1. Wprowadzenie
Polerowanie dwustronne (DSP) stanowi ostatni i najważniejszy etap obróbki mechanicznej płytek ze szkła krzemionkowego. Jest to również najdłuższy etap obróbki, który ma decydujący wpływ na jakość gotowego produktu.
W trakcie tego procesu do typowych wad powierzchniowych zaliczają się wgłębienia, zadrapania, odpryski na krawędziach, pęknięcia oraz całkowite pęknięcie płytki. Spośród nich wgłębienia i zadrapania często można zminimalizować, a nawet naprawić poprzez optymalizację procesu i kontrolę warunków otoczenia. Natomiast odpryski na krawędziach, pęknięcia i całkowite pęknięcie płytki są wadami nieodwracalnymi, które bezpośrednio prowadzą do odrzucenia płytki.
W przypadku ultracienkich płytek z krzemionki topionej wady związane z pękaniem pozostają głównym wyzwaniem w dążeniu do uzyskania wysokiej wydajności i stabilnej produkcji.
2. Rodzaje ubytków po złamaniach
Uszkodzenia w postaci pęknięć w płytki szklane zazwyczaj obejmują trzy kategorie:
- Odpryskiwanie krawędzi (pękanie krawędzi)
Zazwyczaj definiuje się to jako widoczne uszkodzenia krawędzi lub brakujące fragmenty o długości powyżej 0,3 mm. - Rozprzestrzenianie się pęknięć
Pęknięcia często powstają w miejscach wyszczerbionych krawędzi i stopniowo rozprzestrzeniają się w głąb płytki. - Całkowite złamanie (pęknięcie)
Gdy podczas dalszej obróbki lub przenoszenia pęknięcia rozprzestrzeniają się pod wpływem naprężeń, dochodzi do katastrofalnej awarii płytki.
W praktyce przemysłowej, po wykryciu odprysków na krawędziach płytka jest zazwyczaj klasyfikowana jako produkt wadliwy i wycofywana z dalszej obróbki, ponieważ istnieje wysokie ryzyko jej uszkodzenia na kolejnych etapach produkcji.
3. Powstanie pęknięcia podczas polerowania dwustronnego
Podczas procesu DSP płytka poddawana jest złożonemu przebiegowi ruchu, którego przyczyną są:
- Obrót górnej płyty
- Obrót dolnej płyty
- Obrót koła słonecznego
- Ruch nośnika (koła planetarnego)
W tych warunkach płytka podlega ruchowi będącemu połączeniem ruchu obrotowego i samobiegu, co sprawia, że precyzyjna analiza naprężeń staje się niezwykle złożona.
Statystyki produkcyjne wskazują jednak na wyraźną tendencję: pęknięcia prawie zawsze powstają na krawędzi płytki. Świadczy to o tym, że wytrzymałość krawędzi płytki jest głównym czynnikiem decydującym o charakterze pękania.
4. Wytrzymałość krawędzi jako główny czynnik powodujący uszkodzenia
Odporność na pękanie płytki z krzemionki topionej zależy przede wszystkim od wytrzymałości jej krawędzi.
W celu poprawy stabilności mechanicznej płytki są zazwyczaj poddawane fazowanie krawędzi (skosowanie), co pomaga zmniejszyć koncentrację naprężeń na krawędziach. Odpowiednio zaprojektowana fazka znacznie poprawia odporność na pękanie.
Jednak nawet przy zastosowaniu zabezpieczenia krawędzi niewłaściwe parametry obróbki lub nadmierne obciążenie mechaniczne mogą nadal prowadzić do powstania uszkodzenia w obszarze fazowania.
5. Analiza naprężeń na krawędzi płytki półprzewodnikowej
Podczas procesu DSP krawędź płytki poddawana jest działaniu kombinacji sił:
- F₁: Siła nacisku w pionie
Wynika to głównie z nacisku wywieranego przez górną płytę podczas polerowania. - F₂: Siła pozioma
Głównie spowodowane siłami odśrodkowymi powstającymi podczas obrotu oraz siłą reakcji ze strony systemu nośnego.
Na krawędzi sfazowanej siły te można rozłożyć na:
- Siły normalne działające prostopadle do powierzchni fazy
- Siły styczne równoległe do powierzchni fazy
Łączny stan naprężeń można przedstawić jako superpozycję:
- Naprężenia normalne (składowe ściskające/rozciągające)
- Naprężenie ścinające (składowe poślizgowe)
Gdy naprężenia te przekraczają granicę wytrzymałości mechanicznej krzemionki topionej, dochodzi do powstania pęknięcia, które zazwyczaj zaczyna się na krawędzi i rozprzestrzenia się do wewnątrz.
6. Mechanizm uszkodzeń w ultracienkich płytkach półprzewodnikowych
W przypadku ultracienkich płytek z krzemionki topionej (o grubości zazwyczaj poniżej 0,3 mm) ryzyko pęknięcia znacznie wzrasta z powodu kilku czynników:
6.1 Obniżona wytrzymałość konstrukcyjna
Wraz ze spadkiem grubości ogólna sztywność mechaniczna płytki znacznie się zmniejsza, co sprawia, że staje się ona bardziej wrażliwa na naprężenia zewnętrzne.
6.2 Zmniejszony obszar ochrony fazy
W przypadku ultracienkich płytek objętość fazowania oraz powierzchnia styku są znacznie mniejsze. W rezultacie osłabia się ochronne działanie fazowania krawędzi.
6.3 Zwiększona koncentracja naprężeń
W tych samych warunkach polerowania:
- Powierzchnia styku zmniejsza się
- Wzrasta naprężenie lokalne na jednostkę powierzchni
- Koncentracja naprężeń na krawędzi znacznie wzrasta
Prowadzi to do gwałtownego wzrostu zarówno naprężeń normalnych, jak i ścinających na krawędzi.
7. Wnioski
Uszkodzenia w postaci pęknięć w płytkach ze szkła krzemionkowego podczas polerowania dwustronnego wynikają przede wszystkim z nadmiernych naprężeń występujących na krawędzi płytki. Gdy łączna wartość naprężeń normalnych i ścinających przekroczy granicę wytrzymałości mechanicznej materiału, dochodzi do odprysków na krawędziach, rozprzestrzeniania się pęknięć i ostatecznego pęknięcia.
Wafle ultracienkie są szczególnie podatne na uszkodzenia ze względu na zmniejszoną grubość, osłabioną ochronę krawędzi oraz zwiększoną koncentrację naprężeń.
W związku z tym poprawa wydajności produkcji płytek wymaga szczególnego skupienia się na:
- Optymalizacja wytrzymałości krawędzi
- Udoskonalenie konstrukcji fazowania
- Regulacja ciśnienia polerowania
- Optymalizacja prędkości obrotowej
- Poprawa stabilności procesu
Dzięki starannemu kontrolowaniu tych czynników można znacznie zmniejszyć ryzyko pękania, co przekłada się na wyższą wydajność i większą niezawodność procesu produkcji płytek z krzemionki topionej.
