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(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310014)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硅晶體切片的加工質(zhì)量、降低切割成本和提高切割效率提出更高的要求[1]。目前，硅晶體切片主要應(yīng)用游離磨粒線鋸切割技術(shù)進(jìn)行切割[2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了許多研究， Watanabe[3]研究發(fā)現(xiàn)，由于硅晶體尺寸大，切割過程中磨粒難以進(jìn)入到長而深的切縫，線鋸切割能力降低； Liedke等[4]微觀研究了磨粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)真正進(jìn)入到切割區(qū)域的磨粒數(shù)量很少；Schwinde等[5]研究發(fā)現(xiàn)材料去除主要發(fā)生在線的一側(cè)；王金生[6]通過游離磨粒線鋸切割實(shí)驗(yàn)研究了切割工藝參數(shù)對(duì)線鋸切割性能的影響；Bidiville等[7]通過設(shè)置不同的線鋸切割參數(shù)，研究不同磨粒粒徑和磨漿濃度對(duì)硅片厚度、表面粗糙度和裂紋深度的影響。從前人的研究成果中獲得了重要啟示，增加進(jìn)入切割區(qū)域的數(shù)量對(duì)切割效率有著重大的影響。

磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割技術(shù)[8]，是一種新的線鋸切割技術(shù)，其是將鋸絲置于勻強(qiáng)磁場中會(huì)被磁化形成高梯度磁場，鋸絲通過磁力吸附特定范圍內(nèi)的磁性磨粒，從而增加進(jìn)入切割區(qū)域的磨粒數(shù)量。在磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割中，磁性磨粒不僅受到切割液流體曳力作用，而且還受到高梯度磁場的磁力作用[9-10]。在此定義若磁性磨粒被鋸絲吸附則成為有效磨粒。搭建吸附實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用單因素分析方法通過實(shí)驗(yàn)來分析切割液動(dòng)力黏度、磨粒粒徑、供漿速度對(duì)鋸絲吸附有效磨粒影響規(guī)律研究和對(duì)切割效率的影響。

1 磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割技術(shù)

磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割技術(shù)所用磨粒為順磁性磨粒，所用鋸絲為表面鍍銅的特種鋼絲，鋸絲置于勻強(qiáng)磁場中被磁化產(chǎn)生高梯度磁場，此高梯度磁場分為兩個(gè)順磁區(qū)(A)，兩個(gè)逆磁區(qū)(B)，如圖1所示。鋸絲周圍的磁性磨粒在順磁區(qū)受到吸力，在逆磁區(qū)受到斥力，鋸絲通過磁力吸附特定范圍的磁性磨粒，并且攜帶磁性磨粒進(jìn)入切割區(qū)域，磁性磨粒聚集于鋸絲與切縫頂部之間(即鋸絲的順磁區(qū))，增加了切割區(qū)域磨粒數(shù)。磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割技術(shù)利用磁力改善了磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、提高了切割區(qū)域有效磨粒數(shù)，進(jìn)一步提高了硅錠切割的效率。

圖1 磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割示意圖Fig.1 Schematic diagram of free-abrasive wire saw slicing in magnetic field

2 有效磨粒形成過程吸附實(shí)驗(yàn)研究

2.1 確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)

搭建吸附實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加裝勻強(qiáng)磁場發(fā)生裝置，采用單因素分析方法，通過吸附實(shí)驗(yàn)來分析切割液動(dòng)力黏度、磨粒粒徑和供漿速度對(duì)鋸絲吸附有效磨粒影響規(guī)律研究。

磁性磨粒選用鍍鎳碳化硅，不同粒徑的磁性磨粒所受磁力不同，本實(shí)驗(yàn)選取鍍鎳之后的磨粒粒徑分別為7，13，25，40 μm。聚乙二醇在自然環(huán)境中不能直接分解，因此研究聚乙二醇在切割液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有重要意義。選取聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%，50%，75%，100%，使用NDJ系列數(shù)顯黏度計(jì)測得對(duì)應(yīng)的切割液黏度分別為0.001 7，0.004 7，0.016 5，0.04 Pa·s；根據(jù)實(shí)際情況選用的磨漿供漿速度分別為4，8，12，16 mm/s，供漿速度由蠕動(dòng)泵來控制。實(shí)驗(yàn)中鋸絲采用直徑0.4 mm的鍍銅鋼絲線，磁性磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)選取30%。供漿方向與磁場方向平行，且供漿方向沿水平方向，鋸絲在磁系中的位置，同磁感應(yīng)切割時(shí)鋸絲與磁系的相對(duì)位置保持一致。圖2為拍攝所用的高速顯微系統(tǒng)，圖3為搭建的吸附試驗(yàn)平臺(tái)。

