游離磨料多股線線鋸切割實驗研究

王金生，姚春燕，彭 偉，金 鑫，陳世杰

(浙江工業大學機械制造及自動化教育部重點實驗室，杭州 310032)

1 前言

目前，游離磨料線鋸切割技術廣泛應用于半導體材料的切割，尤其在光伏和微電子工業上。它是將一根鋼絲線繞在具有張緊力的裝置上，然后來回繞過帶有凹槽的導輪，形成一排線網，在導輪帶動下，以幾米或十幾米每秒的速度將含有SiC磨粒的漿料帶入工件切割區域，從而產生切割作用[1，2]，其原理如圖1所示。

圖1 游離磨料多線切割原理圖Fig.1 Schematic of multi-wires sawing

大多學者都認為游離磨料線鋸切割的機理是“滾壓”去除，如 Kao等學者[3，4]認為磨料線鋸切割過程構成一個三體磨粒磨損環境，磨粒作為第三體，在鋸絲的作用下對工件表面產生“滾壓”作用，從而去除工件材料。M?lle等學者[5，6]認為磨漿中的磨粒在工作時處于兩種狀態:一種是磨粒同時與線和硅直接接觸的狀態，稱之為“半接觸狀態”，另一種是既不和線接觸也不和硅接觸，稱之為“非接觸狀態”。處于“半接觸狀態”下的磨粒在鋸絲的作用下對硅材料表面產生“滾壓”作用，而處于“非接觸狀態”下的磨粒只是在磨漿剪切力的作用下產生“滾動”去除。這表明提高切割區域中磨粒的數量，尤其是“半接觸狀態”的磨粒，將有利于游離磨料線鋸的切割。

Bidiville等學者[7]則通過實驗研究發現，在磨漿將磨粒從切割區域的入口帶到出口的過程中，一方面由于磨粒與工件和線鋸發生作用，可能導致磨粒磨損變小或壓碎，另一方面磨粒可能從線鋸底部跑到線鋸頂部，致使更少的磨粒參與切割。這表明實際切割中，部分磨粒將被磨損或逃離出切割區域，這將降低磨粒的利用率或磨粒數量，對線鋸切割造成不利影響。隨著工件尺寸規格的增大，這種情況將會更加嚴重。

Ishikawa 等學者[8，9]采用高速攝影的方法，研究了線鋸切割過程中磨漿的行為對切割效率與表面質量的影響，研究發現當磨漿供應充足，并在鋸絲表面上形成“水平膜”時，其切割效率和表面質量都要比磨漿供應不足時的未成膜狀態好。這表明提高線鋸對漿料的輸送能力有利于提高切割效率和切片表面質量。

綜合上述分析可知，提高進入切割區域的磨粒數量，讓更多的磨粒參與切割，可有效提高線鋸的切割效率和表面質量。基于此思路，筆者提出了采用多股線線鋸進行游離磨料切割的方法。

2 多股線切割機理

多股線線鋸由多根細金屬線繞制而成，表面具有很多凹槽，圖2為多股線線鋸結構。與鋼絲線光滑表面相比，當磨漿加入到多股線表面時，可以通過凹槽攜帶更多的磨粒進入到切割區域，有利于提高切割效率和切片質量。

圖2 多股線結構示意圖Fig.2 Structural schematic of multi-strands wire

當磨粒進入到切割區域后，與鋼絲線相比(見圖3)，多股線線鋸的切割區域多出了凹槽部分，這部分區域可以儲存很多磨粒，如圖4所示。這些磨粒就像備用磨粒一樣，可以提供給多股線線鋸進行切割，將更多的磨粒從切割入口處帶到切割出口處，有利于提高切割效率和切片表面質量。

圖3 游離磨料線鋸切割示意圖Fig.3 Schematic of free abrasive wire sawing

圖4 多股線線鋸切割示意圖Fig.4 Schematic of multi-strands wire sawing

3 切割實驗

在改裝的WXD170型往復金剛石線切割機上進行切割實驗(增加噴漿裝置)，如圖5所示。采用φ0.25 mm的多股線和φ0.25 mm的鋼絲線進行切割，線鋸顯微照片如圖6所示，從圖6可以看出，多股線表面具有很多微細凹槽。工件材料為光學玻璃K9，截面尺寸為28.6 mm×28.74 mm。磨漿主要由聚乙二醇(PEG300)和1500#的碳化硅(SiC)微粉以1︰0.92的比例配制而成。切割條件如表1所示。

圖5 切割實驗設備Fig.5 Experimental equipment

圖6 鋼絲線和多股線顯微照片Fig.6 Optical micrograph of steel wire andmulti-strands wire

表1 切割條件Table 1 Experimental conditions

4 結果與分析

4.1 切割效率對比分析

線鋸的切割效率是評價切割性能好壞的重要指標，以單位時間上的切割長度來衡量效率的高低。表2為不同進給率下的切割效率對比數據。從表2可以看出，多股線的切割效率要比鋼絲線的高，當進給率較小時，多股線的優勢不明顯，但隨著進給率的提高，其優勢更加明顯。

