Elmas Tel Kesme ile Safir Dilimleme: LED Substrat ve Optik Bileşen Üretimi

Safir — tek kristalli alüminyum oksit (Al₂O₃) — yarı iletken malzemeler arasında özel bir konuma sahiptir. Kendisi bir yarı iletken değildir ancak ticari olarak en önemli bileşik yarı iletken olan galyum nitrürün büyütüldüğü substrat malzemedir ve bu substrat LED ile güçlü yarı iletken cihaz üretiminde kullanılır. Ayrıca, UV’den yakın kızılötesine kadar yüksek transmisyon, aşırı sertlik ve yüksek termal stabilite gibi özelliklerle cam veya kuvarsa kıyasla zorlu uygulamalarda tercih edilen bir optik malzemedir: yüksek güçlü lazer sistemleri, havacılık optikleri ve yüksek sıcaklık sensör camları gibi alanlarda kullanılır.

Bu iki uygulama alanı — LED substrat üretimi ile hassas optik bileşen imalatı — farklı üretim profillerine sahiptir; ancak kesim açısından ortak gereksinimlere sahiptir. Her ikisi de sert, kırılgan ve anizotropik bir malzemede, taşlama disk kesiminin oluşturduğu mikro çatlak ve kenar hasarını önleyen bir dilimleme metoduna ihtiyaç duyar. Ayrıca her iki uygulama da malzeme verimliliğine önem verir: safir blokları, tıpkı SiC gibi, pahalıdır ve kesim talaşı kaybı önemlidir.

Bu proje, her iki uygulama türünü de kapsayan dilimleme işlemlerini içerir — LED üretimi için düz substrat dilimleme, optik camlar için dairesel kesim profili — ve her biri için farklı şekilde yapılandırılmış aynı tel kesme platformu kullanılmıştır.

Safir, silisyum ve çoğu optik camdan daha serttir; fakat esas zorluk burada değildir. Esas zorluk safirin anizotropik yapısıdır — mekanik özellikler kristalografik yönde değişir — ve çoğu safir üretiminde kesme işlemleri belirli kristalografik yönlerde yapılmak zorundadır.

LED substratlar safirden c-düzlemi (0001) yönlenmesinde kesilir — kristalin optik eksenine dik olarak. Güç elektroniği uygulamalarında ise sıklıkla a-düzlemi (11-20) veya r-düzlemi (1-102) kullanılır. Safirin kesme kuvvetine verdiği mekanik yanıt, yönlenmeye göre değişir: kırık düzlemleri kesim yönüne paralel olduğunda sorun yaratmaz, ancak kesim kuvvetinin uygulanması kontrol edilmezse, dik yönde yapılan aynı kesim, bu kırılma düzlemleri boyunca çatlaklar oluşturabilir. Tel kesme işlemi, tel temas uzunluğuna yayılan dağıtılmış kuvvet ile bu problemi lokal ve darbe yüklemeli metotlara göre daha iyi yönetmektedir.

LED uygulamalarında safir substrat GaN epitaksiyel katmanının büyüdüğü yüzeydir. Dilimleme sonrası substrat yüzey kalitesi — özellikle yüzey altı hasarın derinliği ve dağılımı — GaN katmanının büyümesini ve buna bağlı olarak LED cihazlarının optik ve elektriksel performansını etkiler. Dilimleme işleminden derin yüzey altı çatlaklar içeren bir substratta, yüzey epitaksiye uygun hale gelmeden önce daha fazla malzemenin taşlama ve polisaj ile alınması gerekir. Bu ise işlem basamağı ve maliyet artışına, ayrıca cihaz üretimi için nihai substrat kalınlığının azalmasına yol açar.

Optik cam ve kubbe uygulamalarında safirin dairesel veya kavisli formda olması gereklidir — diskler, tanımlı kenar geometrisine sahip camlar ve kavisli optik elemanlar gibi. Bu geometriler yalnızca düz dilimleme ile üretilemez. Silindirik iş parçasından dairesel kesitler almak için kullanılan halka zımparalı tel sistemi bu tür geometrilere uygundur. Aynı yüzey kalitesi gereklilikleri burada da geçerli: minimum kenar kırığı, kontrollü yüzey altı hasarı ve optik uygulamalarda geçiş yapan ışığı dağıtacak mikro çatlakların olmaması.

