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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文 獻(xiàn) 綜 述
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 文獻(xiàn)綜述
?金剛石線鋸切割機(jī)綜述
1 前言
脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長(zhǎng)，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機(jī)械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機(jī)是近十幾年來(lái)獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類(lèi)。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個(gè)微米，同時(shí)具備線鋸切割的特點(diǎn)，能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，且可實(shí)現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。
2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 國(guó)外線鋸切割機(jī)概況
用金剛石線鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀(jì)70年代提出W.Ebner進(jìn)行了早期線鋸加工實(shí)驗(yàn),由一個(gè)主動(dòng)輪鼓和一個(gè)從動(dòng)滑輪組成往復(fù)式多線鋸的往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)床，金剛石鋸的兩端繞過(guò)滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓帶動(dòng)鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。W.Ebner用之進(jìn)行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進(jìn)行了硅切片實(shí)驗(yàn)，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對(duì)金剛石線鋸的切害特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究[3]。
20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來(lái)，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對(duì)其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)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(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對(duì)材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對(duì)磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動(dòng)一嵌入”模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動(dòng)力學(xué)模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動(dòng)產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對(duì)薄片切割過(guò)程中鋸絲的振動(dòng)模型和熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出一個(gè)反饋控制算法，根據(jù)在線測(cè)得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行控制，最后提出了一種分析、改進(jìn)鋸切工藝的方法。Wei等人對(duì)單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的鋸絲振動(dòng)模型，通過(guò)振動(dòng)仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對(duì)鋸絲振動(dòng)幅度的影響并認(rèn)為，鋸絲振動(dòng)受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對(duì)切片表面質(zhì)量進(jìn)行了高精度測(cè)量[5]。
在得到廣泛應(yīng)用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無(wú)疑對(duì)切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時(shí)也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開(kāi)發(fā)了一種適合切割大截面硅片時(shí)使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過(guò)濾機(jī)對(duì)被微細(xì)硅切屑所污染的磨漿進(jìn)行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對(duì)油基磨漿的凈化和回收進(jìn)行了研究并認(rèn)為，鋸絲中的鐵質(zhì)粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導(dǎo)磁體分離器先進(jìn)行被磁化磨粒的分離，再進(jìn)行硅粉末的分離，實(shí)現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國(guó)外線切割設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線切割機(jī)水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來(lái)，專(zhuān)攻線切割機(jī)技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。
TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線切割設(shè)備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線切割機(jī)產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，MWS-610SD采用材料向下運(yùn)動(dòng)的切割方式。這兩種線切割機(jī)線絲存線長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社線切割機(jī)主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，可切150×150方形材料（主要針對(duì)太陽(yáng)能光電硅材料切割）存線長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線切割機(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線長(zhǎng)度達(dá)400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機(jī)基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機(jī)型。其中DS262機(jī)型是專(zhuān)為太陽(yáng)能級(jí)硅片切割設(shè)計(jì)的，該機(jī)型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動(dòng)切割過(guò)程中能切出圓片4400片。BS800機(jī)型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備[7]。
M&B公司線切割機(jī)主要用于200mm硅圓片和太陽(yáng)能級(jí)硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式，大大增強(qiáng)了工作臺(tái)的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線切割機(jī)主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機(jī)型主要用于太陽(yáng)能級(jí)硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線切割機(jī)設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，這樣可以增大工作臺(tái)的面積，增大切割能力[8]。
2.2 國(guó)內(nèi)線鋸切割機(jī)概況
