JP2006319214A - Ultrasonic vibration cutting equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,超音波振動切削装置に関し,特に,切削ブレードを径方向に超音波振動させて被加工物を切削する超音波振動切削装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic vibration cutting device, and more particularly to an ultrasonic vibration cutting device that cuts a workpiece by ultrasonically vibrating a cutting blade in a radial direction.
半導体ウェハ等の被加工物をチップ状に分割するために,切削砥石である切削ブレードによって半導体ウェハを格子状に切削加工するダイシング装置等の切削装置が知られている。このような切削装置においては,加工点における温度上昇を抑えることや,切削抵抗を増加させずにチッピングを減少させることが継続的な課題となっている。かかる課題の解決手段として,超音波振動を利用して切削することが検討されている。なお,超音波とは,人間の可聴周波数以上の音域(約20kHz以上)のことである。 In order to divide a workpiece such as a semiconductor wafer into chips, a cutting apparatus such as a dicing apparatus that cuts a semiconductor wafer into a lattice with a cutting blade that is a cutting grindstone is known. In such a cutting apparatus, it is a continuous problem to suppress the temperature rise at the processing point and to reduce chipping without increasing the cutting resistance. As means for solving such a problem, cutting using ultrasonic vibration has been studied. In addition, an ultrasonic wave is a sound range (about 20 kHz or more) above a human audible frequency.
このような超音波振動を利用した切削方法の一例として,特許文献1には,切削ブレードを超音波振動させて切削することが記載されている。この方法では,切削ブレードをその厚さ方向(回転軸方向)に撓ませるようにして超音波振動させており,超音波振動する切削ブレードによって半導体ウェハの切削溝を広げるような力が働くため,どうしても切削抵抗が増加し,チッピングが発生し易い,という問題があった。 As an example of a cutting method using such ultrasonic vibration, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes cutting by causing a cutting blade to vibrate ultrasonically. In this method, the cutting blade is ultrasonically vibrated so as to bend in the thickness direction (rotation axis direction), and a force that widens the cutting groove of the semiconductor wafer by the ultrasonically vibrating cutting blade works. There was a problem that cutting resistance increased and chipping was likely to occur.
このような問題を解決する方法として,例えば特許文献2には,切削ブレードをその径方向に超音波振動させて被加工物を切断する方法が記載されている。この方法では,切削ブレードが取り付けられたスピンドルの回転軸方向に超音波振動を伝達させ,切削ブレードと共に取り付けられた振動伝達方向変換部によって振動方向を変換して,切削ブレードを径方向に振動させている。
As a method for solving such a problem, for example,
このように,径方向に超音波振動させた切削ブレードによって被加工物を切削加工することにより,超音波振動させていない切削ブレードによる通常の切削加工と比較して,(1)切削抵抗を低減できるため,チッピングを抑制できる,(2)加工点に切削水が供給され易くなるため,加工点における温度上昇が抑えられ,熱による歪が生じ難い,(3)振動により切削ブレードに付着したコンタミネーションが振り落とされるため,切削ブレードにコンタミネーションが付着しない,(4)切削ブレードに対する負担が軽減され寿命が延びる,といった利点がある。 In this way, by cutting the workpiece with a cutting blade that is ultrasonically vibrated in the radial direction, (1) cutting resistance is reduced compared to normal cutting with a cutting blade that is not ultrasonically vibrated. Therefore, chipping can be suppressed. (2) Since cutting water is easily supplied to the machining point, the temperature rise at the machining point is suppressed and distortion due to heat hardly occurs. (3) Contamination adhered to the cutting blade by vibration. Since the nation is shaken off, there is an advantage that no contamination adheres to the cutting blade, and (4) the burden on the cutting blade is reduced and the life is extended.
上記のような超音波振動切削装置では,切削ブレードと共に取り付けられた振動伝達方向変換部によって,切削ブレードを径方向に振動させるために,切削ブレードの形状や大きさ,スピンドルの長さや径,または超音波振動子の出力だけでなく,切削ブレードおよび超音波振動子がスピンドルに取り付けられる位置まで,正確に設計しなければならない。 In the ultrasonic vibration cutting apparatus as described above, in order to vibrate the cutting blade in the radial direction by the vibration transmission direction changing portion attached together with the cutting blade, the shape and size of the cutting blade, the length and diameter of the spindle, or Not only the output of the ultrasonic transducer, but also the position where the cutting blade and ultrasonic transducer are attached to the spindle must be designed accurately.
通常,上記超音波振動切削装置では,超音波振動子から伝達される振動波形の最小振動振幅点を,振動伝達方向変換点とし,この振動伝達方向変換点と同一位置若しくはその近傍の位置に,切削ブレードが配置されている。この振動伝達方向変換点において,超音波振動の伝達方向が,スピンドルの軸方向(以下,単に「軸方向」という場合もある。)から,切削ブレードの径方向(以下,単に「径方向」という場合もある。)に変換される。このように伝達方向が径方向に変換された超音波振動の振動波形における最大振動振幅点が,切削ブレードの刃先位置に位置するように,切削ブレードのブレード径や超音波振動の周波数等が調整されている。 Usually, in the above ultrasonic vibration cutting apparatus, the minimum vibration amplitude point of the vibration waveform transmitted from the ultrasonic vibrator is set as the vibration transmission direction conversion point, and at the same position as or near the vibration transmission direction conversion point, A cutting blade is arranged. At this vibration transmission direction conversion point, the transmission direction of ultrasonic vibration is changed from the axial direction of the spindle (hereinafter sometimes simply referred to as “axial direction”) to the radial direction of the cutting blade (hereinafter simply referred to as “radial direction”). In some cases.) The blade diameter of the cutting blade, the frequency of the ultrasonic vibration, etc. are adjusted so that the maximum vibration amplitude point in the vibration waveform of the ultrasonic vibration whose transmission direction is converted into the radial direction is located at the cutting edge position of the cutting blade. Has been.
