Прокатка металлов и способы его разделения

Технический прогресс в области Прокатное производство характеризуется в первую очередь  повышением качества прокатываемых  изделий, которое обеспечивало бы наиболее эффективное использование металла  потребителем. С этой целью прокатываемому изделию придаётся возможно более рациональная форма, способствующая снижению его массы, расширяется производство экономичных профилей проката, повышается точность его размеров, улучшаются прочностные и др. свойства металла, на его поверхность наносятся эффективные защитные покрытия. Одновременно снижается стоимость производственных затрат путём внедрения непрерывных процессов (от жидкого металла до готового проката), повышения скорости прокатки и автоматизации всех технологических процессов. 

Прокатный стан —  комплекс оборудования, в котором  происходит пластическая деформация металла  между вращающимися валками. 

Считается, что первый прокатный стан (с деревянными  валками) был сконструирован еще  Леонардо да Винчи. Первые прокатные  станы для производства полосового железа и мелкого сорта были изготовлены  еще в XVIII в. Они приводились во вращение от водяных колес. С развитием  железнодорожного транспорта значительно  увеличилась потребность в прокатной  продукции. Первые рельсы были чугунными, однако в начале XIX века в Англии перешли на производство железных рельсов. В 1828 году появился первый прокатный  стан для прокатки рельсов из пудлингового железа, а с 1825 года начали прокатывать  рельсы из бессемеровской стали. Рельсы были главным продуктом прокатного производства. Помимо рельсов надо было производить различные детали паровозов, броня требовалась и  для развития флота, в котором  деревянные корабли заменялись металлическими бронированными. Первый броневой прокатный  стан был сконструирован в 1859 году русским  механиком В.С. Пятовым. Все эти  станы были довольно примитивными: валки станок приводились во вращение от водяного колеса, а позднее- паровой машины. Перемещение горячего металла к стану и от него осуществлялось вручную. В одном из музеев старого уральского завода имеется картина: по железному горячему настилу с помощью крючков бригада рабочих передает раскаленную болванку к стану. Труд прокатчика был самым тяжелым на заводе.[1] 
 
 

В зависимости от профиля прокат делится на четыре основные группы: листовой, сортовой, трубный  и специальный. В зависимости  от того нагретая или холодная заготовка  поступает в прокатные валки  – горячий и холодный. 

Листовой прокат 

Листовой прокат из стали и цветных металлов подразделяется на толстолистовой (4…60 мм), тонколистовой (0,2…4мм) и жесть (менее 0,2 мм). Толстолистовой прокат получают в горячем состоянии, другие виды листового проката –  в холодном состоянии. 

Прокатку листов и полос проводят в гладких  валках. 

Сортовой прокат 

Среди сортового  проката различают: 

1. Заготовки круглого, квадратного и прямоугольного  сечения для ковки и прокатки; 

2. Простые сортовые  профили (круг, квадрат, шестигранник, полоса, лента); 

3. Фасонные сортовые  профили: 

профили общего назначения (уголок, швеллер, тавр, двутавр); 

профили отраслевого  назначения (железнодорожные рельсы, автомобильный обод); 

профили специального назначения (профиль для рессор, напильников). 

Трубный прокат 

Трубный прокат получают на специальных трубопрокатных станах. Различают бесшовные горячекатаные  трубы диаметром 25…550 мм и сварные  диаметром 5…2500 мм. Трубы являются продуктом  вторичного передела круглой и плоской  заготовки. 

Общая схема процесса производства бесшовных труб предусматривает  две операции: 1– получение толстостенной  гильзы (прошивка); 2 – получение  из гильзы готовой трубы (раскатка). 

Первая операция выполняется на специальных прошивочных  станах в результате поперечно-винтовой прокатки. Вторую операцию выполняют  на трубопрокатных раскатных станах различных конструкций: пилигримовых, автоматических и др.

Технология производства интегральных схем на стадии подготовки кристаллов и плат к сборке в корпусах предусматривает разделение полу проводниковой пластины, диэлектрической подложки с функциональными схемами на отдельные кристаллы (платы). Полупроводниковая пластина поступающая на операцию разделения и аккумулирующая в себе значительные трудовые и материальные' затраты, обладает большой стоимостью. Это обстоятельство налагает высокую ответственность на операцию разделения, определяет ее важное место во всей технологической цепочке производства.  

