吳智洪

（上海昀豐光電技術(shù)有限公司，上海201201）

0 引言

科技和社會(huì)的發(fā)展，從客觀上推動(dòng)著人們對(duì)于集成電路的需求，而其中所涉及到的切片工藝，也在這種需求的推動(dòng)下不斷成熟。集成電路中涉及許多硬脆材料切片，諸如單晶硅、藍(lán)寶石、石英晶體、壓電陶瓷、磁性材料、光學(xué)玻璃等，并且其切片質(zhì)量和效率直接影響著相應(yīng)電子設(shè)備制成品的基片質(zhì)量、器件成本等參數(shù)。因此，此類材料的切片工藝受到了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。

1 多線切割技術(shù)的概念與結(jié)構(gòu)

多線切割技術(shù)的核心原理在于通過(guò)金屬線的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入到待切割材料中，按照預(yù)先設(shè)定的軌跡進(jìn)行研磨，并最終將其切開(kāi)。在操作過(guò)程中，多條金屬線同時(shí)與待加工材料相接觸，因此可以通過(guò)一次操作動(dòng)作同時(shí)切出幾百乃至上千切片，并且在機(jī)床健康狀況良好的情況下，切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都會(huì)勝于用傳統(tǒng)加工設(shè)備切割出來(lái)的產(chǎn)品。目前，多線切割已成為行業(yè)內(nèi)脆硬特征材料切割加工的首選，有明顯替代傳統(tǒng)內(nèi)圓切割和外圓切割技術(shù)的趨勢(shì)。

從工作過(guò)程上看，通常選用鋼絲線或者金剛石線作為切割線，并且從放線輥經(jīng)由一系列導(dǎo)向輥過(guò)渡到加工輥上，最后采用同樣的方式將切割線收卷到收線輥。在切片加工過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)加工輥轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)切割線實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將待切割工件移動(dòng)至與切割線相接觸的位置，通過(guò)切割絲的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)研磨用砂漿對(duì)待切割件進(jìn)行反復(fù)摩擦，最終實(shí)現(xiàn)切割。多線切割工藝示意圖如圖1所示，圖中的加工輥控制著一簇切割線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)下方的待加工工件施行切割操作。

圖1 多線切割工藝示意圖

在實(shí)際的線切割工作系統(tǒng)中，切割線除了受到加工輥以及收放線輥控制以外，還需要受到位于加工輥兩側(cè)的張力控制系統(tǒng)以及排線裝置約束，此外供砂系統(tǒng)、主軸冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)等也都在整個(gè)切割工作中發(fā)揮著重要作用。在眾多的支持系統(tǒng)中，張力控制系統(tǒng)直接影響到切割產(chǎn)品的質(zhì)量，也從一個(gè)側(cè)面影響著切割線以及相關(guān)零配件的壽命，是多線切割機(jī)床研究重點(diǎn)關(guān)注的因素。

2 多線切割張力控制淺析

在多線切割的工作過(guò)程中，切割線的狀態(tài)直接影響著切割的工藝和效果，其抖動(dòng)幅度和頻度對(duì)于切片的平行度允差、切痕的最小寬度、角度允差等參數(shù)影響很大，也是工作斷線故障的主要成因之一。鑒于此，在實(shí)際工作過(guò)程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)切割線張力的控制，奠定有效加工基石，切實(shí)提高加工效率以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益。首先需要對(duì)切割線張力的形成進(jìn)行深入分析。在加工過(guò)程中，切割絲由放料卷向收料卷運(yùn)動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)途中經(jīng)過(guò)待加工材料，現(xiàn)用F0表示切割線的張力，根據(jù)胡克定律，其可以表示為原料傳送時(shí)間t的函數(shù)：

式中，V1、V2分別為收料卷和放料卷運(yùn)行的線速度；ε為原料的彈性模量；δ為材料的橫截面積；L為原料的初始牽引長(zhǎng)度。

由式（1）可以看出，材料在牽引運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的張力形成過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)速度差積分的過(guò)程，通過(guò)對(duì)式（1）求導(dǎo)可以得到式（2）：