よって,上記振動伝達方向変換点や上記最大振動振幅点が予定した位置から少しずれただけでも,切削ブレードの径方向の超音波振動が十分な振幅を得られないおそれや,切削ブレードが超音波振動しないおそれがある。 Therefore, there is a possibility that the ultrasonic vibration in the radial direction of the cutting blade cannot obtain a sufficient amplitude even if the vibration transmission direction conversion point or the maximum vibration amplitude point is slightly deviated from the planned position. May not vibrate.
このような理由から,上記超音波振動の波形を好適に伝達および変換するためには,できるだけスピンドルと切削ブレードとを一体的に構成されていることが好ましい。しかし,切削ブレードは消耗品のために,スピンドルと一体的に構成してしまうと,スピンドルまで交換することになり,現実的ではない。したがって,スピンドルと切削ブレードとをできるだけ一体的に構成できるように,砥石部と基台部とが一体的に構成された切削ブレード(ハブブレード)を使用し,切削ブレードの基台部の一側には,スピンドルと同一の径を持った接合部を設けて,スピンドルの先端部に接合する。そして,切削ブレードの基台部の他側から,スピンドルと同一の径を有するスペーサを介して,ボルトで接合することによって,切削ブレードをスピンドルに対して一体的に構成できるようにしている。 For this reason, in order to suitably transmit and convert the ultrasonic vibration waveform, it is preferable that the spindle and the cutting blade are integrally formed as much as possible. However, because the cutting blade is a consumable part, if it is configured integrally with the spindle, the spindle will be replaced, which is not practical. Therefore, a cutting blade (hub blade) in which the grinding wheel portion and the base portion are integrally formed is used so that the spindle and the cutting blade can be configured as integrally as possible, and one side of the base portion of the cutting blade is used. Is provided with a joint having the same diameter as the spindle and joined to the tip of the spindle. Then, the cutting blade can be integrally formed with the spindle by joining from the other side of the base portion of the cutting blade with a bolt via a spacer having the same diameter as the spindle.
このスペーサは,スピンドルから伝達される超音波振動波が,スピンドル方向の先端部において,最大振動振幅点となるように調整するために使用されている。なお,スペーサは切削ブレードと一体的に形成しても良いが,切削ブレードが取り扱い難くなるだけでなく,切削ブレードは上述したように消耗部材であり,コストを上昇させる要因ともなるため,分離できる構成が好ましい。 This spacer is used to adjust the ultrasonic vibration wave transmitted from the spindle so that it becomes the maximum vibration amplitude point at the tip in the spindle direction. The spacer may be formed integrally with the cutting blade, but it is not only difficult to handle the cutting blade, but the cutting blade is a consumable member as described above, and it can be separated because it increases the cost. A configuration is preferred.
また,切削ブレードは,効率良く超音波振動を伝達するためには,少なくとも超音波が振動するスピンドル軸方向および超音波振動が変換される切削ブレードの径方向に対して対称構造になっていることが望ましい。そのため,切削ブレードの基台部を円柱形状とし,その基台部に電着によって砥石部を形成させ,切削ブレードを構成している。 In order to transmit ultrasonic vibration efficiently, the cutting blade must have a symmetrical structure at least with respect to the spindle axis direction in which the ultrasonic vibration vibrates and the radial direction of the cutting blade to which the ultrasonic vibration is converted. Is desirable. Therefore, the base part of the cutting blade has a cylindrical shape, and a grinding wheel part is formed on the base part by electrodeposition to constitute the cutting blade.
しかしながら,このような切削ブレードやスペーサは,どのような大きさや形状であってもよいというわけでなく,ある一定の範囲や規則の中で決定しなければ,効率良く超音波振動させることはできない,という問題があった。特に,ガラスやQFN基板などの難加工材を切削する際は,効率よく超音波振動させて十分な振幅が得られるようにすることが重要である。 However, such cutting blades and spacers do not have any size or shape, and unless they are determined within a certain range or rule, they cannot be vibrated efficiently. There was a problem. In particular, when cutting difficult-to-work materials such as glass and QFN substrates, it is important to obtain sufficient amplitude by efficient ultrasonic vibration.
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的は,切削ブレードやスペーサの大きさや形状を最適化することにより,効率良く超音波振動させて,難加工材でも問題なく切削することが可能な,新規かつ改良された超音波振動切削装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is to optimize the size and shape of the cutting blade and spacer to efficiently ultrasonically vibrate, so that even difficult-to-work materials are problematic. It is an object of the present invention to provide a new and improved ultrasonic vibration cutting apparatus capable of cutting without any problems.