圖2 顯微系統(tǒng)Fig.2 Microscopic system

圖3 吸附實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Adsorption experimental platform

2.2 供漿速度不同對(duì)有效磨粒數(shù)的影響

通過改變不同供漿速度進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)鋸絲吸附有效磨粒數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)選取的供漿速度分別為4，8，12，16 mm/s，速度大小由蠕動(dòng)泵裝置來控制實(shí)現(xiàn)，磨粒粒徑25 μm，切割液動(dòng)力黏度0.04 Pa·s。通過VW-6000/5000動(dòng)態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)，觀測供漿速度不同對(duì)有效磨粒數(shù)的影響(圖4)。

圖4 不同供漿速度下鋸絲吸附有效磨粒圖Fig.4 The effective abrasive grain accumulation diagram of saws at different pulping speed is used

如圖4所示，有效磨粒只聚集吸附在鋸絲的右側(cè)，這是因?yàn)楫?dāng)供漿方向沿X軸向左時(shí)，磁性磨粒先經(jīng)過引力區(qū)，部分磨粒被鋸絲吸附成為有效磨粒，隨后進(jìn)入斥力區(qū)，磨粒受到排斥，而后再進(jìn)入引力區(qū)，雖然磨粒在磁場梯度力的作用下向磁介質(zhì)靠近，但距離鋸絲較遠(yuǎn)，最終在曳力的作用下跟隨流體向下游方向運(yùn)動(dòng)而不能被磁介質(zhì)吸附。

從圖4中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著供漿速度的增大，有效磨粒積聚先逐漸增加再稍微有所減少，這主要是因?yàn)槟{中磨粒濃度相同情況下，供漿速度增大(相當(dāng)于磨粒釋放頻率增加)，意味著有更多磨粒流經(jīng)鋸絲，因此在一定的速度范圍隨著供漿速度的增大有更多的磨粒被鋸絲吸附成為有效磨粒，磨粒積聚變大；隨著供漿速度繼續(xù)增大，磨漿流速增大，流體曳力進(jìn)一步增強(qiáng)，最終鋸絲吸附的磨粒積聚有所減少。

2.3 切割液動(dòng)力黏度不同對(duì)有效磨粒數(shù)的影響

通過改變切割液動(dòng)力黏度大小進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)鋸絲吸附有效磨粒數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)磨粒粒徑25 μm，供漿速度4 mm/s,切割液動(dòng)力黏度分別為0.001 7，0.004 7，0.016 5，0.04 Pa·s。通過動(dòng)態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)，觀測切割液動(dòng)力黏度不同對(duì)有效磨粒數(shù)的影響(圖5)。

圖5 不同切割液動(dòng)力黏度下鋸絲吸附有效磨粒圖Fig.5 Effective abrasive accμmulation of saws is shown in different cutting fluid dynamic viscosity

圖5為拍攝的磁性磨粒吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著切割液動(dòng)力黏度的減小，有效磨粒積聚越來越多，這主要是因?yàn)殡S著切割液動(dòng)力黏度的減小，磨粒所受到的曳力不斷減小，更多的磨粒被鋸絲吸附成為有效磨粒，磨粒積聚越來越多。實(shí)驗(yàn)證明并非切割液動(dòng)力黏度越小越好，切割液動(dòng)力黏度越小，磨粒在切割液中分散性越差，磨粒很容易沉淀下來，造成分布不均勻，切割液動(dòng)力黏度越大，磨粒在其中分散性越好。綜合以上兩個(gè)因素，選取切割液動(dòng)力黏度為0.004 7 Pa·s，此時(shí)磨粒在其中分散性較好，且鋸絲吸附的有效磨粒數(shù)較多。

2.4 磨粒粒徑不同對(duì)有效磨粒數(shù)的影響

通過改變磁性磨粒粒徑進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)鋸絲吸附有效磨粒數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)供漿速度4 mm/s，切割液動(dòng)力黏度0.04 Pa·s，選取磁性磨粒粒徑分別為5，13，25，40 μm。通過VW-6000/5000動(dòng)態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)，觀測不同磁性磨粒粒徑對(duì)有效磨粒數(shù)的影響(圖6)。

