JPH11240730A - 脆性材料の割断方法 - Google Patents

脆性材料の割断方法

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JPH11240730A
JPH11240730A JP10047348A JP4734898A JPH11240730A JP H11240730 A JPH11240730 A JP H11240730A JP 10047348 A JP10047348 A JP 10047348A JP 4734898 A JP4734898 A JP 4734898A JP H11240730 A JPH11240730 A JP H11240730A
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strip
crack
dimensionless
temperature
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JP10047348A
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Hiroshi Sawada
博司 沢田
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Kansai Nippon Electric Co Ltd
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Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 レーザなど点熱源による帯板の割断方法にお
いて、加熱位置、加熱時間などの加工条件の最適化、及
び加熱点の温度上昇の低減を図る。 【解決手段】 亀裂を持つ脆性材料からなる帯板を点熱
源で加熱し、加熱点を移動して亀裂を進展させて帯板を
割断する脆性材料の割断方法において、帯板の線膨張係
数をα、熱拡散率をκ、縦弾性率をE、加熱点の上昇温
度をT、加熱時間をt、帯板の半幅をW、加熱領域半径
をR、亀裂先端から加熱中心までの距離をD、亀裂先端
の応力拡大係数をK1としたときに、無次元応力拡大係
数温度比(例えば、2K1/αET(πW)1/2)が最大
値または最大値に近い値となるように無次元加熱時間
(例えば、4κt/W2)、無次元距離(例えば、D/
W)、無次元加熱領域(例えば、R/DまたはR/W)
からなる3つのパラメータの1つ以上を決定することに
より加工条件を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザなどの点熱源
による熱応力を利用した脆性材料の割断方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体ウエハやセラミック基板やガラス
基板などの脆性材料を切断する方法としては、ダイヤモ
ンドブレードにより研削加工を行うダイシング法や、ロ
ーラチゼル、ダイヤモンドポイントなどを用いたスクラ
イビングにより亀裂を発生させ、次いで該亀裂に曲げ応
力を作用させて切断するスクライビング法が一般的であ
る。しかし、微細な電子回路が形成された電子材料を切
断する際、従来から行われている加工法ではマイクロク
ラックやパーティクルの発生が避けられず、製品に悪影
響を及ぼすことがある。この対策として、例えば、特開
平3―13040号公報にレーザなどの点熱源による熱
応力割断が開示されている。この方法は、図16に示す
ように脆性材料からなる帯板21の端面に硬質工具など
で切り欠き(初亀裂)22を形成し、次いで、切り欠き
22の近傍23を点熱源で局所的に加熱して帯板に熱応
力歪みを発生させて亀裂を進展させ、以後点熱源を割断
予定線24に沿って移動させることにより亀裂をさらに
進展させて帯板を割断するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザなど点熱
源による帯板の割断方法は、帯板の幅や材質が変わる度
毎に加熱位置、加熱時間などの加工条件を試行錯誤的に