上記課題を解決するために,本発明のある観点によれば,スピンドルと,スピンドルを回転可能に支持するスピンドルハウジングと,スピンドルの先端部に装着される切削ブレードと,スピンドルに設けられスピンドルを超音波振動させる振動子とを備え,振動子からスピンドルを介して伝達される超音波振動の振動方向を変換し,切削ブレードを径方向に超音波振動させて被加工物を切削する超音波振動切削装置が提供される。 In order to solve the above-described problems, according to one aspect of the present invention, a spindle, a spindle housing that rotatably supports the spindle, a cutting blade that is attached to the tip of the spindle, and a spindle provided on the spindle that exceeds the spindle. Ultrasonic vibration cutting, which includes a vibrator for ultrasonic vibration, converts the vibration direction of ultrasonic vibration transmitted from the vibrator through the spindle, and cuts the workpiece by ultrasonically vibrating the cutting blade in the radial direction An apparatus is provided.
上記超音波振動切削装置において,上記切削ブレードは,スピンドルの先端部と略同一の径を有する略円柱状の一対の接合部と,一対の接合部間に配置され接合部よりも大きな径を有する略円柱状の基台部と,基台部に取り付けられる砥石部とを有するとともに,スピンドルの軸方向および切削ブレードの径方向に対称となるように構成され,かつ,一対の接合部のうち,一方の接合部を,スピンドルの先端部と接合させ,他方の接合部を,スピンドルの先端部と略同一の径を有する略円柱状のスペーサと接合させて,このスペーサで挟持することによりスピンドルの先端部に装着される。 In the ultrasonic vibration cutting apparatus, the cutting blade has a pair of substantially cylindrical joints having substantially the same diameter as the tip of the spindle, and a larger diameter than the joints disposed between the pair of joints. It has a substantially cylindrical base part and a grindstone part attached to the base part, and is configured to be symmetric with respect to the axial direction of the spindle and the radial direction of the cutting blade. One of the joints is joined to the tip of the spindle, and the other joint is joined to a substantially cylindrical spacer having the same diameter as the tip of the spindle. Attached to the tip.
さらに,上記切削ブレードと上記スペーサは,基台部の径をd1,接合部の径をd2,切削ブレード全体の厚みをL1,スペーサの厚みをL2,基台部の厚みをL3,基台部に伝達される超音波の波長をλとしたときに,下記式(1),(2),(3)および(4)の関係を満たすことを特徴とする。 Further, the cutting blade and the spacer have the base part diameter d 1 , the joint part diameter d 2 , the entire cutting blade thickness L 1 , the spacer thickness L 2 , and the base part thickness L 3. When the wavelength of the ultrasonic wave transmitted to the base portion is λ, the following expressions (1), (2), (3) and (4) are satisfied.
L1/2+L2=λ/4 ・・・(1)
2.0≦L1/L3≦6.0・・・(2)
2.5≦d1/L1≦8.5・・・(3)
0.3≦d2/d1≦0.5・・・(4)
L 1/2 + L 2 = λ / 4 ··· (1)
2.0 ≦ L 1 / L 3 ≦ 6.0 (2)
2.5 ≦ d 1 / L 1 ≦ 8.5 (3)
0.3 ≦ d 2 / d 1 ≦ 0.5 (4)
ここで,切削ブレード全体の厚みL1とは,基台部の厚みL3と基台部を挟持するように基台部の両側に配置された一対の接合部の厚みの合計(スピンドル側の接合部の厚み+基台部の厚み+スペーサ側の接合部の厚み)を意味している。 Here, the total thickness L 1 of the cutting blade is the sum of the thickness L 3 of the base portion and the thickness of a pair of joint portions disposed on both sides of the base portion so as to sandwich the base portion (on the spindle side) It means the thickness of the joining portion + the thickness of the base portion + the thickness of the joining portion on the spacer side).
また,上記超音波振動切削装置においては,上記超音波の波長λは,50mm〜312.55mmとなるように調整される。このようにλを50mm〜312.55mmとしたのは,切削ブレードに超音波が伝わる伝播速度は5000m/s程度であり,また,被加工物を加工する場合の共振周波数の実用範囲は16〜100kHzとなるからである。 In the ultrasonic vibration cutting apparatus, the wavelength λ of the ultrasonic wave is adjusted to be 50 mm to 312.55 mm. The reason why λ is 50 mm to 312.55 mm is that the propagation speed of ultrasonic waves transmitted to the cutting blade is about 5000 m / s, and the practical range of the resonance frequency when machining the workpiece is 16 to This is because it becomes 100 kHz.
なお,上記超音波振動切削装置は,振動子によって切削ブレードに伝達される超音波振動の最大振動振幅点がスペーサの先端部となり,最小振動振幅点が切削ブレードの砥石部の装着位置またはその近傍となるように構成されている。 In the ultrasonic vibration cutting apparatus, the maximum vibration amplitude point of ultrasonic vibration transmitted to the cutting blade by the vibrator is the tip of the spacer, and the minimum vibration amplitude point is at or near the mounting position of the grinding wheel portion of the cutting blade. It is comprised so that.
かかる構成を有することにより,本発明に係る超音波振動切削装置によれば,切削ブレードやスペーサの大きさおよび形状を上述したように設計することにより,効率良く超音波振動させることができる。したがって,本発明に係る超音波振動切削装置は,十分な大きさの切削ブレードの径方向の振幅(例えば,5μm以上の振幅)を得ることができるので,難加工材でも問題なく切削することが可能となる。 With this configuration, according to the ultrasonic vibration cutting device according to the present invention, it is possible to efficiently perform ultrasonic vibration by designing the size and shape of the cutting blade and the spacer as described above. Therefore, the ultrasonic vibration cutting device according to the present invention can obtain a sufficiently large radial amplitude (for example, an amplitude of 5 μm or more) of the cutting blade, so that even difficult-to-work materials can be cut without problems. It becomes possible.
