高 偉， 董夫?qū)帲?李 騰， 馬伯江， 王東雪

(1. 青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266061)(2. 青島高測科技股份有限公司, 山東 青島 266114)

樹脂金剛石切割線是以樹脂為黏結(jié)劑將金剛石微粉固結(jié)到鋼線上形成的切割工具，主要應(yīng)用于硅片的多線切割加工[1-4]。和其他樹脂結(jié)合劑金剛石工具相同，由于樹脂層的硬度、彈性模量較低，鑲嵌在樹脂層中的金剛石磨料受到切割力的作用，會發(fā)生微小的位移，這種現(xiàn)象就是所謂的“樹脂層的退讓性”。由于樹脂金剛石切割線具有良好的退讓性，因此其切割表面的質(zhì)量較好，表面損傷層小，但切割能力較低[4]，表現(xiàn)為切割線弓較大，切割時(shí)可能會發(fā)生延時(shí)現(xiàn)象。

目前，對樹脂金剛石線的研究，國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)集中在制作工藝上[5-8]；對線鋸切割機(jī)理的研究主要集中在電鍍金剛石切割硬脆材料上[9-12]。宋樹青[13]選用WXD-170型往復(fù)金剛石線旋轉(zhuǎn)點(diǎn)切割機(jī)，進(jìn)行樹脂線鋸的切割試驗(yàn)研究。切割過程中，樹脂金剛石切割線做往復(fù)式運(yùn)動，張緊力20 N，鋸絲的平均運(yùn)行切割速度為1.5 m/s，切割的工件為硅晶體，工件進(jìn)給速度為0.1 mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工件的進(jìn)給速度越大，切痕越明顯。崔丹等[9]研究了用金剛石線鋸切割SiC單晶時(shí)的影響因素，并建立了切割力的預(yù)測模型。研究認(rèn)為影響切割力的主要因素有：工件進(jìn)給速度、線鋸速度、工件轉(zhuǎn)速、線鋸張緊力。蔡二輝等[11]研究了金剛石線鋸鋸切晶體硅的模式。結(jié)果認(rèn)為：當(dāng)切割進(jìn)給力較大時(shí)，硅晶體主要以脆性斷裂方式去除，劃痕呈破碎崩坑狀；當(dāng)進(jìn)給壓力較小時(shí)，硅晶體主要是塑形切除模式，劃痕相對平直光滑，加工表面也較光滑。

實(shí)際上，金剛石線鋸切割硅片晶體時(shí)，硅片表面呈現(xiàn)大量由脆性斷裂留下的不規(guī)則凹坑和較長的光滑劃痕，顯示出硅片切割時(shí)是脆性斷裂模式與塑性除去模式的混合切割模式。王肖燁等[14]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了工件旋轉(zhuǎn)條件下電鍍金剛石線鋸切割 SiC 單晶片時(shí)的鋸切力，建立了金剛石線鋸鋸切力模型。線鋸速率、工件旋轉(zhuǎn)速率、工件進(jìn)給速率及工件未切割部分直徑對鋸切力均有影響。張玉興等[12]實(shí)驗(yàn)研究了金剛石線切割碳化硅單晶時(shí)的鋸切力影響因素。得出了進(jìn)給速度、線速度、線鋸張緊力對鋸切力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，鋸切力隨著線速度的增大而減小，隨著進(jìn)給速度的增大而增大。

我們建立了樹脂金剛石切割線切割硅晶體的模型以及單顆金剛石磨料切割時(shí)的樹脂層退讓模型。理論分析了樹脂層的退讓量和線弓的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了樹脂層的硬度、退讓性對切割線弓和延時(shí)的影響，為樹脂金剛石切割線切割性能的改進(jìn)提供理論參考。

1 切割模型的建立

樹脂金剛石切割線切割硅片時(shí)，一般使用多線切片機(jī)[1-4]。切割線由放線輪出來，反復(fù)纏繞在2個(gè)主輥間形成線網(wǎng)，再收到收線輪上。受切割線切割能力的影響，當(dāng)切割工藝執(zhí)行完成后，硅片可能沒有切透，需要增加時(shí)間繼續(xù)切割，直到切透為止，這種現(xiàn)象叫切割延時(shí)。一般產(chǎn)生延時(shí)現(xiàn)象時(shí)伴隨著線弓增大行為。