Требования к операции разделения пластин формируются  в соответствии с требованиями, предъявленными к кристаллу. Основными и них  являются высокий процент выхода годных кристаллов; геометрическая точность кристаллов; низкий уровень сколов по краям кристаллов.  

Традиционные методы резки, применяемые в металлообрабатывающей  промышленности, Не Всегда могут быть использованы, т. к. Полупроводниковые материалы отличаются высокой твёрдостью и хрупко стыо. Кроме того, традиционная механическая резка сопряжена < большими потерями дорогостоящего полупроводникового материала Наибольшее распространение в технологии микроэлектроники получили следующие способы разделения пластин на кристаллы:  

резка пластин на кристаллы диском с наружной режущей  кромкой или с применением  абразива;  

резка пластин на Кристаллы стальными полотнами  и проволокой с применением абразива;  

разделение пластин  на кристаллы скрайбированием с последующей ломкой;  

ультразвуковая резка  пластин;  

разделение пластин  на кристаллы травлением.  

Из перечисленных  способов наибольшее распространение  нашли: резка алмазным режущим диском, скрайбирование алмазным резцом и ла зерное скрайбирование с последующей ломкой.  

Резка алмазным режущим  диском (ДАР) наиболее простой и легко  осуществимый в Производственных условиях способ резки полупроводниковых  материалов. Алмазная кромка диска "обладает высокой режущей способностью.  

Механизм резки  полупроводникового материала ДАР  следующий: каждое алмазное зерно представляет собой микрорезец, который снимает мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Резка производится на высоких скоростях (около 5000 об/мин), с одновременным участием в резании большого количества алмазных зёрен, и результате чего достигается высокая производительность обработки. При резке выделяется большое количество тепла, поэтому ДАР необходимо охлаждать водой или специальной охлаждающей жидкостью.  

На рисунке 1 показана схема резки полупроводниковой  пластины диском с наружной алмазной режущей кромкой. Диск 1 устанавливается  на шпинделе станка и зажимается с  двух сторон фланцами 2. В процессе резания  алмазный режущий диск вращается  с большой скоростью и охлаждается  жидкостью 3. Разрезаемую полупроводниковую  пластину 4 закрепляют клеящей мастикой 5 на основание 6.  
 
 

Рисунок 1. Схема резки  полупроводниковой пластины диском с наружной алмазной режущей кромкой. 

Для увеличения производительности на шпинделе станка через прокладку  размещают несколько ДАР (в среднем  до 200). Толщину прокладок выбирают в зависимости от требуемых размеров обработки.  

Основным недостатком  резки диском с наружной режущей  кромкой являлась" невысокая жесткость  Инструмента (ДАР), зависящая в основном от соотношения его размеров (толщины  и внешнего диаметра). Один из путей  повышения жесткости инструмента (ДАР) - увеличение скорости его вращения. Возникающие 'при этом центробежные силы направляют по радиусу ДАР, придают  ему дополнительную жесткость, однако при большом числе оборотов (свыше 10 000 об/мин) возникают вибрации станка и режущего инструмента.  

Другой путь увеличения жесткости - это применение более  толсто основы ДАР, однако при этом получается большая ширина пропила, также увеличиваются потери полупроводникового материала.  

Жесткость инструмента  может быть увеличена также за счет уменьшения разности внешнего диаметра ДАР и прижимных фланцев или  прокладок. Установлено, что ДАР  будет обладать большей жесткостью, если режущая кромка выступает за края прокладок не более чем на 1,5 толщины разрезаемого материала. 

Современный ДАР (рисунок 2) представляет собой алюминиевый  корпус, на котором электрохимическим  методом осажден никель (в качестве связующего материала) с различными абразивными включениями (для разделения полупроводниковых пластин, например, используют мелкие зёрна алмаза размером 3-5 мкм), а затем с части корпуса  никель удален хим1 ческйм травлением для вскрытия режущей Кромки.  
 