本発明によれば,切削ブレードやスペーサの大きさおよび形状を上述したように設計することにより,効率良く超音波振動させて,十分な大きさの切削ブレードの径方向の振幅を得ることができるので,難加工材でも問題なく切削することが可能な,超音波振動切削装置を提供することができる。 According to the present invention, by designing the size and shape of the cutting blade and spacer as described above, it is possible to efficiently vibrate ultrasonically and obtain a sufficiently large radial amplitude of the cutting blade. Therefore, it is possible to provide an ultrasonic vibration cutting device capable of cutting even difficult-to-work materials without any problem.
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(ダイシング装置10の全体構成)
まず,図1に基づいて,本発明の第1の実施形態に係る超音波振動切削装置の一例として構成されたダイシング装置10の全体構成について説明する。なお,図1は,本実施形態に係るダイシング装置10を示す全体斜視図である。
(Overall configuration of dicing apparatus 10)
First, based on FIG. 1, the whole structure of the
図1に示すように,ダイシング装置10は,例えば,半導体ウェハなどの被加工物12を切削加工する切削ユニット20と,被加工物12を保持する保持手段であるチャックテーブル15と,切削ユニット移動機構(図示せず)と,チャックテーブル移動機構(図示せず)とを備える。
As shown in FIG. 1, the dicing
切削ユニット20は,スピンドルに装着された砥石部22を備えている。この切削ユニット20は,径方向に超音波振動する砥石部22を高速回転させながら被加工物12に切り込ませることにより,被加工物12を切削して極薄のカーフ(切溝)を形成することができる。
The cutting
また,チャックテーブル15は,例えば,上面が略平坦な円盤状のテーブルであり,その上面に真空チャック(図示せず)等を具備している。このチャックテーブル15は,例えば,ウェハテープ13を介してフレーム14に支持された状態の被加工物12が載置され,この被加工物12を真空吸着して安定的に保持することができる。
The chuck table 15 is, for example, a disk-shaped table having a substantially flat upper surface, and is provided with a vacuum chuck (not shown) on the upper surface. For example, the
切削ユニット移動機構は,切削ユニット20を,Y軸方向に移動させる。このY軸方向は,切削方向(X軸方向)に対して直交する水平方向であり,例えば,切削ユニット20内に配設されたスピンドルの軸方向である。このようなY軸方向の移動により,切削ブレードの刃先を被加工物12の切削位置(切削ライン)に位置合わせすることができる。また,この切削ユニット移動機構は,切削ユニット20をZ軸方向(垂直方向)にも移動させる。これにより,被加工物12に対する砥石部22の切り込み深さを調整することができる。
The cutting unit moving mechanism moves the cutting
チャックテーブル移動機構は,通常のダイシング加工時には,被加工物12を保持したチャックテーブル15を切削方向(X軸方向)に往復移動させて切削送りして,被加工物12に対し砥石部22の刃先を直線的な軌跡で作用させる。
During normal dicing, the chuck table moving mechanism reciprocates the chuck table 15 holding the
かかる構成のダイシング装置10は,高速回転する切削ブレードを被加工物12に切り込ませながら,切削ユニット20とチャックテーブル15とを相対移動させることにより,被加工物12をダイシング加工することができる。
The dicing
(切削ユニット20の構成)
次に,図2に基づいて,本実施形態に係る切削ユニット20の構成について説明する。なお,図2は,本実施形態に係る切削ユニット20を示す斜視図である。
(Configuration of the cutting unit 20)
Next, based on FIG. 2, the structure of the cutting
図2に示すように,切削ユニット20は,例えば,切削ブレードの砥石部22と,砥石部22と一体化されたブレード基盤21と,ブレード基盤21をスピンドル25の先端部に固定する固定部材の一例であるスペーサ23と,スピンドル25と,スピンドルハウジング26と,切削水供給ノズル27と,ホイルカバー28と,を主に備える。
As shown in FIG. 2, the cutting
砥石部22は,例えば,略リング形状を有する極薄の切削砥石であり,ダイヤモンド等の砥粒を電鋳して形成される。この砥石部22は,砥石部22を支持するブレード基盤21と一体的に構成されている。すなわち,砥石部22とブレード基盤21は,砥石部とマウント部とが一体化された切削ブレード(所謂ハブブレード)を構成している。かかる砥石部22およびブレード基盤21(以下,単に「切削ブレード」という場合もある)は,スペーサ23および固定ボルト(図示せず)によって,スピンドル25の先端部に装着される。すなわち,図2に示したように,スペーサ23には,固定ボルトが貫通する貫通孔23aが形成されており,この固定ボルトは,スペーサ23およびブレード基盤21をY軸方向に貫通してスピンドル25の先端部に形成された雌ねじ部に締結される(図3参照)。これにより,スペーサ23および固定ボルトでブレード基盤21を係止して,スピンドル25の先端部に固定できる。
The
また,ブレード基盤21は,砥石部22が取り付けられた基台部211と,基台部211を挟持するように基台部21の両側に配置される一対の接合部212,213とからなるが,詳細については後述する。
The
また,スピンドル25は,例えば,後述するモータ(図示せず)の回転駆動力を切削ブレードに伝達するための回転軸であり,装着された切削ブレードを例えば30,000rpmで高速回転させる。このスピンドル25の大部分は,スピンドルハウジング26に覆われているが,その先端部は,スピンドルハウジング26から露出しており,かかる先端部に砥石部22およびブレード基盤21が装着される。
