能导致互联线的短路， 损坏芯片应具有的使用功能。 此 外切割过程中如产生的切削热过大， 则可能导致铜引线特别是锡镀层软化乃 至烧熔， 从而使得芯片报废， 这是应严格杜绝的现象。 热固性树脂基金刚石锯刀作为当今业界切割 QFN 封装器件的唯一选 择， 有其显著的优点， 主要表现在径向与侧面良好的匹配磨损， 呈现近乎平 直过渡的刃部形貌， 保证了芯片的几何外形及尺寸要求， 并具有很强的金刚 石自锐能力， 切割锋利， 抑制了铜引线毛刺、 拖尾及翻边的产生与增大， 且 易形成较高的出刃度和较大的容屑空间， 有利于冷却及排屑， 不易堵塞， 防 止了因磨削过热而产生的粘刀或烧熔现象。
但从半导体封测产业发展需求看， 与目前行业普遍使用烧结金属基金刚 石锯刀切割 BGA ( Ball Grid Array) 封装体相比， 树脂基锯刀本身存在的弊 端尤为明显， 主要表现在两方面， 一是胎体对金刚石把持力非常有限， 并受 其自身抗磨性差的影响， 颗粒极易过早剥落， 导致磨损消耗过快， 切割长度 严重不足， 多则千米上下， 少则不过半数， 无助于降低生产成本。 常以提高 金刚石浓度 080%) 和增大颗粒尺寸 （45-75μΓΠ ) 延长使用寿命， 但收效 甚微； 另一是容易产生崩刃或脆裂等现象， 限制了切割效率的提升。 在实际 生产中，树脂基锯刀所承受的工件进给速度通 常设定在 35-45mm/s范围内， 超过此设定， 轻则导致芯片切割质量下降， 重则加快锯刀磨损甚至引起异常 失效。 这些都缘于胎体组成材料的特性。
树脂基锯刀受限于自身料性及其制备工艺，在 提高切割效率和延长使用 寿命方面难有更大的提升空间， 故有必要寻求并开发新的替代品， 以推动 QFN封装器件切割用锯刀产品的升级换代。
与树脂基锯刀相比， 烧结金属基锯刀的优势在于通过热压烧结， 金属胎 体几乎达到合金化程度，借助形成具有复杂点 阵结构的金属化合物起到的强 化作用， 赋予了弹性模量大、 屈服强度高、 抗磨性强等力学特性， 从而增强 了金属胎体与金刚石颗粒的紧密包镶， 建立了两者之间的强力把持机制， 金 属胎体与金刚石结合处无明显缝隙， 金刚石脱落坑表面近乎平整光滑。 这种 结合机制不仅牢固的地把持了金刚石颗粒， 也促使其形成高的出刃度， 保证 了锯刀切割的锋利性， 且沿着旋转方向， 易在金刚石切削刃前形成较大的容 屑槽， 有效地防止了碎屑堵塞并增强了冷却散热能力 。
因此， 探索该类锯刀的配方构成体系及其与之相适应 制备技术， 在保证 芯片在线切割质量的前提下， 大幅提高加工效率或延长使用寿命， 将有利于 降低生产成本。 正是基于此应用背景， 提出本发明对支撑 IC封测产业发展 具有重要意义。 发明内容
本发明立足向半导体高端封装测试领域， 针对 QFN封装技术普遍以铜 引导框架与高分子聚合物注塑模压而成的 IC芯片封装体， 在满足锯式切割 方法的工况要求下， 为了克服现有技术的缺点和不足， 旨在提供一种烧结金 属基金刚石锯刀的制备方法，使用该方法制得 的烧结金属基金刚石锯刀具有 使用寿命长、 切割效率高等特点。
为了实现上述发明目的， 本发明所采用以下技术方案：
一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制 备方法， 主要按 以下歩骤进行。
( 1 ) 组成设计与配制
按照 95-98重量份金属粉末和 2-5重量份无机填料的配比配制金属基胎 体， 其中金属粉末由 Cu、 Co和 Sn组成， 无机填料由颗粒状 SiC和 Al 2 0 3 组成。 将上述混合料置于混料机中湿混搅拌 3-5h使其均匀化后， 加入经过 筛分除垢的金刚石颗粒，搅拌 2-3h后获得成分均匀及金刚石均布的混合料， 再经制粒工序获得平均尺寸小于 1 mm的颗粒复合体。 其中金刚石的粒度为 25-75μΓΠ , 浓度为 45-78%。
(2) 冷压预成形
将上述混合料均布于钢制模具中， 封盖后放于压机下并施加 50-75MPa 的压力制得成形压坯， 经检验后置于石墨或钢制模具中以备热压烧结 。
(3) 热压烧结
将热压模具连同毛坯工件整体移入烧结炉内， 在升温速率 50-70°C/min、 烧结温度 600-800°C， 压制压力 25-35MPa、 保温保压时间 6-8min的工艺 条件下通过热压烧结制成烧结金属基金刚石锯 刀毛坯， 卸载空冷至室温。
(4) 加工成型
锯刀毛坯去除毛刺后利用慢走丝机床将其内孔 、外圆加工到所需尺寸以 满足装配需要； 利用双面磨床以游离 SiC磨料减薄锯刀毛坯到要求的厚度， 最终制得满足尺寸要求的金刚石锯刀。