圖6 不同磨粒粒徑鋸絲吸附有效磨粒示意圖Fig.6 The effective abrasive grain drawing of different grain diameter saws

磁性磨粒所受到的磁力計(jì)算式為

式中：rp為磁性磨粒粒徑，μr為磨粒的磁導(dǎo)率；μr,p為磨粒的相對(duì)磁導(dǎo)率；K指磁性磨粒的體積磁化率。

如圖6所示，隨著磁性磨粒粒徑的增大，鋸絲吸附的有效磨粒數(shù)不斷增加，這主要是因?yàn)殡S著磁性磨粒粒徑的增大，在磨粒所受曳力不變的情況下，由磁力公式可知：磨粒所受到的磁力不斷增大，更多的磨粒被鋸絲吸附成為有效磨粒，有效磨粒積聚越來越多。

3 磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割實(shí)驗(yàn)

3.1 確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)吸附實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，在線鋸切割機(jī)上，搭建勻強(qiáng)磁場發(fā)生裝置，建立磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用單因素實(shí)驗(yàn)分析方法，通過改變影響因素參數(shù)大小，以K9水晶樣件為研究對(duì)象，進(jìn)行磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割實(shí)驗(yàn)，研究供漿速度、磁性磨粒粒徑和切割液動(dòng)力黏度對(duì)切割效率的影響。實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為WXD170型往復(fù)式金剛石線旋轉(zhuǎn)點(diǎn)切割機(jī)進(jìn)行切割。實(shí)驗(yàn)所用的性能參數(shù)：鋸絲有效長度60 m，鋸絲線速度為 2 m/s，工件進(jìn)給速度為0.5 mm/min，氣動(dòng)張緊力為0.2 MPa。圖7為搭建的切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖8為所使用的磁系示意圖。

圖7 切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Cutting experiment platform

圖8 磁系Fig.8 The magnetic system

切割效率是線鋸切割的關(guān)鍵指標(biāo)，采用單位時(shí)間內(nèi)的材料去除質(zhì)量作為切割效率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。每組工件切割20 min，利用精密電子天平分別測出每組工件切割前后的質(zhì)量，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的切割效率。

3.2 不同供漿速度對(duì)切割效率的影響

通過改變供漿速度的大小來分析其對(duì)切割效率的影響，表1為切割前后的工件質(zhì)量變化。

表1 切割前后的工件質(zhì)量變化Table 1 The mass of the workpiece changes before and after cutting

注:1)v為供漿速度；2)m1切割前質(zhì)量；3)m2切割后質(zhì)量。

根據(jù)切割前后的工件質(zhì)量變化計(jì)算出切割效率，第1 組為3.524×10-4g/s，第2 組為3.683×10-4g/s，第3 組為3.767×10-4g/s，第4 組為3.775×10-4g/s，切割效率曲線圖如圖9所示。

圖9 切割效率曲線圖Fig.9 Cutting efficiency curves

對(duì)比第1 組、第2 組和第3 組的切割效率可知：隨著供漿速度的增加，切割效率也逐漸增加。這是因?yàn)殡S著供漿速度的增大，供漿速度大意味著更多磨粒流到鋸絲周圍，更多的有效磨粒被鋸絲帶入切割區(qū)域參與切割，所以切割效率不斷增加。供漿速度繼續(xù)增大，切割效率隨后增幅變緩，其一是因?yàn)殡S著供漿速度繼續(xù)增大，磨漿流動(dòng)變大，流體曳力進(jìn)一步增強(qiáng)，鋸絲吸附瞬時(shí)有效磨粒數(shù)變更少，即便供漿速度增大，但最終鋸絲吸附的有效磨粒數(shù)不再明顯增加；其二可能因?yàn)殇徑z吸附的有效磨粒較多，部分有效磨粒處于非接觸狀態(tài)，不參與切割工件。

3.3 不同切割液動(dòng)力黏度對(duì)切割效率的影響

根據(jù)切割前后的工件質(zhì)量變化(表2)，計(jì)算出切割效率第5 組為3.524×10-4g/s，第6 組為3.583×10-4g/s，第7 組為3.842×10-4g/s，第8 組為3.658×10-4g/s，切效率曲線圖如圖10所示。