The
また,スピンドルハウジング26は,スピンドル25を覆うようにして設けられたハウジングである。このスピンドルハウジング26は,内部に設けられたエアベアリングによって,スピンドル25を高速回転可能に支持することができる。
The
ここで,図3に基づいて,本実施形態に係るスピンドルハウジング26の内部構成について説明する。なお,図3は,本実施形態に係る切削ユニット20におけるスピンドルハウジング26の内部構成を示す縦断面図である。
Here, based on FIG. 3, the internal structure of the
図3に示すように,切削ユニット20のスピンドルハウジング26の内部には,例えば,スピンドル25と,スピンドル25を回転可能に支持するラジアルエアベアリング30およびスラストエアベアリング31と,ラジアルエアベアリング30及びスラストエアベアリング31に高圧エアを供給するためのエア供給路(図示せず)と,ラジアルエアベアリング30およびスラストエアベアリング31によって噴出されたエアを排出するための排気路(図示せず)と,ロータ321およびステータ322を有するモータ32と,ステータ322に電力を供給するためのステータ用給電部34と,スピンドル25の後端部側に設けられた超音波振動子としてのPZT振動子33と,PZT振動子33に電力を供給するための非接触給電装置40と,が設けられている。
As shown in FIG. 3, the
非接触給電装置40から電力が供給されたPZT振動子33は,超音波振動を発生してスピンドル25を超音波振動させる。この超音波振動は,スピンドル25の軸方向(Y軸方向)に伝達され,スピンドル25の先端部に装着された切削ブレードに向かう。
The
さらに,このようにスピンドル25の軸方向(Y軸方向)に伝達される超音波振動を切削ブレードの径方向(XZ平面方向)に変換するときの振動伝達方向変換点のY軸位置が,スピンドル25に対する切削ブレードの砥石部22の装着位置(砥石部22のY軸位置)と同一またはその近傍となるように,スピンドル25の構造,配置や,PZT振動子33の周波数などが調整されている。
Further, the Y-axis position of the vibration transmission direction conversion point when the ultrasonic vibration transmitted in the axial direction of the spindle 25 (Y-axis direction) is converted into the radial direction of the cutting blade (XZ plane direction) is The structure and arrangement of the
再び図2に基づいて,切削ユニット20の構成についての説明を続ける。切削水供給ノズル27は,例えば切削ブレードの両側に脱着可能に設けられ,切削ブレードの側面及び加工点付近に切削水を供給して冷却する。また,ホイルカバー28は,切削ブレードの外周を覆うにして設けられ,切削ブレードを保護するとともに,切削水や切削屑などの飛散を防止する。
The description of the configuration of the cutting
かかる構成の切削ユニット20は,スピンドル25により切削ブレードを高速回転させ,かかる切削ブレードの刃先を被加工物12に切り込ませて相対移動させる。これにより,例えば,被加工物12の加工面を切削加工して,切削ラインに沿って極薄の切溝(カーフ)を形成することができる。
The cutting
以上のような構成によって,スピンドル25の軸方向に超音波振動を伝達させ,切削ブレードの砥石部22と略同一位置にある振動伝達方向変換点で,当該伝達された超音波振動の伝達方向を切削ブレードの径方向に変換できる。これにより,切削ブレードを径方向に超音波振動させる,すなわち,リング形状の切削ブレードの砥石部22を高周波で拡径,縮径を繰り返すように振動させながら,当該砥石部22によって被加工物12を切削することができる。
With the configuration described above, ultrasonic vibration is transmitted in the axial direction of the
(切削ブレードを径方向に超音波振動させる原理)
このように切削ブレードを径方向に超音波振動させる原理についは,例えば上記特許文献2に記載されており公知であるが,以下に,図4に基づいて簡単に説明する。
(Principle of ultrasonic vibration of cutting blade in radial direction)
The principle of ultrasonically oscillating the cutting blade in the radial direction as described above is described in, for example,
図4は,本実施形態に係る切削ユニット20において,PZT振動子33からの超音波振動に共振する振動波形W1と,伝達方向が径方向に変換された振動波形W2とを示す説明図である。振動波形W1は,共振による超音波振動の瞬間的な変位(振動振幅)を表し,振動波形W2は,伝達方向が径方向に変換された超音波振動の瞬間的な変位(振動振幅)を表す。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a vibration waveform W1 that resonates with ultrasonic vibration from the
図4に示すように,スピンドル25の軸上(Y軸上)には,振動波形W1の最大振動振幅点A,C,E,Gと,最小振動振幅点B,D,F,Hが存在する。通常,最小振動振幅点B,D,F,Hでは,スピンドル25の径方向の伸長が最大となる。したがって,スピンドル25とスピンドルハウジング26との間隔は,少なくとも最小振動振幅点B,D,F,Hにおけるスピンドル25の最大拡径量よりも大きくしなければならない。しかし,その他の点に関しては,切削ユニット20がエアスピンドル機構を採用しているため,メカスピンドル機構の場合のように最小振動振幅点B,D,F,H付近を構造的に補強したりする必要はない。
