一种用于半导体行业脆硬材料加工的PCD微型钻头及其制造方法与流程

本技术涉及微孔钻削加工，具体涉及一种用于半导体行业脆硬材料加工的pcd微型钻头及其制造方法。

背景技术：

1、单晶硅是半导体行业脆硬材料的占比最大的芯片制造的核心基底材料，具有硬度高、弹性模量高、断裂韧性极低、热导率高等特点，属于典型的硬脆难加工材料。在半导体器件制造过程中，需要在厚度0.3mm-1.0mm的单晶硅片上加工大量直径小于1mm的微小孔，用于硅通孔互连、mems器件结构、芯片散热等关键工艺。

2、目前，用于单晶硅微小孔加工的刀具主要有硬质合金钻头和pcd（polycrystalline diamond，聚晶金刚石）钻头。硬质合金钻头硬度低、耐磨性差，加工单晶硅时磨损极快，使用寿命通常只有几百个孔，且加工精度难以保证。pcd钻头具有极高的硬度和耐磨性，是加工单晶硅的理想刀具。

3、现有pcd微型钻头大多采用单一导程的螺旋槽设计，大导程螺旋槽排屑距离短、排屑顺畅，但会导致钻头周刃锋利度降低和芯部刚性下降，在高速钻削时容易发生弯曲变形和断刀，而小导程螺旋槽周刃锋利度高、刚性好，但排屑距离长，单晶硅切屑呈粉末状，极易在螺旋槽内堆积堵塞，进而导致钻头折断和孔壁严重划伤，存在排屑与刚性的“大导程必然导致刚性下降，小导程必然导致排屑困难”技术问题。

4、此外，小顶角钻尖定心能力强，但切削力大，单晶硅材料在切削力作用下容易产生脆性断裂，导致入口崩边和出口塌边，而大顶角钻尖切削力小、抗崩边能力强，但定心能力差，容易导致钻孔偏斜和孔径超差。存在定心与抗崩边的“大顶角必然导致定心精度下降”的技术问题。

5、现有pcd微型钻头均采用圆柱形刃带设计，刃带与孔壁为面接触，接触面积大，切削时产生的径向切削力大。对于断裂韧性极低的单晶硅材料，较大的径向力会导致入口处材料崩落和出口处材料塌边，同时会增加孔壁粗糙度，甚至产生微裂纹。减小刃带宽度虽然可以降低径向力，但会导致钻头导向性变差，加工稳定性下降。

6、因此，亟需开发一种基用于半导体单晶硅加工的pcd微型钻头及其制造方法以解决上述技术问题。

7、要说明的是，上述内容仅用于辅助理解本技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本技术旨在解决上述技术问题，提供一种用于半导体行业脆硬材料加工的pcd微型钻头及其制造方法，解决现有技术中存在的排屑困难、易断刀、入口崩边、出口塌边、孔壁质量差和寿命短的问题。

2、第一方面，本技术涉及一种用于半导体行业脆硬材料加工的pcd微型钻头，包括依次连接的钻柄及钻杆，所述钻杆上设有螺旋角及钻尖，所述钻杆上设有变导程螺旋槽，所述变导程螺旋槽的螺旋角沿轴向平滑过渡，

3、所述螺旋角公式为：(z)=+（）·exp；

4、其中，(z)为轴向位置z处的螺旋角，为所述钻尖初始螺旋角，为所述钻柄末端螺旋角，k为单晶硅切屑速度匹配系数，m为平滑过渡指数，为所述变导程螺旋槽总长度，z为距所述钻尖的轴向距离；

5、所述钻杆的芯径从所述钻尖向所述钻柄方向连续增大，形成前小后大的抛物线结构，所述钻杆的芯径增加速率与螺旋角变化率的绝对值动态耦合，

6、公式为：(z)=+·；

7、其中，(z)为轴向位置z处的芯径，为钻尖初始芯径，为基础抛物线系数，q为螺旋角刚性补偿系数，为螺旋角变化率的绝对值；

8、所述钻杆的外径从所述钻尖向所述钻柄方向逐渐减小，

9、所述钻杆的外径公式为：(z)=d·；

10、其中，(z)为轴向位置z处的钻杆外径，d为钻头直径。

11、在一个具体的可实施方案中，所述螺旋角包括在所述钻杆上靠近所述钻尖处的初始螺旋角、所述在钻杆上靠近所述钻柄处的末端螺旋角及设在所述初始螺旋角与所述末端螺旋角之间的第一螺旋角和第二螺旋角，所述初始螺旋角为35°，所述末端螺旋角为15°。