見つけて加工していた。このため加工条件の最適化が容
易でなく、多大な工数がかかり、コスト高となってい
た。これは、この種レーザ加工装置の自動化を阻害する
要因にもなっていた。また、加熱点の温度がかなりの高
温になり、特に、加工対象が小さい電子部品などでは、
温度上昇が著しく、重要な機能が損なわれる場合があっ
た。
【0004】本発明は上記の問題に鑑みて提案されたも
ので、その目的は、点熱源による帯板の熱応力割断にお
いて、帯板の幅や材質が変わっても容易に加工条件を最
適化でき、かつ、加熱点の最高到達温度を適正に抑制し
て品質を向上できる新規な汎用性のある脆性材料の割断
方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の脆性材料の割断
方法は、亀裂を持つ脆性材料からなる帯板を点熱源で加
熱し、加熱点を移動して亀裂を進展させて帯板を割断す
る脆性材料の割断方法において、帯板の線膨張係数を
α、熱拡散率をκ、縦弾性率をE、加熱点の上昇温度を
T、加熱時間をt、帯板の半幅をW、加熱領域半径を
R、亀裂先端から加熱中心までの距離をD、亀裂先端の
応力拡大係数をK1としたときに、無次元応力拡大係数
温度比(例えば、2K1/αET(πW)1/2)が最大値
または最大値に近い値となるように無次元加熱時間(例
えば、4κt/W2)、無次元距離(例えば、D/
W)、無次元加熱領域(例えば、R/DまたはR/W)
からなる3つのパラメータの1つ以上を決定することに
より加工条件を決定することを特徴とする。なお、上記
の(πW)1/2はπWの平方根である(以下同様)。
【0006】また、4κt/W2≦10、かつR/D≧
0.3、かつ0.3≦D/W≦1.0の条件で加工する
ことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の割断方法の特徴は、初亀
裂を持つ脆性材料からなる帯板の亀裂先端近傍をパルス
レーザなどの点熱源で局所的に加熱し、かつ加熱点を移
動させて亀裂を進展させることにより帯板を割断する方
法において、帯板の線膨張係数をα、熱拡散率をκ、縦
弾性率をE、加熱点の上昇温度をT、加熱時間をt、帯
板の半幅をW、加熱領域半径をR、亀裂先端から加熱中
心までの距離をD、亀裂先端の応力拡大係数をK1とし
たときに、無次元応力拡大係数温度比(例えば、2K1
/αET(πW)1/2)が最大値または最大値に近い値
となるように無次元加熱時間(例えば、4κt/
2)、無次元距離(例えば、D/W)、無次元加熱領
域(例えば、R/DまたはR/W)からなる3つのパラ
メータの1つ以上を決定することにより加工条件を決定
することにある。特に、4κt/W2≦10、かつR/
D≧0.3、かつ0.3≦D/W≦1.0の条件で加工
することが望ましい。
【0008】すべてのパラメータは無次元化されている
ので、帯板の幾何学的条件や熱的、機械的物性値の如何
にかかわらず適用できる。この方法は汎用性があるので
帯板の幅や材質が変わっても容易に加工条件を最適化で
き、かつ、加熱点の最高到達温度を必要最小限度に抑制
できるので低コスト化、高品質化が図れる。特に、亀裂
の進展に必要な応力特異性の強さをできるだけ低い温度
上昇で得るためには、積極的に加熱点に広がりをもたせ
帯板加工時の最高温度を抑制することが有効であり、加
熱領域の大きさ、位置、形状等を最適にする必要があ
る。本発明により無次元応力拡大係数温度比が最大値ま
たは最大値に近い値となるように上記パラメータを決定
することにより加工条件を最適化できる。加熱領域の形
状は真円が好適するが、真円に近い非円形や、正方形、
正五角形、正六角形、正八角形などの正多角形、および
これらの正多角形に近い多角形など近似的に円形とみな
せる形状のものでもよい。具体的な脆性材料としては半
導体ウエハ、セラミック基板、ガラス基板などが好適す
る。
【0009】次に、本発明の割断方法の根拠となる解析
について説明する。まず2点の加熱源が亀裂の延長線を
対称線とする位置にある場合の熱応力場を解析し、その
解を重ね合わせることにより、目的とする円形領域加熱
について、加熱時間に対する加熱領域中心部の温度上昇