Bu projedeki iki kesme operasyonunda, temel neden aynı olmasına rağmen farklı sistem konfigürasyonları kullanılmıştır: her bir geometri farklı bir tel hareket yönü gerektirirken, her ikisi de aynı kontrollü ve düşük gerilimli zımpara kesim hareketine ihtiyaç duyar.

Düz LED substrat dilimlemesinde, CNC tel kesme makinası, belirli kristal serisinin c-düzlemi yönlenmesine uygun parametrelerle kullanılmıştır. Tel çapı, gerginlik ve ilerleme hızı, kesme hızının yüzey altı hasar derinliğiyle dengelenmesi amacıyla seçilmiştir — burada ana kriter, hasar katmanının bu substrat tipi için taşlama ve polisaj sırasında alınacak stoğun altında kalmasıdır. Kesimden önce, kesim düzleminin kristal ile olan açısal toleransa uygunluğu doğrulanmış; montajda meydana gelebilecek herhangi bir eğiklik kesime başlanmadan önce düzeltilmiştir.

Optik camlar için dairesel profil kesiminde, dairesel kesim konfigürasyonunda halka zımparalı tel sistemi kullanılmıştır. Gerekli çapa sahip safir silindiri döner tablaya monte edilmiş, halka tel ise, dönen silindir üzerinde ilerleyerek disk formunda kesitler almıştır. Böylece, dairesel bir disk, düzgün kenarlar ve giriş/çıkış bölgelerinde düz testerede oluşacak kenar kırığı olmadan elde edilmiştir.

Her iki operasyonda da, kesme sıvısı formülasyonu safir için ayarlanmıştır — talaş tahliyesi ve tel soğutma açısından, safirde sıvının rolü silisyumdan farklıdır ve silisyumda iyi sonuç veren aynı sıvı safirde optimal yüzey kalitesi sağlamayabilir.

Her iki operasyon da, üretim kapsamı dahilinde başarıyla tamamlanmıştır. Dikkat çekilmesi gereken bazı noktalar:

LED uygulamalarına yönelik düz substrat dilimleri, c-düzleminde kesilen yüzeylerde gözle görülür kenar kırığı göstermemiştir. Numune kesitlerde yüzey altı hasar derinliği, polisaj sonrası süreç için belirlenen sınırın altında kalmıştır. Kurulumdaki kristal yönlenme doğrulaması — kesim düzleminin LED substratı için c-düzlemine açısal tolerans dahilinde hizalanmış olması — tüm seride doğru şekilde yapılmış; yönlenme reddi kaydedilmemiştir.

Optik cam uygulamalarında üretilen dairesel disklerde, tüm çevre boyunca düzgün kenarlar elde edilmiştir. Halka tel kesme yöntemi ile silindirik safir iş parçasındaki giriş ve çıkış noktasında düz testerenin yaratacağı çatlamalar önlenmiştir. Bu, dairesel kesme yönteminin yuvarlak veya silindirik safir iş parçalarında sağladığı sürekli bir avantajdır.

Kesim talaşı kaybı (kerf loss) açısından: kullanılan tel çapı ve parametre kombinasyonu, bu tip bir sistemde safir üzerinde pratikte elde edilebilecek en dar kerf genişliklerini sağlamıştır. Her substratın ciddi bir değer oluşturduğu bir blokta, optimize ve optimize olmayan kerf parametreleri arasındaki malzeme kazanımı farklılığının sürecin başında ölçülmesi önemlidir — genellikle, küçük bir üretim hacminde dahi optimizasyon süresi kendini hızlıca amorti eder.

Safir kesme, uygulamaya göre standart bir süreç değildir. LED için gerekli yönlenme, optik kullanım için gerekenden farklıdır; epitaksi için istenen yüzey kalitesi, optik cam ihtiyacının kriterlerinden farklıdır; dairesel bir disk geometrisi, düz bir substrattan farklıdır. Her uygulamaya uygun doğru kesim konfigürasyonu, spesifik gereksinimlerin tartışılmasını gerektirir — standart bir safir kesim reçetesi uygulanamaz.

Müşteri, proje veya kristal tedarikine ait bilgileri yayımlamıyoruz. Eğer siz de LED veya güç cihazı uygulamaları için safir substrat üretiyor ya da optik bileşenler için safir kesimi yapıyorsanız, Dinosaw Machine ihtiyaçlarınıza uygun geometri, yönlenme ve yüzey kalitesi gereksinimlerini değerlendirmek üzere sizinle iletişime geçebilir.

Substrat veya bileşen spesifikasyonunuz ile bize ulaşabilirsiniz.