王廣峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊 065201)

在硬脆材料加工的進(jìn)程中內(nèi)圓切片機(jī)是一支排頭兵，其技術(shù)發(fā)展成熟、性能穩(wěn)定，可適應(yīng)各種硬脆材料的加工要求；但隨著太陽能行業(yè)的迅猛發(fā)展內(nèi)圓切片機(jī)因其加工效率和切口損耗而受到了市場的逐漸冷落。多線切割機(jī)是取代內(nèi)圓切片機(jī)的新軍，由于其切割效率高，切口損耗小，切片質(zhì)量好成為了市場的新寵，占據(jù)了硅材料切割的多數(shù)份額，其中，以瑞士HTC和日本NTC生產(chǎn)的機(jī)型為主流設(shè)備。近年，隨著新材料的不斷發(fā)展進(jìn)步，另一種線切割技術(shù)也逐步涌現(xiàn)，那就是金剛石線切割技術(shù)，這種技術(shù)目前只局限于單根或幾根線切割材料，主要針對(duì)的是超硬材料的切割加工。

1 內(nèi)圓切片機(jī)加工方式分析

內(nèi)圓切片機(jī)的加工方式是依靠具有一定剛性的內(nèi)圓刀片高速旋轉(zhuǎn)，被加工材料沿內(nèi)圓刀片徑向低速進(jìn)給，從而形成對(duì)材料的切割。這種加工機(jī)理和普通磨削有相似之處，其內(nèi)圓刀片的刃口有電鍍金剛砂層，刀片刃口就是一個(gè)縮微的雙斜邊砂輪。如圖1所示。在整個(gè)切割的過程中，刀盤帶動(dòng)內(nèi)圓刀片高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，刀片在做一種上下往復(fù)的高頻震動(dòng)，這種高頻震動(dòng)的振幅在某種程度上決定了切片的質(zhì)量、成品率、厚度等。當(dāng)被切材料進(jìn)給時(shí)，刀片刃尖的金剛砂會(huì)在這種震動(dòng)中對(duì)材料起切削作用，刀片刃背金剛砂對(duì)材料起劃擦、拋光、震動(dòng)、去屑的作用，在冷卻液的共同作用下挾持切屑退出；當(dāng)?shù)都饨饎偸诓粩嗟那懈钸^程中發(fā)生鈍化現(xiàn)象時(shí)，也就是最為典型的切割失效現(xiàn)象，刀片就需要進(jìn)行刃口銳化。

圖1 內(nèi)圓切片機(jī)切割示意圖

這里可以采用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算理論狀態(tài)下內(nèi)圓刀片上每個(gè)金剛砂的平均磨削面積；從而進(jìn)一步分析其切割失效機(jī)理。見圖2所示。

圖2 內(nèi)圓切割數(shù)學(xué)模型圖

大圓為刀片內(nèi)口，小圓為帶切材料，圖中陰影部分為被切材料作行程為δ長度的位移后從O點(diǎn)進(jìn)給至Q點(diǎn)時(shí)切除的面積S，在這個(gè)過程中，刀片上A點(diǎn)轉(zhuǎn)至D點(diǎn)，刀片刃口參與切割的長度為設(shè)刀口每豪米長度內(nèi)有m顆磨粒參與切削，則平均每顆磨粒的磨削面積應(yīng)為：

其中：V-材料進(jìn)給速度

v-刀片刃口線速度

由3式可以看出；單位時(shí)間內(nèi)，每顆磨粒參加的磨削面積與材料的進(jìn)給速度和刀刃的線速度有關(guān)，當(dāng)材料的進(jìn)給速度增大，會(huì)增大磨粒的平均磨削面積，刀片刃口的線速度增大，即刀盤轉(zhuǎn)速增大，會(huì)減小磨粒的平均磨削面積，而平均磨削面積的增大會(huì)對(duì)磨粒微刃的剛性是個(gè)考驗(yàn)，當(dāng)超過了其負(fù)荷能力時(shí)，磨粒微刃會(huì)斷裂，微刃數(shù)量丟失到一定程度就會(huì)體現(xiàn)在宏觀上的刀口鈍化現(xiàn)象直至切割失效。