As shown in FIG. 4, the maximum vibration amplitude points A, C, E, and G and the minimum vibration amplitude points B, D, F, and H of the vibration waveform W1 exist on the axis of the spindle 25 (on the Y axis). To do. Usually, at the minimum vibration amplitude points B, D, F, and H, the radial extension of the
振動波形W1の最小振動振幅点Bは,振動伝達方向変換点であり,この振動伝達方向変換点と同一位置若しくはその近傍の位置に,切削ブレードの砥石部22が配置されている。振動伝達方向変換点Bにおいて,超音波振動の伝達方向が,スピンドル25の軸方向から,切削ブレードの径方向に変換される。このように伝達方向が径方向に変換された超音波振動の振動波形W2における最大振動振幅点α,βが,切削ブレードの刃先位置に位置するように,切削ブレードのブレード径や超音波振動の周波数等が調整されている。
The minimum vibration amplitude point B of the vibration waveform W1 is a vibration transmission direction conversion point, and the
さらに,上記超音波振動を好適に伝達および変換するために,砥石部22とブレード基盤21とが一体構成されており,かつ,スペーサ23とブレード基盤21とスピンドル25先端部とが相互に密着して強固に固定されるように構成されている。さらに,ブレード基盤21は,振動伝達方向変換点Bを中心としてY軸方向に対称な形状となるように成形されている。
Further, in order to suitably transmit and convert the ultrasonic vibration, the
以上のようにして,スピンドル25を軸方向に伝達してきた超音波振動の伝達方向を径方向に変換することにより,切削ブレードは拡径,縮径を繰り返して,切削ブレードの刃先が径方向に振動する。
As described above, by changing the transmission direction of the ultrasonic vibration transmitted through the
(切削ブレードおよびスペーサ23の構成)
次に,図2,図3,図5および図6に基づいて,超音波振動を効率よく伝達するための切削ブレードおよびスペーサ23の構成について説明する。なお,図5は,本実施形態に係る基台部211,接合部212,213およびスペーサ23を示す拡大断面図である。また,図6は,本実施形態に係る切削ユニット20を用いた実験結果であり,(a)は,ブレード径方向の振幅[μm]とL1/L3との関係,(b)は,ブレード径方向の振幅[μm]とd1/L1との関係,(c)は,ブレード径方向の振幅[μm]とd2/d1との関係を示すグラフである。
(Configuration of cutting blade and spacer 23)
Next, the configuration of the cutting blade and the
上述したような超音波振動切削装置としてのダイシング装置10では,超音波振動の波形を好適に伝達および変換するためには,できるだけスピンドル25と切削ブレードとを一体的に構成することが好ましい。また,効率良く超音波振動を伝達するためには,切削ブレードは,少なくとも超音波が振動するスピンドル25の軸方向および超音波振動の振動方向が変換される切削ブレードの径方向に対称構造になっていることが好ましい。
In the
そのため,本実施形態に係る切削ユニット20では,図2および図3に示すように,切削ブレードを次のように構成している。すなわち,まず,切削ブレードの基台部211をスピンドル25よりも大きな径を有する略円柱形状とし,この基台部211に電着より略リング形状の砥石部22を形成させる。さらに,基台部211の両側(スピンドル25側およびスペーサ23側)には,基台部211を挟持するように,スピンドル25の先端部24と略同一の径を有する略円柱形状の一対の接合部212,213を設けている。そして,固定ボルト29を用いて,一方(スピンドル25側)の接合部212とスピンドル25の先端部24とを接合し,他方(スペーサ23側)の接合部213とスペーサ23(スペーサ23は,スピンドル25の先端部24と略同一の径を有する略円柱形状に形成されている)とを接合することにより,切削ブレードをスピンドルに対して一体的に構成できるようにしている。
Therefore, in the cutting
また,本実施形態に係る切削ユニット20においては,上述したように,PZT振動子33によって切削ブレードに伝達される超音波振動の最大振動振幅点Aがスペーサ23の先端部となり,最小振動振幅点Bが切削ブレードの砥石部22の装着位置またはその近傍となるように構成されている(図4参照)。
In the
このような切削ブレードとスペーサとを使用する際は,どのような形状や大きさでも効率良く超音波振動するのではなく,下記のように設定しないと,十分に大きな振幅が得られない。なお,ここでいう「十分に大きな振幅」とは,ガラスやQFN基板などの難加工材でも問題なく切削することができる程度の振幅のことを意味しており,具体的には,被加工物の厚みを考慮すると,例えば,切削ブレードの径方向の振幅の大きさが5μm以上であれば十分に大きな振幅といえ,効率良く超音波振動させることができると考えられる。 When such a cutting blade and spacer are used, the ultrasonic vibration is not efficiently performed in any shape and size, and a sufficiently large amplitude cannot be obtained unless the following settings are made. Here, “sufficiently large amplitude” means an amplitude that can be cut without difficulty even with difficult-to-work materials such as glass and QFN substrates. If the thickness of the cutting blade is taken into account, for example, if the amplitude of the cutting blade in the radial direction is 5 μm or more, it can be said that the amplitude is sufficiently large, and the ultrasonic vibration can be efficiently performed.