と熱応力拡大係数を評価し、熱応力拡大係数/上昇温度
が加熱領域の変化に対してどのように変わるかを検討
し、その値が最大になる最適な領域寸法、領域位置を明
らかにする。さらに、これらの解析結果が電子材料基板
を用いた実験結果と良く一致することを説明する。
【0010】(1) 2点加熱時の熱応力拡大係数 (1.1) 無限板の点熱源による熱弾性場 時刻τ=0からτ=tまで、初期温度T=0の薄い無限
平板を単位時間、単位厚さ当たりの熱量Qの持続点熱源
により加熱した場合の温度上昇および熱応力分布を考え
る。板厚が十分薄い場合には板厚方向の温度は均一と見
なされ、熱応力場は平面応力状態になる。板表面からの
放熱を無視すれば温度場T0(r,t)および熱応力場
σr 0(r,t)、σΘ0(r,t)は次式で与えられ
る。
【数1】
【数2】
【数3】 ここでλは熱伝導率、Eは縦弾性係数、κは熱拡散率、
αは線膨張係数であり、温度場および熱応力場は加熱点
を原点とする極座標(r,θ)に関するものとする。
【0011】(1.2) 無限板に作用する無限周期点
熱源による熱弾性場 図1に示すように幅2W、亀裂長cの断熱側壁を有する
薄い半無限帯板を左端面からL、中心軸に対して対称な
2V離れた位置に2点の点熱源で加熱した場合の非定常
温度場は重ね合わせの原理に基づいて、図2のような2
種類の無限周期熱源による温度場の和として表される。
この解法によれば図1の温度場は、点熱源が(±L,±
2nW−V)と(±L,±2nW+V)、(n=1,2,
…)にある場合の温度場を重ね合わせて得られる。ま
た、2種類の無限周期点熱源による無限平板の熱応力場
は温度場と同様に、点熱源が(±L,±2nW−V)と
(±L,±2nW+V)、(n=1,2,…)にある場合
の応力場を重ね合わせて得られ、温度場T(x,y,
t)、垂直応力場σx(x,y,t)、σy(x,y,
t)、せん断応力場τxy(x,y,t)は以下のように
求められる。
【数4】
【数5】
【数6】
【数7】 ここで、
【数8】 であり、E1(u)は次の積分指数関数である。
【数9】
【0012】この解析は加熱初期の亀裂先端まわりの熱
弾性場解析を目的としており、加熱時間tは非常に短い
ため板表面からの放熱は無視している。さらに、亀裂の
開口量は小さく、亀裂面の開口によって式(4)の温度
場が変化しないと仮定した。
【0013】(1.3) 等温応力場の解析 上記の2種類の無限周期点熱源による無限平板の熱応力
場は、帯板の端面に表面力が作用する場合に対応してお
り、自由表面の条件を満足していない。境界が表面力を
受けていない自由表面であるような帯板の熱応力場を得
るためには、境界での応力を打ち消すような帯板の等温
応力場を重ね合わせる必要がある。ところで、無限平板
の熱応力場には亀裂は考慮していないので、帯板にある
亀裂先端の応力拡大係数は重ね合わせるべき等温応力場
のみで評価することができる。半無限帯板の等温応力場
の解析には、体積力法による二次元汎用解析プログラム
を利用できる。この解析法は、亀裂問題に対しては最適
の解法であり、高精度の解が容易に得られる。体積力法
では、通常の境界要素法と同様に境界をいくつかの要素
に離散化するが、ここで用いた要素分割を図3に示す。
この時、軸対称性を利用して半無限帯板の上半分を解析
対象とし、境界に線形要素を用いた。上端面は15Wの
範囲を通常の要素で、残りを1つの半無限要素で表し
た。
【0014】(1.4) 端面に沿う表面力 加熱位置を図1においてL=Wとし、色々なV/Wの値
に対して境界に重ね合わせるべき表面力の分布を計算し
た。その結果を図4に示す。帯板上端面に重ね合わせる
べき表面力は引張になっており、亀裂を開口させるよう
に作用する。一方、亀裂となるべき位置のx軸上に2点
加熱により生じた応力σyは圧縮であり、亀裂面を自由
境界とするために重ね合わせる表面力は、亀裂面を閉じ
る方向に作用し、亀裂の開口を妨げる。
【0015】(1.5) 熱応力拡大係数 亀裂長cがc/W>5になると、点熱源により帯板に生
じる応力拡大係数はほとんど亀裂長に依存しなくなる。
そこで、上記に示した表面力を受けるc=5Wの縁亀裂
