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金剛石線切割的原理、特點及其在精密超精密加工領域的應用

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金剛石線切割

20世紀90年代,國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題,采用了線鋸加工技術將硅棒切割成片。早期的線鋸加工技術是采用裸露的金屬線和游離的磨料,在加工過程中,將磨料以第三者加入到金屬線和加工件之間產生切削作用[1]。這種技術被成功地用于對硅和碳化硅的加工。為了進一步縮短加工時間,以及對其它堅硬物質和難以加工的陶瓷進行加工,人們將金剛石磨料以一定的方式固定到金屬線上,從而產生了固定金剛石線鋸。

3.1金剛石線切割的原理

圖片2 

3.1金剛石線切割原理圖

如圖3.1高速往復運動的切割線帶動砂漿到切割區,使砂漿中的研磨顆粒(SiC顆粒)與硅棒表面高速磨削,由于研磨顆粒有非常銳利的棱角,并且硬度遠大于硅棒的硬度,所以硅棒與線鋸接觸的區域逐漸被砂漿磨削掉,進而達到切割的效果,同時砂漿也可以帶走磨削中產生的大量熱[2]。

在對金剛石線鋸切割機理的認識過程中,許多研究者認為,金剛石磨粒的微觀切削運動是一個滾動、嵌入過程,提出了“滾動 -嵌入”模型。Li 等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動,同時壓擠磨粒嵌入切削表面,從而形成剝落片屑和表面裂縫,形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用, 發現磨粒對材料的最大剪切應力發生在微觀切削表面之下,據此對磨料的選擇進行優化。Kao 等人指出在 “滾動 - 嵌入” 模型中,磨粒的運動除滾動和嵌入外,還包括刮擦, 三者共同形成切削作用。Bhagavat等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為,在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區域內,鋸絲與磨漿的運動構成了一個彈性流體動力學環境,用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型,得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數, 還得出結論:磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸,是磨粒的流動產生了切削[3]。

3.2  金剛石線切割的導線輪

      根據切割材料直徑不同和設備制造廠家的技術考慮導線輪有2輪、3輪、4輪不等,安裝方法有2輪平行、等邊三角形或梯形,如圖3.2所示。


圖片2.lnk

 

3.2導線輪安裝形式

導線輪是控制片厚的關鍵部件,導線輪是用高分子材料制作的精密滾輪,在其表而刻有等同于線寬、深的螺旋槽,切割時將線繞在導線輪上。要求其材料耐磨性要好、剛度要高,在切割張緊時不能變形:片厚的控制取決于槽間寬度,槽間寬度誤差應小于5um,所以對材質要求和加工精度都非常高[4]。

3.3  金剛石線切割的特點[5]

a) 可加工非導電材料 而傳統的放電加工則不能

b)  可進行多線切割

c) 刀縫損失小 這對加工成本高的半導體和貴重材料非常重要。用直徑350 m 的金剛石線切SiC單晶時刀縫才為0 .3048 mm

d) 可自由改變切割位向

3.4 金剛石線切割的應用

20世紀90年代,國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題,采用了線鋸加工技術將硅棒切割成片,這種技術被成功地用于對硅和碳化硅的加工。

目前,采用金剛石工具切割花崗石是石材加工常用的方法之一

    目前在光電子工業中使用最為廣泛的是往復式多線鋸

金剛石線切割被廣泛的用在大尺寸半導體和光電池薄片切割

 

參考文獻

[1]Ito S,Murata R Study on machining characteristics of dia—mond abrasive wire EJ].J Mechanical Engineering Lab,1987,41(5):236

[2]馮濤,李保軍,馬玉通.鍺單晶切割工藝研究[J].電子工業專用設備,2009,175.

[3]周銳,李劍峰等.金剛石線鋸的研究現狀與進展[J].現代制造工程,2004,(6):112-115.

[4]楊樹人,王宗昌.半導體材料[M].北京:科學出版社,2003,56-59.

 


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