式（2）表明，張力變化的方向與速度差相同，因此對(duì)于張力的調(diào)節(jié)可以從調(diào)節(jié)速度差的角度著手，當(dāng)速度差保持為0時(shí)，張力將保持恒定。對(duì)于切割線在加工輥上的張力計(jì)算問(wèn)題，可以參照瑞士科學(xué)家Euler提出的張力遞增定律進(jìn)行計(jì)算。在圖2中，假設(shè)工作輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在其上選取dα角度進(jìn)行考證，工作輥對(duì)于切割線的彈力和摩擦力分別用d P和μd P表示，其中μ為摩擦系數(shù)。如果單位長(zhǎng)度切割線的質(zhì)量為ρ，則該段切割線對(duì)于輥軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以用d Iε表示，并且有：

式中，R為輥半徑。

圖2 切割線包繞輥張力分析模型示意圖

圖2中，β為切割線在輥上的包繞角，是輥與切割線2個(gè)切點(diǎn)半徑之間的夾角，仍然用ω表示輥的轉(zhuǎn)速，F(xiàn)表示切割線張力，在輥的不同側(cè)標(biāo)注以不同角標(biāo)，則在d P方向上有：

式（4）中，dα以及d F均趨于0，因此式（4）可以近似記為：

同時(shí)在μd P方向上有：

式（6）中右側(cè)可忽略，近似為0，則有：

根據(jù)式（5）以及式（7）可以進(jìn)一步推導(dǎo)出：

對(duì)式（8）兩側(cè)進(jìn)行積分運(yùn)算，則：

由此可以看出，輥兩側(cè)的切割線張力與摩擦系數(shù)μ及包繞角β密切相關(guān)。

在對(duì)切割線張力進(jìn)行控制的工作中，一些小型的多線切割機(jī)多采用在加工輥和收放線輥之間增加重力錘的方式，借由重力錘的位置和擺動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)主電動(dòng)機(jī)與放線電動(dòng)機(jī)之間的速度，使其保持同步，消除速度差。但是此種方法屬于開(kāi)環(huán)控制，在穩(wěn)定性上存在明顯不足，目前僅在260 m／min以下速度的機(jī)床中應(yīng)用。另一種可供選擇的張力控制方式采用單片機(jī)控制AD轉(zhuǎn)換器采集張力傳感器相應(yīng)的反饋信號(hào)，進(jìn)而做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作。這種閉環(huán)控制從理論上會(huì)獲得良好的效果，但多線切割時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差、各線輥的跳動(dòng)及切割時(shí)的負(fù)載效應(yīng)等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致切割線張力信號(hào)帶寬較大，最高甚至超過(guò)500 Hz，大于系統(tǒng)帶寬，給系統(tǒng)控制帶來(lái)不利，因此通常僅用于絞車等張力較大且波動(dòng)頻率低的場(chǎng)合。

目前在多線切割技術(shù)領(lǐng)域常見(jiàn)的另一類張力控制方法，是采用一個(gè)質(zhì)量相對(duì)較輕的張力擺桿替代重力錘，同時(shí)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為張力電動(dòng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，以此種方法代替重力錘的作用。采用此種方法對(duì)張力進(jìn)行控制，在切割線需要較大張力的時(shí)候獲得了良好的控制效果。與普通重力錘控制方式相比，此種控制方法張力波動(dòng)幅度最高可以下降90%，張力擾動(dòng)大幅度降低，有效克服了開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)，是目前工作過(guò)程中所采用的相對(duì)主流且有效的控制方法。

3 結(jié)語(yǔ)

多線切割技術(shù)目前還處于不斷完善中，未來(lái)必然會(huì)發(fā)展出更為完備的加工控制工藝。唯有深入了解機(jī)械工作的原理和切實(shí)問(wèn)題，有的放矢，才能提出有效的改進(jìn)建議和措施，有效提高多線切片工作的效率和效益。

［1］戴瑜興，湯睿，張義兵，等.數(shù)控多線切割技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2007（11）

［2］張義兵，戴瑜興，袁巨龍，等.多線切割機(jī)線張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009（5）

［3］蔣近，戴瑜興，郜克存，等.多線切割機(jī)走線系統(tǒng)的張力控制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（5）