与业界通用的 QFN封装器件切割用树脂基金刚石锯刀的制备方 法相比 较， 通过热压烧结技术制备金属基金刚石锯刀具有 工艺流程简单、 产品质量 稳定的特点。 藉助热压烧结工艺优势， 经化学反应在金属和金刚石之间形成 牢固的界面冶金结合， 增强胎体对金刚石颗粒的把持力， 使磨粒在切割加工 器件不易过早脱落， 从而有效的提高了金属基金刚石锯刀的使用寿 命。 具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。 实施例 1
一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制 备方法， 按以下 歩骤进行：
( 1 ) 组成设计与配制
首先， 按 98重量份的金属粉末和 2重量份的无机填料的配比配制金属 胎体， 其中金属粉末由 25重量份的 Cu、 8重量份的 Sn、 65重量份的 Co 组成， 无机填料由 1重量份的粒状 SiC和 1重量份的 Al 2 0 3 组成； 其次， 将 上述金属粉末和无机填料置于涡流混料机中湿 混搅拌 3.5h使其均匀化， 然 后加入经过筛分除垢金刚石颗粒， 搅拌 2h后获得成分均匀及金刚石均布的 混合料。 金刚石颗粒的体积百分比浓度为 50%， 粒度为 45μΓΠ， 金属粉末粒 度为 325目。
(2) 冷压预成形
将上述混合料均匀布于钢模磨具中， 封盖后放于压机的压板上， 提升至 与上压板接触并施加 50MPa的压力并保压 3s制得成形压坯，然后将成形压 坯置于石墨模具中。
(3) 热压烧结
将热压模具连同工件整体移入烧结炉内， 按模压压力 30MPa、 升温速 率 50°C/min、 烧结温度 600°C、 保温保压时间 8min的工艺参数设置热压烧 结工艺，通过热压烧结制备金属烧结金刚石锯 刀毛坯，最后卸载空冷至室温。
(4) 加工成型
外形切割： 锯刀毛坯去除毛刺后利用慢走丝机床将其内孔 、 外圆加工到 所需尺寸以满足装配需要， 其中内孔精度为 H5， 外圆公差为 ±0.005mm ; 厚度减薄：利用双面磨床以游离 SiC磨料减薄锯刀毛坯到要求的厚度及 精度 ±0.003mm， 最终制得满足尺寸要求的金刚石锯刀。
用制成的锯刀在专用划切机上切割 QFN 封装芯片， 切得芯片尺寸为 6x6x0.75mm。在主轴转速 25Krpm、进给速度 30mm/s、冷却水流量 2.0L/min 的工况条件下， 完全满足芯片在线切割质量指标， 特别是在其厚度方向上的 毛刺小于 15μίΠ， 在其侧边的延展量小于四分之一引线间距， 经反复测试认 定平均有效切割长度为 1900m， 是用户现用树脂基锯刀的 2.3倍以上。
实施例 2
一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制 备方法， 按以下 歩骤进行：
( 1 ) 组成设计与配制
首先， 按 95重量份的金属粉末和 5重量份的无机填料的配比配制金属 基胎体， 其中金属粉末包括 28重量份的 Cu、 7重量份的 Sn、 60重量份的 Co, 无机填料包括 2重量份的 SiC和 3重量份的 Al 2 0 3; 其次， 将上述金属 粉末和无机填料置于涡流混料机中湿混搅拌 4h使其均匀化， 再加入经过筛 分除垢的金刚石颗粒， 搅拌 2h后获得成份均匀及金刚石均布的混合料。 金 刚石颗粒的体积百分比浓度为 60%，粒度为 55μηι，金属粉末粒度为 400目。
(2) 冷压预成形
将上述混合料均匀布于钢模中， 封盖后放于压机下压板上， 提升至与上 压板接触并施加 55MPa的压力并保压 3s制得成形压坯，然后将成形压坯置 于石墨模具中。
(3) 热压烧结
将热压模具连同工件整体移入烧结炉内， 按模压压力 35MPa、 升温速 率 60°C/min、 烧结温度 650°C、 保温保压时间 7min的工艺参数设置热压烧 结工艺，通过热压烧结制得金属烧结金刚石锯 刀毛坯，最后卸载空冷至室温。
(4) 成型加工
外形切割： 锯刀毛坯去除毛刺后利用慢走丝机床将其内孔 、 外圆加工到 所需尺寸以满足装配需要， 其中内孔精度为 H5， 外圆公差为 ±0.005mm ; 厚度减薄：在精密磨床上利用双面游离 SiC磨料将锯刀毛坯研磨减薄至 所需厚度及精度 ±0.003mm， 最终制得满足尺寸要求的金刚石锯刀。
将制成的锯刀在专用划切机上切割 QFN 封装芯片， 切得芯片尺寸为 6x6x0.75mm 。 在主轴转速 25Krpm、 进给速度 40mm/s、 冷却水流量 2.0 L/min的切割条件下， 完全满足芯片在线切割质量指标， 特别是在其厚度方 向上的毛刺大小平均为 16μΓΠ， 在其侧向的延展量小于四分之一引线间距， 经反复测试认定平均有效切割长度为 2100m， 是用户现用树脂基锯刀的 2.5 倍以上。 实施例 3