根據(jù)多線切割機(jī)的硅片切割過程，建立如圖1所示的樹脂金剛石切割線切割硅晶體的切割模型。圖1中:主輥間距為2L，硅晶體的切割長度為Lw; 金剛石切割線在主輥的帶動下以速度vs實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動,硅棒向線網(wǎng)方向以速度vw進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動;樹脂金剛石切割線受到沿切割線方向的切割力Ft和線鋸張力Fr的作用,同時(shí)金剛石切割線受到沿進(jìn)給方向的進(jìn)給抗力Fn。進(jìn)給抗力Fn使樹脂金剛石切割線產(chǎn)生彎曲角θ，同時(shí)產(chǎn)生線弓A。在穩(wěn)定狀態(tài)下，線鋸的撓曲量(通常稱為線弓A)是固定的[15]。

圖1 樹脂金剛石切割線切割硅晶體的切割模型

由實(shí)際切割情況可知，宏觀上產(chǎn)生延時(shí)的原因是線弓A過大，導(dǎo)致設(shè)定的切割程序執(zhí)行完成后，硅棒沒有切透,其實(shí)質(zhì)是由于切割過程中的進(jìn)給抗力Fn過大造成的。因此需建立切割線弓A和進(jìn)給抗力Fn之間的關(guān)系。

以φ0.08 mm基線切割長600 mm的硅棒，穩(wěn)定切割時(shí)的主輥扭矩為100 N·m左右。主輥直徑為230 mm，線網(wǎng)上線間距為0.392 mm?？捎?jì)算得到線網(wǎng)上單根切割線的切割力Ft大約為0.57 N，切割線張力Fr實(shí)驗(yàn)設(shè)定為12 N，因此Ft?Fr，所以可近似有：

Fn=2Fr·sinθ

(1)

式中：Fr——切割張力，N。

因?yàn)棣群苄1]，因此可以認(rèn)為sinθ=tanθ=A/L，所以：

(2)

(3)

對公式(3)兩邊求導(dǎo)，得：

(4)

公式(4)表示：當(dāng)進(jìn)給抗力增大dFn時(shí)，線弓增加dA，兩者成正比關(guān)系。

2 樹脂金剛石切割線切割延時(shí)現(xiàn)象分析

2.1 單顆金剛石切割硅晶體時(shí)樹脂層的退讓模型

由公式(4)可知，切割延時(shí)主要是由于進(jìn)給抗力Fn的增加，使切割線產(chǎn)生較大的線弓A造成的。為獲得影響進(jìn)給抗力Fn的影響因素，建立了如圖2所示的單顆粒金剛石切割時(shí)樹脂層退讓模型圖。圖2中，金剛石切割線的切割速度為vs/(m/min)，硅棒的進(jìn)給速度為vw/(μm/min),金剛石磨料壓入硅晶體的深度為ap/μm,γo為金剛石切割時(shí)的前角，其為負(fù)值。通常情況下，金剛石磨料工作的γ0為-60°左右[16]。

圖2 單顆金剛石磨料切割時(shí)樹脂層退讓模型

單顆金剛石磨料受到的總切割力為Fro，可分解成沿vs向的主切割力Ft0和沿進(jìn)給方向的進(jìn)給抗力Fn0。

根據(jù)幾何關(guān)系，有：

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，可知：

(6)

式中：C——單位長度上金剛石磨料數(shù)量，個(gè)/mm；

Fr0——單顆金剛石磨料受到的總切削力，N；

Ad——單個(gè)磨料的切削面積，mm2；

P——單位面積切削力，N/mm2。

所以：

(7)

切割過程中，切割線受到的進(jìn)給抗力Fn等于參與切割的金剛石磨料受到的進(jìn)給抗力Fn0的總和。設(shè)同時(shí)參與切割的金剛石磨料數(shù)為n，則可得切割過程總的進(jìn)給抗力為：

(8)

式中：Lw——切割長度，mm。

由公式(8)可知：在一定的切割條件下，進(jìn)給抗力Fn的大小只與前角γo的絕對值有關(guān)，γo的絕對值越大，進(jìn)給抗力越大。而實(shí)際前角的絕對值大小與樹脂層的退讓性有關(guān)。

2.2 樹脂層的退讓性對切割延時(shí)的影響

如圖2所示：由于樹脂層的強(qiáng)度、硬度較低，鑲嵌在樹脂層中的金剛石磨料受到切割力Ft0的作用，會使樹脂層發(fā)生變形，產(chǎn)生退讓，導(dǎo)致金剛石磨料的切割刃向切割方向的反方向發(fā)生微小位移δ；同時(shí)使金剛石磨料產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為dγo。

公式(8)兩邊對γo求導(dǎo)，可得：

(9)

dγo為金剛石磨料的轉(zhuǎn)動角度，由于dγo很小，所以有dγo=δ/d，則公式(9)變?yōu)椋?/p>

(10)

將公式(10)代入公式(4)，可得：

(11)

在一定的切割條件下，公式(11)中vw、vs、Lw、P、Fr、L均為切割常數(shù)，因此，可記：

即：

(12)