を有する帯板について応力解析を行い、応力拡大係数K
1を加熱時間の関数として評価した。
【0016】図5に、種々の加熱位置に対して得られた
1の時間的変化を示す。横軸は時間を代表する無次元
時間、縦軸はK1を加熱量Q等で無次元化している。同
図から加熱点が中央線に近いほど大きなK1を与え、V
/Wが0.7を越えるような場合には、加熱初期でK1
が負になることがわかる。
【0017】図6に、同じ大きさのK1を与える加熱位
置を線で結んで得られた等強度線を示す。K1=0の等
強度線は加熱初期では三角形に近く、時間経過とともに
外側に膨らんでいく。この等強度線より外側の領域を加
熱すると、亀裂先端ではK1が負になるため、熱応力割
断では有害となる。また、高レベルのK1に対する等強
度線は円形に近く、時間経過とともに亀裂先端からわず
かに離れていく。
【0018】(2) 円形領域加熱時の熱応力拡大係数 2点加熱時の結果を利用して、加熱領域が円形に広がっ
た円形領域加熱の場合を解析した。加熱領域を図7に示
すように亀裂延長線上に中心を持つ半径Rの円形とし、
亀裂先端から加熱領域中心までの距離をD、単位厚さ、
単位面積当たりの加熱量をQ0とした。加熱領域を角度
方向にΔθ=π/50、半径方向にdR=D/20の微
小領域ΔA=RdRdθに分割し、ΔAの中心にQ0Δ
Aの点加熱源がある場合の亀裂先端応力拡大係数ΔK1
と加熱領域中心の温度上昇ΔTを評価し、加熱領域全体
で総和をとることにより、円形領域加熱時のK1、Tを
計算した。
【0019】図8にc/W=5、D/W=1.0の場合
の加熱領域中心の温度上昇の計算結果を示す。縦軸はT
を加熱量Q0πR2等で無次元化している。温度上昇は加
熱時間に関わらず、加熱領域半径Rが増加するにつれて
減少し、温度上昇を抑制するためには加熱源に広がりを
持たせることが有効であることがわかる。また、加熱時
間の増加にともない温度が上昇する。
【0020】図9には、D/W=0.3、0.5、1.
0での応力拡大係数K1の加熱領域の大きさに対する変
化を示した。同図も縦軸はK1を加熱量Q0πR2等で無
次元化している。K1は加熱中心位置に関わらずR/D
=0、すなわち点熱源のとき最大となり、R/Dの増加
にともない減少する。この現象は加熱時間が長くなるに
したがい顕著になり、加熱時間が短い場合、加熱領域を
大きくしてもK1の減少に与える影響は小さくなる。ま
た、K1は加熱中心位置やR/Dに関わらず加熱時間の
増加にともない大きくなる。
【0021】(3) 円形領域加熱時の応力拡大係数温
度比 前節で計算した円形領域加熱時の温度と応力拡大係数の
結果から、温度上昇に対する応力拡大係数温度比K1
Tが求められる。この値が大きいほど割断時の最高到達
温度となる加熱領域中心温度を低くすることができる。
【0022】図10にD/W=0.3、0.5、1.0
での応力拡大係数温度比K1/Tの加熱領域半径Rに対
する変化を示す。加熱領域が亀裂先端に達するまで広げ
た場合(R=D)、図9ではR/D=1での応力拡大係
数は最大値にくらべかなり減少していたが、その時の温
度上昇も小さいため、それらの比である応力拡大係数温
度比K1/Tは図10のようにR/D=1で最大値また
はそれに近い値を示している。また、同図の縦軸にW
1/2があるため、板幅のせまいものほど割断時の温度が
上昇することがわかる。
【0023】図11には、加熱領域半径を応力拡大係数
温度比K1/Tが最大値またはそれに近い値を示すR=
Dに設定したときに得られるK1/Tと加熱位置Dの関
係を示す。加熱時間が短いほどK1/Tが大きく、加熱
時間が4κt/W2=0.1の場合、温度上昇を低く抑
え、効率良く応力拡大係数を発生させるための最適加熱
領域はR=D、D/W=0.7の近傍にある。加熱時間
4κt/W2が大きくなるとK1/Tが最大となるD/W
が小さくなり、最適加熱位置が亀裂先端に近づくことが
わかる。
【0024】以上のように、脆性材料からなる縁亀裂を
持つ帯板状の基板を点熱源により割断する際、品質面か
ら加工時の最高温度を抑制する必要があり、そのために
は加熱領域に広がりを持たせることが有効であるから、
