多线切割机对硬脆材料加工的发展方向

2010-08-08王广峰

电子工业专用设备 2010年1期

王广峰

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊 065201)

在硬脆材料加工的进程中内圆切片机是一支排头兵，其技术发展成熟、性能稳定，可适应各种硬脆材料的加工要求；但随着太阳能行业的迅猛发展内圆切片机因其加工效率和切口损耗而受到了市场的逐渐冷落。多线切割机是取代内圆切片机的新军，由于其切割效率高，切口损耗小，切片质量好成为了市场的新宠，占据了硅材料切割的多数份额，其中，以瑞士HTC和日本NTC生产的机型为主流设备。近年，随着新材料的不断发展进步，另一种线切割技术也逐步涌现，那就是金刚石线切割技术，这种技术目前只局限于单根或几根线切割材料，主要针对的是超硬材料的切割加工。

1 内圆切片机加工方式分析

内圆切片机的加工方式是依靠具有一定刚性的内圆刀片高速旋转，被加工材料沿内圆刀片径向低速进给，从而形成对材料的切割。这种加工机理和普通磨削有相似之处，其内圆刀片的刃口有电镀金刚砂层，刀片刃口就是一个缩微的双斜边砂轮。如图1所示。在整个切割的过程中，刀盘带动内圆刀片高速旋转，同时，刀片在做一种上下往复的高频震动，这种高频震动的振幅在某种程度上决定了切片的质量、成品率、厚度等。当被切材料进给时，刀片刃尖的金刚砂会在这种震动中对材料起切削作用，刀片刃背金刚砂对材料起划擦、抛光、震动、去屑的作用，在冷却液的共同作用下挟持切屑退出；当刀尖金刚石在不断的切割过程中发生钝化现象时，也就是最为典型的切割失效现象，刀片就需要进行刃口锐化。

图1 内圆切片机切割示意图

这里可以采用一个简单的数学模型来计算理论状态下内圆刀片上每个金刚砂的平均磨削面积；从而进一步分析其切割失效机理。见图2所示。

图2 内圆切割数学模型图

大圆为刀片内口，小圆为带切材料，图中阴影部分为被切材料作行程为δ长度的位移后从O点进给至Q点时切除的面积S，在这个过程中，刀片上A点转至D点，刀片刃口参与切割的长度为设刀口每豪米长度内有m颗磨粒参与切削，则平均每颗磨粒的磨削面积应为：

其中：V-材料进给速度

v-刀片刃口线速度

由3式可以看出；单位时间内，每颗磨粒参加的磨削面积与材料的进给速度和刀刃的线速度有关，当材料的进给速度增大，会增大磨粒的平均磨削面积，刀片刃口的线速度增大，即刀盘转速增大，会减小磨粒的平均磨削面积，而平均磨削面积的增大会对磨粒微刃的刚性是个考验，当超过了其负荷能力时，磨粒微刃会断裂，微刃数量丢失到一定程度就会体现在宏观上的刀口钝化现象直至切割失效。

将2式代入1式：可得：

2 多线切割机加工分析

目前，多线切割机的切割方式可定义为游离磨削加工，这种加工方式可以获得比一般机械加工更高的加工精度和表面质量，这种方法通过采用低的加工压力，微进给送料方式，用超细的磨粒和具有弹性支撑的载体，进行微量切削，可容易得到极小的加工单位，在加工过程中的每一个加工点局部，均是以材料微观变形或微量去除作用的集成来进行。

在当前流行的多线切割机上，主要靠钢线作为黏弹性支撑载体高速粘带游离磨料 (如绿色碳化硅)对材料进行划擦、挤压。磨料在材料加工区的运动方式和对材料的作用力取决于钢线的运动方式、运动速度、运动频率等。当钢线运动速度增大时，单位长度钢线携带磨料的数量减少，但是有相对更多的磨粒刃口会对材料起切削作用，其余部分磨料起挤压、划擦、抛光作用，而钢线速度增大时，磨料的刃齿力增大，对材料的切削频率加快，切割能力增强。所以从宏观现象来看，在同等条件下，钢线速度增大，游离磨削的加工能力就越强。这样，对设备的联动控制和机械结构会提出更高的要求，故此：设备制造商在开发此类产品时，对整机的性能先有一个比较合适的定位。