將2式代入1式：可得：

2 多線切割機(jī)加工分析

目前，多線切割機(jī)的切割方式可定義為游離磨削加工，這種加工方式可以獲得比一般機(jī)械加工更高的加工精度和表面質(zhì)量，這種方法通過采用低的加工壓力，微進(jìn)給送料方式，用超細(xì)的磨粒和具有彈性支撐的載體，進(jìn)行微量切削，可容易得到極小的加工單位，在加工過程中的每一個(gè)加工點(diǎn)局部，均是以材料微觀變形或微量去除作用的集成來進(jìn)行。

在當(dāng)前流行的多線切割機(jī)上，主要靠鋼線作為黏彈性支撐載體高速粘帶游離磨料 (如綠色碳化硅)對(duì)材料進(jìn)行劃擦、擠壓。磨料在材料加工區(qū)的運(yùn)動(dòng)方式和對(duì)材料的作用力取決于鋼線的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)頻率等。當(dāng)鋼線運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，單位長度鋼線攜帶磨料的數(shù)量減少，但是有相對(duì)更多的磨粒刃口會(huì)對(duì)材料起切削作用，其余部分磨料起擠壓、劃擦、拋光作用，而鋼線速度增大時(shí)，磨料的刃齒力增大，對(duì)材料的切削頻率加快，切割能力增強(qiáng)。所以從宏觀現(xiàn)象來看，在同等條件下，鋼線速度增大，游離磨削的加工能力就越強(qiáng)。這樣，對(duì)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)提出更高的要求，故此：設(shè)備制造商在開發(fā)此類產(chǎn)品時(shí)，對(duì)整機(jī)的性能先有一個(gè)比較合適的定位。

對(duì)多線切割機(jī)鋼線張力的要求需要綜合考慮；如果要提高張力，鋼線的直徑增大，那樣，鋸口損失會(huì)增大。所以，工程人員致力于研究更能帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值的細(xì)線工藝，先進(jìn)的工藝趨向于更小直徑(0.1 mm)的鋼線。

鋼線單向和往復(fù)式運(yùn)行對(duì)材料加工的效果是顯而易見的，單向運(yùn)行加工的材料表面損傷層淺、應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)。圖3是單向和往復(fù)切割單晶硅片表面粗糙度檢測報(bào)告。從圖3上可體現(xiàn)出往復(fù)式走線方式對(duì)材料的表面損傷層要深，而且從硅單晶片表面入刀口可以明顯看見切割刀紋，這種方式加工的硅片不能完全滿足工藝要求。但是往復(fù)式切割時(shí)材料受到交變沖擊加工，材料成屑效果好，去除率高，從而加工速度快，節(jié)約了成本，這也是一些低端產(chǎn)品使用的原因。

圖3 單晶硅片表面粗糙度檢測報(bào)告

線切割工藝線中送料 (125 mm×125 mm單晶硅)速度基本上控制在0.37 mm/min左右，完成一次切割大約需要六個(gè)多小時(shí)，這種切割效率所帶來的片均成本對(duì)企業(yè)是一個(gè)極大的壓力。

3 金剛石線切割前沿技術(shù)分析

金剛石線切割也屬于固結(jié)磨料的磨削加工技術(shù)，這種加工方式和內(nèi)圓切割機(jī)有相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，相同點(diǎn)在于金剛石線可以看作是一個(gè)無窮大的內(nèi)圓刀刃，其切割失效機(jī)理和內(nèi)圓切割機(jī)相類似，材料的進(jìn)給速度增大，會(huì)增大磨粒的平均磨削面積，鋼線的運(yùn)行速度增大，會(huì)減小磨粒的平均磨削面積。二者不同點(diǎn)是內(nèi)圓切割機(jī)刀口位置在徑向是相對(duì)靜止的，而金剛石線是一個(gè)不斷以某一頻率振動(dòng)的刃口，并且這種振動(dòng)又能加快切割的速度，同時(shí)也會(huì)增加磨粒微刃的斷裂與磨損，當(dāng)其有效切削刃減少到某一程度就體現(xiàn)出切割失效現(xiàn)象，這和內(nèi)圓刀片的失效有相似之處。