基本となる円形領域加熱について加熱時間に対する加熱
領域中心部の温度上昇と熱応力拡大係数を解析し、熱応
力拡大係数/上昇温度(熱応力拡大係数温度比)K1
Tに注目してこれが加熱領域の変化に対してどのように
変わるかを検討し、K1/Tを最大にする加熱位置、加
熱領域半径、加熱時間などの最適条件を計算し決定し
た。なお、加熱領域の形状が真円に近い非円形の場合
や、正方形、正五角形、正六角形、正八角形などの正多
角形、およびこれらの正多角形に近い多角形などの場合
も近似的に上記の円形領域加熱とみなして扱うことがで
きる。その場合、加熱領域半径はこれらの形状に外接ま
たは内接する円の半径をRとすればよい。
【0025】
【実施例】上記の解析結果を立証するために、図12に
示すような配置でNd:YAGレーザからなる点熱源1
を用いて帯板2の割断実験を行った。帯板1の端部には
中心線上にあらかじめ亀裂3が形成されている。なお、
板板の半幅をW、亀裂長をc、亀裂先端から加熱中心ま
での距離をD、加熱領域半径をRとした。使用したレー
ザ発振機は出力が大きいので絞りにより出力を調節し
た。種々の加工条件において、レーザ出力を徐々に上げ
ながら亀裂進展に必要な最低出力QLと、帯板に熱損傷
が発生する最低出力QUを測定した。ただし、QL、QU
は絞りのない状態での出力である。割断時の加熱中心温
度を局所的に測定することは困難なためQU/QLを余裕
度とし、加熱時間に対する余裕度の変化を調べ、この値
が大きいほど低い温度で割断されたとした。QU/QL
1/Tの関係は次のように説明できる。
【0026】K1/Tは図10からわかるようにc/
W、D/Wが一定のとき、
【数10】 なる関係で表される。したがって、
【数11】 となる。また、TとQは比例するため、加熱量QL、QU
のときの温度上昇をTL、TUとすると、
【数12】 となる。このときTUは帯板の融点TMと一致する。ま
た、TLのとき発生するK1は破壊じん性値K1cと一致す
る。式(10)〜(12)より、
【数13】 となり、QU/QLからK1/Tの変化が実験的に確認で
きる。使用した帯板の厚さは0.1mm、予亀裂長はす
べてc/W=5である。また、帯板の物性値を表1に示
す。
【0027】
【表1】
【0028】次に、実験結果を説明する。幅2.2m
m、長さ15mmの帯板でD/W=0.5、4κt/W
2=0.288(加熱時間2ms)における加熱半径R
に対するQLおよび余裕度QU/QLの変化を図13、図
14に示す。図13から加熱半径Rの増加にしたがって
割断に必要な加熱量も大きくなり、応力拡大係数K1
発生しにくくなっていることがわかる。しかし、加熱半
径が大きくなると、熱損傷の発生する最低出力QUも大
きくなるため、図14に示すようにQU/QLはK1の発
生とは逆にRの増加にしたがって大きくなる。また、そ
の値は解析結果と同様にR=Dのとき最大になる。
【0029】次に、図15には幅1.2mm、長さ10
mmの帯板で4κt/W2=0.969(加熱時間2m
s)、R=Dにおける加熱位置Dに対する余裕度QU
Lの変化を示す。この場合D/W=0.5付近でQU
Lが最大になり、図11に示す4κt/W2=1.0の
解析結果とよく一致していることが確認できる。
【0030】以上に説明した解析結果と実験結果から、
無次元応力拡大係数温度比(例えば、2K1/αET
(πW)1/2)が最大値または最大値に近い値となるよ
うに無次元加熱時間(例えば、4κt/W2)、無次元
距離(例えば、D/W)、無次元加熱領域(例えば、R
/DまたはR/W)からなる3つのパラメータの1つ以
上を決定することにより好適な加工条件を得ることがで
きる。実用上これらのパラメータは図10、図11など
を用いて決定することが望ましい。その際、4κt/W
2は10以下で小さいほどよく、このとき、R/Dは
1.0に近いほどよく、実用上略0.3以上が好適す
る。D/Wは最適値があって、4κt/W2の値によっ
ても異なるが、概略0.3以上で1.0以下が好適す
る。
【0031】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の脆性材
料の割断方法は、亀裂を持つ脆性材料からなる帯板を点