12、在一个具体的可实施方案中，所述钻尖初始芯径与所述钻头直径d的关系为0.30d≤≤0.35d，所述钻杆末端芯径为所述钻头直径d的0.40d≤≤0.45d。

13、在一个具体的可实施方案中，所述钻杆包括pcd刀头，所述pcd刀头包括第一切削刃、减薄横刃、与所述第一切削刃连接的第二切削刃及周刃，所述第一切削刃与所述钻尖形成中心顶角，所述中心顶角为150°，所述减薄横刃的厚度为所述钻头直径d的5%-8%，所述第二切削刃之间的角度为85°-90°。

14、在一个具体的可实施方案中，所述周刃包括多个棱形刃带，每个所述棱形刃带包括至少一个平面，每个所述平面的宽度为所述钻头直径d的2%-3%。

15、在一个具体的可实施方案中，所述钻杆上设有轴向倒锥，所述轴向倒锥的长度范围为距离所述钻尖2-3倍的所述钻头直径，倒锥量为0.005-0.01mm/10mm。

16、在一个具体的可实施方案中，所述钻尖包括多级切削刃直径，公式为：=d·；

17、其中，为第n级切削刃的直径，d为钻头直径，为单晶硅临界崩边切削力，为总轴向切削力；

18、每级切削刃的轴向长度满足：·，其中，=0。

19、在一个具体的可实施方案中，所述pcd刀头包括三级切削刃，所述第一切削刃直径为0.26mm，所述第二切削刃直径为0.36mm，所述周刃直径为0.45mm，所述第二切削刃与所述周刃之间设有圆弧过渡部，所述圆弧过渡部的半径为0.1mm-0.2mm。

20、在一个具体的可实施方案中，所述变导程螺旋槽包括靠近所述钻尖的第一组螺旋槽及靠近所述钻柄的第二组螺旋槽，所述周刃包括靠近所述钻尖的第一组刃带及靠近所述钻柄的第二组刃带，所述第一组螺旋槽宽度w1与所述第一组刃带宽度h1比例为w1：h1=1.2：1，所述第二组螺旋槽宽度w2与所述第二组刃带宽度h2比例为w2：h2=1：1，所述第一组螺旋槽宽度w1与所述第一组刃带宽度h1的比值从所述钻尖向所述钻柄方向由1.2：1逐渐变化至所述第二组螺旋槽宽度w2与所述第二组刃带宽度h2的比值1：1。

21、第二方面，本技术提供了一种用于半导体行业脆硬材料加工的pcd微型钻头制造方法，包括以下步骤：

22、s1：下料制备wc-co硬质合金钻杆基体和pcd圆柱刀头，依次对钻杆基体进行粗磨柄部、端面磨定长、尾部倒角、精磨柄部、端面平头和精磨刀杆端部焊接台阶处理；

23、s2：对钻杆基体进行清洗进行清洗和激光打标后，采用真空高频焊接工艺将pcd圆柱刀头焊接到钻杆基体的端部焊接台阶处；

24、s3：采用激光车削工艺加工pcd刀头和钻杆工作段外圆，再精磨接磨外径与过渡锥；

25、s4：采用五轴数控金刚石工具磨床加工变导程螺旋槽、螺旋角耦合式抛物线芯径、等刚度连续变径结构、三级阶梯钻尖、多棱形刃带和分段式轴向让位倒锥，加工至成品尺寸；

26、s5：对钻尖后角和周刃进行铜轮电解刃口与超声波抛光的复合精密处理，经完工检验后包装入库。

27、本技术提供的一种用于半导体行业脆硬材料加工的pcd微型钻头，至少具有如下有益效果：本技术的螺旋角采用指数函数平滑过渡，既保证了近钻尖区域大螺旋角锋利和大容屑空间，又避免了分段处的切屑卡滞和应力集中，同时芯径增加速率与螺旋角变化率动态耦合，螺旋角越大的区域，即刚性越弱的区域，芯径增加越快，精准补偿大螺旋角带来的刚性损失，解决了排屑和刚性平衡的问题。此外，钻杆外径随螺旋角的减小而逐渐减小，不同于传统台阶式避空设计，本技术的变径是连续平滑的，避免了台阶处的应力集中；同时变径幅度与螺旋角大小正相关，螺旋角小的区域，即刚性高的区域，钻杆外径更小，避空更多，进一步减小了钻杆与孔壁的摩擦，实现了刚性和避空的平衡。