このような効率の良い超音波振動をさせるためには,上述したようなダイシング装置10において,図5に示すように,基台部211の径をd1,接合部212,213の径をd2,切削ブレード全体の厚みをL1,スペーサ23の厚みをL2,基台部211の厚みをL3,基台部211に伝達される超音波の波長をλとしたときに,下記式(1),(2),(3)および(4)の関係を満たすことが必要である。
In order to perform such efficient ultrasonic vibration, in the
L1/2+L2=λ/4 ・・・(1)
2.0≦L1/L3≦6.0・・・(2)
2.5≦d1/L1≦8.5・・・(3)
0.3≦d2/d1≦0.5・・・(4)
L 1/2 + L 2 = λ / 4 ··· (1)
2.0 ≦ L 1 / L 3 ≦ 6.0 (2)
2.5 ≦ d 1 / L 1 ≦ 8.5 (3)
0.3 ≦ d 2 / d 1 ≦ 0.5 (4)
ここで,切削ブレード全体の厚みL1とは,基台部211の厚みL3と基台部211を挟持するように基台部211の両側に配置された一対の接合部212,213の厚みの合計,すなわち,スピンドル25側の接合部212の厚み+基台部211の厚み+スペーサ23側の接合部213の厚みの合計を意味している。
Here, the thickness L 1 of the entire cutting blade is the thickness of the pair of
また,上記超音波振動切削装置においては,上記超音波の波長λは,50mm〜312.55mmとなるように調整される。このようにλを50mm〜312.55mmとしたのは,切削ブレードに超音波が伝わる伝播速度は5000m/s程度であり,また,被加工物を加工する場合の共振周波数の実用範囲は16〜100kHzとなるからである。 In the ultrasonic vibration cutting apparatus, the wavelength λ of the ultrasonic wave is adjusted to be 50 mm to 312.55 mm. The reason why λ is 50 mm to 312.55 mm is that the propagation speed of ultrasonic waves transmitted to the cutting blade is about 5000 m / s, and the practical range of the resonance frequency when machining the workpiece is 16 to This is because it becomes 100 kHz.
ここで,通常,切削ブレードのブレード基盤21(基台部211および接合部212,213)はアルミニウムで形成される一方,スピンドル25はステンレスで形成されており,異なる金属により構成されているが,金属では超音波が伝達される速度はほとんど変わらないため(例えば,アルミニウムは5163m/s程度,ステンレスは5130m/s程度),上記のようにλを調整しても問題はないと考えられる。なお,超音波が伝達される速度は,金属の処理方法によっても異なる(例えば,処理方法の違いにより,アルミニウムでは4900〜5200m/s,ステンレスでは5000〜5200m/sの範囲で変化し得る)。
Here, normally, the
以下,上記式(1)〜(4)について詳細に説明する。まず,図5に基づいて,上記式(1)について説明する。 Hereinafter, the above formulas (1) to (4) will be described in detail. First, the equation (1) will be described with reference to FIG.
上述したように,切削ブレードの径方向の振動が十分に大きな振幅を有し,効率良く超音波振動させるためには,PZT振動子33からスピンドル25を介して伝達された超音波振動(W1)の最大振動振幅点Aがスペーサ23の先端部となり,最小振動振幅点Bが切削ブレードの装着位置になるように調整し,最小振動振幅点Bにおいて超音波振動の振動方向が変換されるようにする必要がある。したがって,本実施形態においては,図5に示すように,PZT振動子33からスピンドル25を介して伝達された超音波振動の波W1は,スペーサ23の先端部であるAの位置で振幅が最大となり,切削ブレード全体の厚み方向の中点(基台部211の厚み方向の中点)であるBの位置で振幅が最小となるように,波長λが調整されている。すなわち,波W1の波長の4分の1の長さが,スペーサの厚みL2と切削ブレード全体の厚みL1の2分の1との和に等しくすることが,効率良く超音波振動させるために必要な条件の1つとなる。
As described above, the vibration in the radial direction of the cutting blade has a sufficiently large amplitude, and in order to efficiently perform ultrasonic vibration, the ultrasonic vibration (W1) transmitted from the
次に,図6に基づいて,上記式(2)〜(4)の臨界的意義について説明する。式(2)〜(4)については,下記に示す実験によりその臨界値を定めた。 Next, the critical significance of the above formulas (2) to (4) will be described with reference to FIG. About Formula (2)-(4), the critical value was defined by the experiment shown below.
上述のように,切削ブレードの径方向の振幅の大きさが5μm以上であれば,難加工材でも問題なく切削することができるため,効率の良い超音波振動が行われていると考えられる。したがって,本実施形態においては,切削ブレードの径方向の振幅が5μm以上である場合に,効率の良い超音波振動が行われていると判定した。 As described above, if the amplitude of the cutting blade in the radial direction is 5 μm or more, even difficult-to-work materials can be cut without problems, and it is considered that efficient ultrasonic vibration is performed. Therefore, in this embodiment, it was determined that efficient ultrasonic vibration was performed when the radial amplitude of the cutting blade was 5 μm or more.