公式(12)說明：當(dāng)金剛石磨料的顆粒尺寸d，主輥間距2L一定時(shí)，在切割力的作用下，由于樹脂層的退讓性使金剛石磨料的切削刃產(chǎn)生δ的位移量，從而使線弓增加dA，造成切割延時(shí)現(xiàn)象。因此，要想避免延時(shí)現(xiàn)象，應(yīng)該采用硬度高的樹脂黏結(jié)劑，從而降低金剛石磨料的位移量δ。

3 樹脂層硬度對切割延時(shí)的實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證樹脂層硬度對樹脂金剛石切割線切割延時(shí)現(xiàn)象的影響，選2種樹脂以同樣的工藝制作切割線，并進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。以φ80 μm的高碳鋼線為基線；金剛石的顆粒尺寸為8～10 μm，d50=9 μm；采用的樹脂分別為環(huán)氧改性酚醛樹脂和純酚醛樹脂，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。采用型號為GC-630S的金剛線晶硅切片機(jī)，主輥間距為385 mm，主要切割參數(shù)見表2。記錄切割時(shí)間，并拍攝切割完成后樹脂金剛石切割線表面形貌的掃描電鏡照片，如圖3、圖4所示。

表1 2種樹脂的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 主要切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)

從表2中的切割參數(shù)看:1#樹脂金剛石切割線的切割線弓較大,工藝時(shí)間執(zhí)行完成后增加了20 min的延時(shí)；2#樹脂金剛石切割線按工藝時(shí)間完成切割，沒有延時(shí)現(xiàn)象。這主要是由于2種樹脂的固化硬度不同造成的。根據(jù)表1可以看出:1#樹脂固化后的硬度較低，導(dǎo)致切割過程中樹脂層的退讓性較大，使金剛石磨料的切削刃產(chǎn)生了較大位移量δ。

從圖3、圖4的掃描電鏡照片中可以看出: 1#樹脂線切割過程中，樹脂層產(chǎn)生了開裂，金剛石磨料和樹脂結(jié)合劑間產(chǎn)生離隙現(xiàn)象; 2#樹脂線上的金剛石磨料雖然產(chǎn)生了明顯的局部破碎現(xiàn)象，但是金剛石磨料和樹脂層間沒有產(chǎn)生明顯的離隙，樹脂層沒有明顯的開裂現(xiàn)象。這說明1#樹脂的固化強(qiáng)度、硬度較低。

在樹脂金剛石切割線切割硅晶體過程中，金剛石磨料受到的切割力使樹脂層中的應(yīng)力超過樹脂層的強(qiáng)度，造成樹脂層的開裂。金剛石磨料產(chǎn)生晃動，產(chǎn)生所謂的退讓性。從切割實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)樹脂層的強(qiáng)度、硬度較低時(shí)，切割過程中會產(chǎn)生明顯的退讓性，從而使線弓增加，引起切割延時(shí)現(xiàn)象。因此，對于樹脂金剛石切割線，適當(dāng)提高樹脂層的強(qiáng)度、硬度，降低其退讓性，是防止產(chǎn)生切割延時(shí)現(xiàn)象的有效方法。

圖3 1#樹脂金剛石切割線切割后的形貌

圖4 2#樹脂金剛石切割線切割后的形貌

4 結(jié)論

通過研究樹脂金剛石切割線切割硅晶體時(shí)的延時(shí)現(xiàn)象，建立了樹脂金剛石切割線的切割受力模型及單顆金剛石磨料切割時(shí)樹脂層退讓模型。理論分析了切割延時(shí)現(xiàn)象和樹脂層退讓性的關(guān)系。通過實(shí)際切割實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了樹脂黏結(jié)劑性能對切割延時(shí)的影響。得出以下結(jié)論：

(1)在一定的切割條件下，進(jìn)給抗力的增加會引起切割線弓的增大，兩者成正比關(guān)系。

(2)切割進(jìn)給抗力的大小與金剛石磨料前角的絕對值有關(guān)。實(shí)際前角絕對值越大，進(jìn)給抗力越大。而由于樹脂層的退讓性，會使實(shí)際前角絕對值增加，進(jìn)給抗力增加，從而造成切割延時(shí)現(xiàn)象。

(3)實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)樹脂強(qiáng)度、硬度較低時(shí)，切割過程中會使樹脂層開裂，金剛石和樹脂結(jié)合劑間產(chǎn)生離隙，造成切割延時(shí)。選用高強(qiáng)度樹脂，增加樹脂層的固化強(qiáng)度、硬度，適當(dāng)降低樹脂層的退讓性，是解決切割延時(shí)的有效方法。

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