一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制 备方法， 按以下 歩骤进行：
( 1 ) 组成设计与配制
首先， 按 97重量份的金属粉末和 3重量份的无机填料的配比配制金属 胎体，其中金属粉末包括 32重量份的 Cu、 6重量份的 Sn、 59重量份的 Co, 无机填料包括 1重量份的 SiC和 2重量份的 Al 2 0 3; 其次， 将上述金属粉末 和无机填料置于涡流混料机中湿混搅拌 4.5h使其均匀化， 再加入经过筛分 除垢的金刚石颗粒， 搅拌 2.5h后获得成分均匀及金刚石均布的混合料。 金 刚石颗粒的体积百分比浓度为 70%，粒度为 65μηι，金属粉末粒度为 325目。
(2) 冷压预成形
将上述混合料均匀布于钢模中， 封盖后放于冷压机下压板上， 提升至与 上压板接触并施加 60MPa的压力并保压 2s制得成形压坯，然后将成形压坯 置于石墨模具中。
(3) 热压烧结
将热压模具连同工件整体移入烧结炉内， 按模压压力 30MPa、 升温速 率 50°C/min、 烧结温度 700°C、 保温保压时间 6min的工艺参数设置热压烧 结工艺，通过热压烧结制备金属烧结金刚石锯 刀毛坯，最后卸载空冷至室温。
(4) 加工成型
外形切割： 锯刀毛坯去除毛刺后利用慢走丝机床将其内孔 、 外圆加工到 所需尺寸以满足装配需要， 其中内孔精度为 H5， 外圆公差为 ±0.005mm ;
厚度减薄：在双面磨床上用悬浮游离 SiC磨料研磨锯刀毛坯至要求的厚 度及精度 ±0.003mm， 最终制得满足尺寸要求的金刚石锯刀。
将制成的锯刀在专用划切机上切割 QFN 封装芯片， 切得芯片尺寸为
6x6x0.75mm 。 在主轴转速 25Krpm、 进给速度 45mm/s、 冷却水流量
2.0L/min的切割条件下， 完全满足芯片在线切割质量指标， 特别是在其厚度 方向上的毛刺小于 20μηι， 在其侧向延展量不超过 30μηι， 经反复测试认定 平均有效切割长度为 2300m， 是用户现用树脂基锯刀的 2.8倍以上。
实施例 4
一种 QFN封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制 备方法， 按以下 歩骤进行：
( 1 ) 组成设计与配制
首先， 按 96重量份的金属粉末和 4重量份的无机填料的配比配制金属 基胎体， 其中金属粉末包括 36重量份的 Cu、 5重量份的 Sn、 55重量份的 Co, 无机填料包括 2重量份的 SiC和 2重量份的 Al 2 0 3; 其次， 将上述金属 粉末和无机填料置于涡流混料机中湿混搅拌 4h使其均匀化， 再加入经过筛 分除垢的金刚石颗粒， 搅拌 2h后获得成分均匀及金刚石均布的混合料。 金 刚石颗粒的体积百分比浓度为 75%，粒度为 75μηι，金属粉末粒度为 400目。
(2) 冷压预成形
将上述混合料均匀布于钢模中， 封盖后放于压机下压板上， 提升至与上 压板接触并施加 70MPa的压力并保压 2s制得成形压坯，然后将成形压坯置 于石墨模具中。
(3) 热压烧结
将热压模具连同工件整体移入烧结炉内， 按模压压力 30MPa、 升温速 率 65°C/min， 烧结温度 750°C， 保温保压时间 6min的工艺参数设置热压烧 结工艺， 通过热压烧结制备金刚石烧结金刚石锯刀毛坯 ， 最后卸载空冷至室 温。
(4 ) 加工成型
外形加工： 锯刀毛坯去除毛刺后用慢走丝机床将其内孔、 外圆加工到所 需尺寸以满足装配需要， 其中内孔精度为 H5， 外圆公差为 ±0.005mm。
厚度减薄：在双面磨床上用游离 SiC磨料研磨锯刀毛坯至所需厚度及精 度 ±0.003mm， 最终制得满足尺寸要求的金刚石锯刀。
用制成的锯刀在专用划切机上切割 QFN 封装芯片， 切得芯片尺寸为 6x6x0.75mm 。 在主轴转速 25Krpm、 进给速度 50mm/s、 冷却水流量 2.0L/min的切割条件下， 完全满足芯片在线切割质量指标， 特别是在其厚度 方向上引线的毛刺小于 20μηι， 在其侧向延展量不超过 30μηι， 经反复测试 认定平均有效切割长度平均可达 2500m， 是用户现用树脂基锯刀的 3倍以 上。
Next Patent: APPARATUS FOR SINGLE-MOLECULE DETECTION