 

Рисунок 2. Современный  ДАР:  

1 - прижимная прокладка; 2 - адгезионный материал; 3 - абразивный  слой; 4 - алюминиевый корпус; b - толщина  лезвия; h - высота лезвия; d - посадочный  диаметр ДАР; p - внешний (рабочий)  диаметр ДАР 

При резке пластин  ДАР на скоростях вращения инструмента  выше 6700 об/с вследствие интенсификации гидромеханических процессов возраста величина сколов в зоне реза. Проблема устранения этих явлений была решена в конструкции диска, где за счёт введения тонкого слоя алмазно-адгезионного материала между абразивным слоем режущей кромки опорным кольцом диска обеспечивается поглощение энергии колебаний стоячих волн в режущей кромке и обеспечивается более высокое качество юза.  

Усовершенствованным вариантом ДАР является конструкция, представляющая собой тончайшее  лезвие в форме круга, основой  которого является эластичный компаунд с равномерно распределенными в  нём по объёму алмазными зёрнами. Гонкое лезвие зажимается между двумя  обкладками, придающими ему жёсткость. Такой диск обеспечивает получение  ширины реза, равной его толщине.  

Алмазный режущий  диск - своеобразный абразивный инструмент, и поэтому боковые плоскости  кристалла имеют вид шлифованной  поверхности. Благодаря использованию  высоких скоростей движения ДАР  можно резать хрупкие, твёрдые и  другие материмы. Качество разделения пластин и износостойкость дисков определяется, в первую очередь, точностью  оборудования и правильным выбором  технологических режимов резания. Выбор оптимального технологического режима обработки определяется свойствами обрабатываемых материалов, глубиной резки и допустимым уровнем сколов.  

При разделении полупроводниковых  пластин на кристаллы с сохранением  ориентации дисковую резку проводят на эластичных адгезионных носителях, представляющих собой полимерные ленты  с адгезионным слоем на поверхности, либо на жёстких подложках, в качестве которых могут использоваться бракованные  кремниевые пластины, графит, керамика и другие материалы. Для закрепления  пластины чаще всего используют “электронный”  воск.  

При использовании  гибкого носителя пластины надрезаются  до минимальной перемычки (~10мкм). Операция разламывания на кристаллы, характерная  при скрайбировании, отсутствует, а осуществляется непосредственно на операции монтажа, где каждый из кристаллов снимается с адгезионного носителя с подколом. Качество этого процесса в значительной степени определяется свойствами адгезионного носителя, обеспечивающего ориентацию кристаллов при обработке и межоперационной транспортировке. Адгезионный носитель по физико-химическим свойствам должен быть совместим с кремниевым, а также обладать исключительной равномерностью клеевого покрытия, стабильностью адгезионных свойств в воде (отмывка в воде после резки), высокой пластичностью (растягиваться в 1,5-2 раза) и способностью сохранять напряжённое состояние при растягивающих усилиях.  

При выборе типа адгезионного носителя необходимо учитывать размеры  кристаллов: чем больше кристалл тем меньшей адгезией должен область носитель. Это требование определяется необходимостью беспрепятственного съёма при монтаже.  

Полупроводниковая пластина, наклеенная на адгезионный  носитель - ленту для сохранения ориентации разделённых кристаллов, закрепляется в кассете, обеспечивающей натяжение ленты. Такие кассеты  выпускаются двух типов в различном  конструкторском исполнении кольцеобразные и прямоугольные.  

Скрайбирование является одним из методов разделения пластин на кристаллы, заключающееся в том, что на поверхность Полупроводниковой пластины резцом, лазерным лучом или другими способами наносят неглубокую риску (англ. scribe), вокруг которой концентрируются механические напряжения, ослабляющие материалы. Основным достоинством метода скрайбирования наряду с высокой производительностью и культурой производства является: малая ширина прорези, а, следовательно, и отсутствие потерь полупроводникового, материала, которых невозможно избежать при использовании других методов разделения пластины на кристаллы. Наиболее широко скрайбирование используют в планарной технологии изготовления ИС, когда на пластине уже сформированы полупроводниковые структуры.