熱源で加熱し、加熱点を移動して亀裂を進展させて帯板
を割断する脆性材料の割断方法において、帯板の線膨張
係数をα、熱拡散率をκ、縦弾性率をE、加熱点の上昇
温度をT、加熱時間をt、帯板の半幅をW、加熱領域半
径をR、亀裂先端から加熱中心までの距離をD、亀裂先
端の応力拡大係数をK1としたときに、無次元応力拡大
係数温度比(例えば、2K1/αET(πW)1/2)が最
大値または最大値に近い値となるように無次元加熱時間
(例えば、4κt/W2)、無次元距離(例えば、D/
W)、無次元加熱領域(例えば、R/DまたはR/W)
からなる3つのパラメータの1つ以上を決定することに
より加工条件を決定するので、すべてのパラメータは無
次元化されており帯板の幾何学的条件や熱的、機械的物
性値の如何にかかわらず加熱点の最高到達温度を適正に
抑制でき、しかも容易に低温で割断加工ができ、低コス
ト化、高品質化が図れるという従来にない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 2点加熱による半無限帯板の割断モデルを示
す図
【図2】 図1の非定常温度場を重ね合わせの原理で解
析する方法を示す図
【図3】 半無限帯板の等温応力場を体積力法で解析す
るための境界要素分割を示す図
【図4】 点熱源による熱応力場に重ね合わせるべき境
界上の等温応力場の表面力分布を示す図
【図5】 加熱時間に対する亀裂先端の応力拡大係数の
変化を示す図
【図6】 同一の大きさの応力拡大係数を与える加熱位
置を示す図
【図7】 亀裂を有する半無限帯板の円形領域加熱によ
る割断を示す図
【図8】 円形領域加熱時の加熱領域半径と加熱領域中
心温度の関係を示す図
【図9】 円形領域加熱時の加熱領域の大きさと亀裂先
端の応力拡大係数の関係を示す図
【図10】 円形領域加熱時の加熱領域の大きさと応力
拡大係数温度比の関係を示す図
【図11】 加熱領域半径を応力拡大係数温度比K1
Tが最大値またはそれに近い値を示すR=Dに設定した
ときに得られるK1/Tと加熱位置Dの関係を示す図
【図12】 Nd:YAGレーザを用いて帯板を割断す
る実験装置の概要と各因子を示す図
【図13】 亀裂進展に必要な最低レーザ出力QLと加
熱半径との関係を示す図
【図14】 正常な割断ができるレーザ出力余裕度と加
熱半径との関係を示す図
【図15】 正常な割断ができるレーザ出力余裕度と加
熱位置との関係を示す図
【図16】 レーザなどの点熱源による従来の熱応力割
断を説明する図
【符号の説明】
1 Nd:YAGレーザ(点熱源) 2 半無限帯板 3 亀裂 4 保護膜 c 亀裂の長さ D 亀裂先端から加熱中心までの距離 R 加熱領域半径 W 帯板の半幅 α 線膨張係数 κ 熱拡散率 E 縦弾性率 T 上昇温度 t 加熱時間 K1 応力拡大係数

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】亀裂を持つ脆性材料からなる帯板を点熱源
    で加熱し、加熱点を移動して亀裂を進展させて帯板を割
    断する脆性材料の割断方法において、帯板の線膨張係数
    をα、熱拡散率をκ、縦弾性率をE、加熱点の上昇温度
    をT、加熱時間をt、帯板の半幅をW、加熱領域半径を
    R、亀裂先端から加熱中心までの距離をD、亀裂先端の
    応力拡大係数をK1としたときに、無次元応力拡大係数
    温度比(例えば、2K1/αET(πW)1/2)が最大値
    または最大値に近い値となるように無次元加熱時間(例
    えば、4κt/W2)、無次元距離(例えば、D/
    W)、無次元加熱領域(例えば、R/DまたはR/W)
    からなる3つのパラメータの1つ以上を決定することに
    より加工条件を決定することを特徴とする脆性材料の割
    断方法。
  2. 【請求項2】4κt/W2≦10、かつR/D≧0.
    3、かつ0.3≦D/W≦1.0の条件で加工すること
    を特徴とする請求項1に記載の脆性材料の割断方法。
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