游離磨料加工時(shí)磨粒的剛性只是其速度的體現(xiàn)，而固結(jié)磨料磨粒的剛性不僅有其速度梯度的體現(xiàn)，也有其鋼線剛性的體現(xiàn)，這兩方面的疊加形成了固結(jié)磨粒進(jìn)行切割加工時(shí)的劃切能力。因其切割能力強(qiáng)，在進(jìn)行軟材料切割時(shí)送料速度可成倍于游離磨削時(shí)的送料速度。但固結(jié)磨粒會(huì)因自身的剛性和粒度局限性而對(duì)軟材料表面形成溝壕損傷層，而且鋸口寬，材料損耗多，對(duì)軟材料的大批量生產(chǎn)帶來了不可逾越的鴻溝。目前，固結(jié)金剛石線線切割工藝僅僅使用于單根或少數(shù)幾根同時(shí)切割材料，圖4是以固結(jié)金剛石線切割加工后的晶片表面粗糙度抽樣檢測報(bào)告。

圖4 金剛石線切割晶片粗糙度檢測報(bào)告

從該報(bào)告中不難看出，對(duì)超硬性材料碳化硅(莫氏硬度9.2)的加工表面粗糙度低于軟性材料鈮酸鋰(莫氏硬度5)，說明金剛石線側(cè)向振動(dòng)對(duì)軟性材料的表面粗糙度影響很大。

4 固結(jié)磨粒與游離磨粒加工的結(jié)合點(diǎn)

技術(shù)的發(fā)展是為了解決新的問題，當(dāng)固結(jié)磨料加工方式對(duì)軟材料加工存在瓶頸時(shí)，而游離磨料因?yàn)閼?yīng)對(duì)超硬材料時(shí)其切割能力不可令人滿意，二者結(jié)合或許就是最佳的選擇。游離磨料包裹住固結(jié)金剛石線高速運(yùn)轉(zhuǎn)切割材料，主要依靠固結(jié)金剛石磨粒在材料進(jìn)給方向參加切削加工作用，在材料加工面會(huì)形成高速運(yùn)動(dòng)的浮游磨粒隔離固結(jié)金剛石磨粒對(duì)加工面的損傷。游離磨料相對(duì)材料作高速運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦、劃擦運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)材料研磨、拋光的任務(wù)。如果新的工藝允許，使固結(jié)金剛石粒度再上一個(gè)臺(tái)階，減小了因其線徑而損耗的材料，固結(jié)金剛石磨料輔以游離磨料對(duì)半導(dǎo)體材料的加工肯定會(huì)成為新的發(fā)展方向，不論在行業(yè)軟材料切割的工作效率上，還是對(duì)超硬材料表面損傷層優(yōu)化上都會(huì)有質(zhì)的提高。

5 小結(jié)

本文從內(nèi)圓切割機(jī)入題，闡述了游離磨粒型多線切割機(jī)在加工效率上有很大的提升空間；而固結(jié)磨粒線切割對(duì)軟性材料加工的表面質(zhì)量不能滿足工藝要求；這兩種加工方式糅合在一起會(huì)形成一種新型的加工技術(shù)。這種工藝技術(shù)會(huì)解決二者的缺點(diǎn)和不足，會(huì)給硅片生產(chǎn)廠商帶來新的機(jī)遇。

期待這種新的技術(shù)會(huì)帶給這個(gè)行業(yè)嶄新的發(fā)展思路。

[1] 莊司克雄著；郭隱彪，王振忠譯.磨削加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 李伯民,趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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