表2 切割前后的工件質(zhì)量變化

圖10 切效率曲線圖Fig.10 Cutting efficiency curves

由圖10可知：工件的切割效率從高到低的排序?yàn)榈? 組>第8 組>第6 組>第5 組。第5 組切割液為純聚乙二醇，因此切割液動(dòng)力黏度最大，磨粒所受的曳力較大，鋸絲吸附的有效磨粒較少，隨鋸絲進(jìn)入切割區(qū)域的有效磨粒數(shù)也較少，因此切割效率最低。

隨著切割液動(dòng)力黏度的減小而切割效率變大，這是因?yàn)殡S著聚乙二醇的動(dòng)力黏度不斷地減小，磨粒所受到的曳力也不斷減弱，又由于做實(shí)驗(yàn)時(shí)用攪拌機(jī)不停地?cái)嚢枘{，讓磨?；旌暇鶆蛴谇懈钜褐?，所以鋸絲吸附的有效磨粒數(shù)大大增加，這從吸附實(shí)驗(yàn)中磨粒積聚現(xiàn)象也可以看出，雖然由于黏性力帶入的磨粒減少，但總的來看鋸絲吸附的有效磨粒數(shù)增加很多，因此切割效率不斷增加。第8組中聚乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，其余為水，此時(shí)切割液動(dòng)力黏度非常小，從吸附實(shí)驗(yàn)來看，鋸絲吸附的有效磨粒積聚最多，但是切割效率比之前反而降低了，這是因?yàn)榍懈钜簞?dòng)力黏度非常小，流動(dòng)性非常大，在實(shí)驗(yàn)中由于黏性力帶入的磨粒非常少，且磨漿流動(dòng)變快，磨粒不易被鋸絲吸附，再者此時(shí)磨漿在攪拌的過程中易產(chǎn)生氣泡，影響磁性磨粒被鋸絲吸附被進(jìn)入切割區(qū)域，所以此時(shí)切割效率出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。綜上，在所選的4 組數(shù)據(jù)中，當(dāng)切割液動(dòng)力黏度為0.004 7 Pa·s時(shí)，切割效率最好，磨粒在切割液中混合也較好，同時(shí)可以減少聚乙二醇的使用量，有利于保護(hù)環(huán)境降低成本。

3.4 不同磨粒粒徑對(duì)切割效率的影響

根據(jù)切割前后工件質(zhì)量變化去除量(表3)計(jì)算出4 組不同粒徑下切割效率，第9 組為1.925×10-4g/s，第10 組3.196×10-4g/s，第11 組為3.524×10-4g/s，第12 組為4.600×10-4g/s，其對(duì)應(yīng)的切割效率曲線圖如圖11所示，工件的切割效率從高到低的排序?yàn)榈?2 組>第11 組>第10 組>第9 組。

表3 切割前后的工件質(zhì)量變化

圖11 切割效率曲線圖Fig.11 Cutting efficiency curves

從圖11中可以看出：隨著磁性磨粒粒徑的變大，工件的切割效率也逐漸增加，這是因?yàn)榱皆龃?，根?jù)磨粒受到的磁力公式，磨粒所受到的磁力也隨之增強(qiáng)，進(jìn)而鋸絲吸附更多有效磨粒，被鋸絲帶入切割區(qū)域參與切割。磨粒粒徑變大，磨粒對(duì)工件的作用力增大，磨粒硬度變大、更鋒利和切割效率更高，但是切縫也隨著磁性磨粒粒徑的增大而變大，因此并非磁性磨粒粒徑越大越好。

4 結(jié) 論

隨著供漿速度的增大，有效磨粒先逐漸增加再稍微有所減少；隨著切割液動(dòng)力黏度的減小，有效磨粒越來越多；隨著磁性磨粒粒徑的增大，有效磨粒越來越多。隨著供漿速度的增大，切割效率先增速快后增幅變緩；隨著切割液動(dòng)力黏度的減小，切割效率先增加后減小,當(dāng)切割液動(dòng)力黏度為0.004 7 Pa·s時(shí)，切割效率最好，磨粒在切割液中混合也較好，同時(shí)可以減少聚乙二醇的使用量，有利于保護(hù)環(huán)境降低成本；隨著磁性磨粒粒徑的增大，工件的切割效率也逐漸增加，但是切縫也隨著磁性磨粒粒徑的增大而變大，因此并非磁性磨粒粒徑越大越好。