また,本実施形態においては,λ(切削ブレードに伝播される超音波の波長)=92mm,L1(切削ブレード全体の厚み)=12mm,L2(スペーサ23の厚み)=17mm,d2(接合部212,213の径)=30mm,L3(基台部211の厚み)=4mmに固定して実験を行った。すなわち,L1/L3については,L1を固定してL3を変化させたときの切削ブレードの径方向の振幅を測定した。また,d1/L1については,L1を固定してd1を変化させたときの切削ブレードの径方向の振幅を測定した。また,d2/d1については,d2を固定してd1を変化させたときの切削ブレードの径方向の振幅を測定した。
In the present embodiment, λ (wavelength of ultrasonic wave propagated to the cutting blade) = 92 mm, L 1 (total thickness of the cutting blade) = 12 mm, L 2 (thickness of the spacer 23) = 17 mm, d 2 ( Experiments were performed with the diameters of the
また,切削ブレードの砥石部22としては,大きさが3インチのものを使用し,切削ブレードを停止させた状態で実験を行った。
In addition, as the
その結果,図6に示したように,L1/L3については,2.0以上6.0以下の範囲で,d1/L1については,2.5以上8.5以下の範囲で,d2/d1については,0.3以上0.5以下の範囲で,切削ブレードの径方向の振幅の大きさが5μm以上となった。このことから,効率良く超音波振動させるために必要な条件として,式(2),(3)および(4)を満たすことも必要であることがわかった。 As a result, as shown in FIG. 6, L 1 / L 3 is in the range of 2.0 to 6.0, and d 1 / L 1 is in the range of 2.5 to 8.5. , D 2 / d 1 , the amplitude in the radial direction of the cutting blade was 5 μm or more in the range of 0.3 to 0.5. From this, it was found that it is necessary to satisfy the expressions (2), (3) and (4) as conditions necessary for efficient ultrasonic vibration.
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are of course within the technical scope of the present invention. Understood.
例えば,上記実施形態では,超音波振動切削装置としてダイシング装置10の例を挙げて説明したが,本発明は,かかる例に限定されない。例えば,スピンドル25により高速回転する砥石部22を用いて被加工物12を切削加工する装置であれば,例えば,ダイシング加工以外の切削加工を行う各種の切削装置であってもよい。
For example, in the above embodiment, the dicing
また,上記実施形態にかかる切削ユニット20では,スピンドル25の支持機構として,エアスピンドルの例を挙げて説明したが,本発明はかかる例に限定されない。例えば,スピンドル25の支持機構は,スピンドル25をベアリングで機械的に支持するメカスピンドルであってもよい。本発明は,砥石部22を径方向に超音波振動させる超音波振動切削装置であれば,如何なるスピンドルの支持機構であっても適用可能である。
In the
また,上記実施形態では,PZT振動子33は,スピンドル25の後部側に配設されたが,本発明はかかる例に限定されない。例えば,PZT振動子33は,スピンドル25の中央部または先端部側などに配設されてもよい。
In the above embodiment, the
本発明は,切削ブレードを径方向に超音波振動させながら切削を行う超音波振動切削装置に適用可能である。 The present invention is applicable to an ultrasonic vibration cutting apparatus that performs cutting while ultrasonically vibrating a cutting blade in the radial direction.
10 ダイシング装置
12 被加工物
20 切削ユニット
21 ブレード支持部
22 切削ブレード
23 スペーサ
25 スピンドル
26 スピンドルハウジング
33 PZT振動子
211 基台部
212,213 接合部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記切削ブレードは,
前記スピンドルの先端部と略同一の径を有する略円柱状の一対の接合部と,前記一対の接合部間に配置され前記接合部よりも大きな径を有する略円柱状の基台部と,前記基台部に取り付けられる砥石部とを有するとともに,
前記スピンドルの軸方向および前記切削ブレードの径方向に対称となるように構成され,
かつ,前記一対の接合部のうち,一方の前記接合部を,前記スピンドルの先端部と接合させ,他方の前記接合部を,前記スピンドルの先端部と略同一の径を有する略円柱状のスペーサと接合させて,前記スペーサで挟持することにより前記スピンドルの先端部に装着され,
前記切削ブレードと前記スペーサは,前記基台部の径をd1,前記接合部の径をd2,前記切削ブレード全体の厚みをL1,前記スペーサの厚みをL2,前記基台部の厚みをL3,前記基台部に伝達される超音波の波長をλとしたときに,下記式(1),(2),(3)および(4)の関係を満たすことを特徴とする,超音波振動切削装置。
L1/2+L2=λ/4 ・・・(1)
2.0≦L1/L3≦6.0・・・(2)
2.5≦d1/L1≦8.5・・・(3)
0.3≦d2/d1≦0.5・・・(4)
A spindle, a spindle housing that rotatably supports the spindle, a cutting blade attached to a tip of the spindle, and a vibrator that is provided on the spindle and vibrates the spindle ultrasonically. In an ultrasonic vibration cutting apparatus for converting a vibration direction of ultrasonic vibration transmitted through the spindle and cutting the workpiece by ultrasonically vibrating the cutting blade in a radial direction:
The cutting blade is
A pair of substantially cylindrical joints having substantially the same diameter as the tip of the spindle, a substantially cylindrical base having a larger diameter than the joints disposed between the pair of joints, And a grindstone attached to the base,
It is configured to be symmetric with respect to the axial direction of the spindle and the radial direction of the cutting blade,
One of the pair of joints is joined to the tip of the spindle, and the other joint is a substantially columnar spacer having substantially the same diameter as the tip of the spindle. And is attached to the tip of the spindle by sandwiching it with the spacer,
In the cutting blade and the spacer, the diameter of the base portion is d 1 , the diameter of the joint portion is d 2 , the entire thickness of the cutting blade is L 1 , the thickness of the spacer is L 2 , When the thickness is L 3 and the wavelength of the ultrasonic wave transmitted to the base portion is λ, the following expressions (1), (2), (3), and (4) are satisfied. , Ultrasonic vibration cutting equipment.
L 1/2 + L 2 = λ / 4 ··· (1)
2.0 ≦ L 1 / L 3 ≦ 6.0 (2)
2.5 ≦ d 1 / L 1 ≦ 8.5 (3)
0.3 ≦ d 2 / d 1 ≦ 0.5 (4)
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