对多线切割机钢线张力的要求需要综合考虑；如果要提高张力，钢线的直径增大，那样，锯口损失会增大。所以，工程人员致力于研究更能带来经济价值的细线工艺，先进的工艺趋向于更小直径(0.1 mm)的钢线。

钢线单向和往复式运行对材料加工的效果是显而易见的，单向运行加工的材料表面损伤层浅、应力小等优点。图3是单向和往复切割单晶硅片表面粗糙度检测报告。从图3上可体现出往复式走线方式对材料的表面损伤层要深，而且从硅单晶片表面入刀口可以明显看见切割刀纹，这种方式加工的硅片不能完全满足工艺要求。但是往复式切割时材料受到交变冲击加工，材料成屑效果好，去除率高，从而加工速度快，节约了成本，这也是一些低端产品使用的原因。

图3 单晶硅片表面粗糙度检测报告

线切割工艺线中送料 (125 mm×125 mm单晶硅)速度基本上控制在0.37 mm/min左右，完成一次切割大约需要六个多小时，这种切割效率所带来的片均成本对企业是一个极大的压力。

3 金刚石线切割前沿技术分析

金刚石线切割也属于固结磨料的磨削加工技术，这种加工方式和内圆切割机有相同点和不同点，相同点在于金刚石线可以看作是一个无穷大的内圆刀刃，其切割失效机理和内圆切割机相类似，材料的进给速度增大，会增大磨粒的平均磨削面积，钢线的运行速度增大，会减小磨粒的平均磨削面积。二者不同点是内圆切割机刀口位置在径向是相对静止的，而金刚石线是一个不断以某一频率振动的刃口，并且这种振动又能加快切割的速度，同时也会增加磨粒微刃的断裂与磨损，当其有效切削刃减少到某一程度就体现出切割失效现象，这和内圆刀片的失效有相似之处。

游离磨料加工时磨粒的刚性只是其速度的体现，而固结磨料磨粒的刚性不仅有其速度梯度的体现，也有其钢线刚性的体现，这两方面的叠加形成了固结磨粒进行切割加工时的划切能力。因其切割能力强，在进行软材料切割时送料速度可成倍于游离磨削时的送料速度。但固结磨粒会因自身的刚性和粒度局限性而对软材料表面形成沟壕损伤层，而且锯口宽，材料损耗多，对软材料的大批量生产带来了不可逾越的鸿沟。目前，固结金刚石线线切割工艺仅仅使用于单根或少数几根同时切割材料，图4是以固结金刚石线切割加工后的晶片表面粗糙度抽样检测报告。

图4 金刚石线切割晶片粗糙度检测报告

从该报告中不难看出，对超硬性材料碳化硅(莫氏硬度9.2)的加工表面粗糙度低于软性材料铌酸锂(莫氏硬度5)，说明金刚石线侧向振动对软性材料的表面粗糙度影响很大。

4 固结磨粒与游离磨粒加工的结合点

技术的发展是为了解决新的问题，当固结磨料加工方式对软材料加工存在瓶颈时，而游离磨料因为应对超硬材料时其切割能力不可令人满意，二者结合或许就是最佳的选择。游离磨料包裹住固结金刚石线高速运转切割材料，主要依靠固结金刚石磨粒在材料进给方向参加切削加工作用，在材料加工面会形成高速运动的浮游磨粒隔离固结金刚石磨粒对加工面的损伤。游离磨料相对材料作高速运动中进行滚动摩擦、滑动摩擦、划擦运动，从而完成对材料研磨、抛光的任务。如果新的工艺允许，使固结金刚石粒度再上一个台阶，减小了因其线径而损耗的材料，固结金刚石磨料辅以游离磨料对半导体材料的加工肯定会成为新的发展方向，不论在行业软材料切割的工作效率上，还是对超硬材料表面损伤层优化上都会有质的提高。