我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開(kāi)發(fā)的DXQ601型多線切割機(jī)，具有手動(dòng)、自動(dòng)功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進(jìn)給速度、砂漿流量。其操作簡(jiǎn)潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準(zhǔn)確，保證切片精度。采用主軸電機(jī)變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制[9]。
樊瑞新和盧煥明對(duì)比線鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片，并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺(tái)往復(fù)式金剛石線鋸機(jī)床。孫建章等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)往復(fù)自旋式電鍍金剛石線鋸數(shù)控切割機(jī)，以氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對(duì)固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究，進(jìn)行了花崗巖的切割實(shí)驗(yàn)，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機(jī)理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因[10]。
國(guó)內(nèi)最早從事太陽(yáng)能多線切割機(jī)開(kāi)發(fā)的是上海日進(jìn)。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺(tái)多線切割樣機(jī)，樣機(jī)類(lèi)似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割試驗(yàn)結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實(shí)際試用的時(shí)候，還是遇到了很多的問(wèn)題，如成品率低、斷線率高、設(shè)備的控制精度比國(guó)外進(jìn)口設(shè)備要差[11]。
湖南宇晶在2006年左右開(kāi)始研制多線切割機(jī)，主要針對(duì)水晶切割市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，目前在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)銷(xiāo)售出了幾十臺(tái)多線切割機(jī)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是該公司還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適應(yīng)太陽(yáng)能硅片切割的多線切割機(jī)[12]。
陜西漢江機(jī)床公司展出的4620型數(shù)控多線切割機(jī)。該機(jī)經(jīng)過(guò)多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長(zhǎng)度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)[13]。
中國(guó)電子科技集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重大科技項(xiàng)目300mm多線切割機(jī)研制成功，打破了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線上運(yùn)行的12英寸多線切割機(jī)全部為進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機(jī)將完成商業(yè)機(jī)型的生產(chǎn)工藝驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)切割機(jī)無(wú)論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國(guó)外機(jī)相比，已縮小了差距，并接近國(guó)外水平[14]。
3 研究發(fā)展方向
從金剛石線鋸技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，許多突破性技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)，相對(duì)機(jī)理性研究的滯后而言，工業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用發(fā)展很快。下述為近年來(lái)金剛石線鋸裝備技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)方面。
3.1 磨漿與回收
在硅片等貴重材料的精密切割中，減少切縫損失、提高表面質(zhì)量非常重要。對(duì)此，磨漿是一個(gè)重要影響因素。理想的磨漿應(yīng)滿足工藝、環(huán)境與健康、經(jīng)濟(jì)三方面要求，應(yīng)具有粘度適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、清潔力強(qiáng)、易處理、可生物降解、無(wú)害、價(jià)格低等特點(diǎn)，其總體趨勢(shì)是使用粒度更小的金剛石磨料，如HLC公司的HS-20型磨漿使用水溶性基漿，使用粒度小于15um的金剛石磨料，具有很好的工藝性。
磨漿的回收重用則滿足了綠色制造和降低成本的要求。在半導(dǎo)體和光電池切割過(guò)程中，磨漿消耗占所有消耗成本的60%，因此各設(shè)備制造商紛紛投入磨漿回收設(shè)備的研制。HCL公司的ARM系統(tǒng)能去除70%以上的切屑，達(dá)到90％金剛石磨粒回收率。
3.2 大尺寸硅錠加工
金剛石線鋸多采用多線往復(fù)式結(jié)構(gòu)，為滿足大截面切片和提高產(chǎn)量的需求，導(dǎo)輪間距、導(dǎo)輪槽數(shù)和鋸絲長(zhǎng)度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時(shí)切割能力。目前，Diamond Wire Technology部公司生產(chǎn)的金剛石線鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產(chǎn)的DS262型線鋸能同時(shí)切割4根長(zhǎng)520mm、截面為153mmx153mm或直徑為6mm的硅棒，一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型線鋸則可同時(shí)對(duì)6根長(zhǎng)500mm、直徑3mm的硅棒進(jìn)行切割，一次切出6000片。
3.3 導(dǎo)輪槽加工
切片加工中，工件由并排繞于導(dǎo)輪上的多條鋸絲同時(shí)切割，片厚由導(dǎo)輪上的線槽間距決定。目前的趨勢(shì)是切片面積越來(lái)越大，厚度越來(lái)越薄，尤其光電池工業(yè)對(duì)厚度偏差和總厚度偏差提出了更高的要求，促進(jìn)新的開(kāi)槽技術(shù)的發(fā)展。
以前的導(dǎo)輪槽底部圓弧曲率半徑大，鋸絲定位不準(zhǔn)確，增大了總厚度偏差。另外，槽的表面不夠光滑，磨漿易于滲入。新的開(kāi)槽技術(shù)固定底部半徑50um，槽的斜面粗糙度達(dá)到N5(RaO0.2一0.4um)，整個(gè)槽為一次加工成形，精度較高。目前，已經(jīng)能得到厚度為140um的太陽(yáng)能電池切片。
3.4 切割力測(cè)量與控制
切割力的大小影響切片加工的效率和表面質(zhì)量，Diamond Wire Technology公司使用電容傳感器對(duì)鋸絲撓度進(jìn)行非接觸在線測(cè)量，通過(guò)換算得到切割力的大小，并采用搖動(dòng)機(jī)構(gòu)控制切割過(guò)程中（切割圓柱時(shí)）鋸絲對(duì)工件的接觸長(zhǎng)度，使得接觸長(zhǎng)度較小且保持一致，實(shí)現(xiàn)恒定小切削力切割，有利于提高表面質(zhì)量。
3.4 金剛石固結(jié)技術(shù)
固結(jié)金剛石線鋸主要有兩種：一種是將金剛石磨粒電鍍于鋼絲上，另一種則是直接將磨粒滾壓嵌入到鋼絲中。滾壓嵌入的方法降低了鋼絲的強(qiáng)度，并不常見(jiàn)。而傳統(tǒng)的鎳鍍技術(shù)只能得到數(shù)公里長(zhǎng)的鋸絲，因此電鍍金剛石線據(jù)發(fā)展緩慢。近年來(lái)，新的電鍍技術(shù)突破了這一極限，金剛石線鋸逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。日本的A.L.M.T公司利用其專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)出了100km長(zhǎng)的電鍍金剛石鋸絲[15]。
4 總結(jié)
超硬材料行業(yè)除了重視金剛石線鋸的研究之外，更要大力投入切割設(shè)備的研究，因?yàn)閮烧呤敲懿豢煞值摹．?dāng)然，硬脆材料切割設(shè)備是高精密設(shè)備，除了設(shè)計(jì)之外，還要，還要配以高精密機(jī)械制造裝備和高水平的機(jī)加工，才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)。才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)。超硬材料行業(yè)應(yīng)該為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為減少硅材料消耗，降低制造成本，解決生產(chǎn)中的關(guān)鍵，打破當(dāng)前國(guó)外設(shè)備的壟斷局面，做出更大的貢獻(xiàn)。
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