表2 多股線和鋼絲線的切割效率對比Table 2 Slicing efficiency of multi-strandswire and steel wire

4.2 粗糙度和表面形貌對比分析

4.2.1 粗糙度分析

使用表面粗糙度儀對切斷工件表面的左、中、右、上、中、下共9個點(3×3)進行粗糙度的測量，然后再取其平均值，結果如圖7所示。從圖7可以看出，多股線切割的表面粗糙度優于鋼絲線的表面，而且相對比較均勻。多股線切割后工件表面的平均表面粗糙度值分別為0.567 μm和0.566 μm，鋼絲線的平均表面粗糙度值分別為 0.588 μm和0.576 μm，平均表面粗糙度值分別減少了3.7%和1.8%。

圖7 工件表面粗糙度Fig.7 Surface roughness of workpiece

4.2.2 表面形貌分析

使用顯微鏡對切斷表面進行形貌觀察。圖8、圖9分別是進給率為0.375 mm/min時，多股線和鋼絲線切割后的表面形貌(×1 000倍)。從圖8和圖9可以看出，兩種表面形貌比較類似，均為微細凹坑，沒有劃痕，這是游離磨料線鋸切割后的典型形貌，主要是磨粒在工件表面滾壓去除后形成的凹坑，屬于三體磨損去除[10]。

4.3 切縫寬度對比分析

圖8 多股線切割后的工件表面形貌Fig.8 Surface of as-sawn workpieceby multi-strands wire

圖9 鋼絲線切割后的工件表面形貌Fig.9 Surface of as-sawn workpieceby steel wire

使用顯微鏡對切縫進行表面觀察和寬度測量。表3為不同進給率下的切縫寬度對比數據，從表3可以看出，多股線切割出的切縫寬度要比鋼絲線的大，這可能是由于多股線輸送磨漿的能力要比鋼絲線強，導致磨漿對切割入口處的沖擊比較大，因此產生較大的切縫。圖 10、圖 11分別是進給率為0.25 mm/min時，多股線和鋼絲線切割后的切縫形貌和切縫寬度。從圖10和圖11可以看出，兩種線鋸切割后，切縫邊緣均有明顯的崩邊。

表3 多股線和鋼絲線的切縫寬度對比Table 3 Kerf loss of multi-strands wire and steel wire

圖10 多股線切割后的切縫形貌和寬度(單位:μm)Fig.10 Kerf loss and profile by multi-strands wire sawing(unit:μm)

圖11 鋼絲線切割后的切縫形貌和寬度(單位:μm)Fig.11 Kerf loss and profile by steel wire sawing(unit:μm)

5 結語

總結分析了游離磨料線鋸切割機理，得到了提高線鋸切割效率和表面質量的方法，即提高進入切割區域的磨粒數量，讓更多的磨粒參與切割。多股線由多根金屬線繞制而成，表面具有很多凹槽，可輸送更多的磨粒進入切割區域。通過φ0.25 mm的多股線和鋼絲線對光學玻璃K9進行切割對比實驗，可以得到以下結論。

1)多股線的切割效率要比鋼絲線高，但切縫寬度要比鋼絲線的大。

2)從切割后的工件表面粗糙度來看，多股線要比鋼絲線的好，而且相對比較均勻;從表面形貌來看，均為微細凹坑，主要是磨粒在工件表面滾壓去除后形成的凹坑，屬于典型的三體磨損去除。

3)實驗結果表明，應用多股線進行游離磨料切割的方法是可行的，可帶入更多的磨粒進入切割區域，提高切割效率和表面質量。

[1]Liqun Zhu， Imin Kao.Galerkin－based modal analysis on the vibration of wire－slurry system in wafer slicing using a wiresaw[J].Journal of Sound and Vibration，2005，283:589 －620.

[2]Bhagavat M，Prasad V，Kao I.Elasto－hydrodynamic interaction in the free abrasive wafer slicing using a wire saw:Modeling and finite element analysis[J].Journal of Tribology，2000，122(4):394－404.

[3]Kao I，Bhagavat M，Prasad V，et al.Integrated modeling of wire saw in wafer slicing[C]//NSF Design and Manufacturing Grantees Conference.Monterrey，Mexico，1998:425－426.

[4]Li J，Kao I，Prasad V.Modeling stresses of contacts in wire saw slicing of poly－crystalline and crystalline ingots:Application to silicon wafer production[J].Transactions of the ASME Journal of Electron Packaging，1998，120(2):123－128.

[5]M?ller H J.Basic mechanisms and model of multi wire sawing[J].Advanced Engineering Materials，2004，6(7):501 －513.

[6]Moller H J.Wafering of silicon crystals[J].Physica Status Solidi(a)，2006，203(4):659－669.

[7]Bidiville A，Wasmer K，Michler J，et al.Mechanisms of wafer sawing and impact on wafer properties[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2010，18(8):563－572.

[8]Ishikawa K I，Suwabe H，Itoh S I，et al.A basic study on the behavior of slurry action at multi－wire saw[J].Key Engineering Materials，2003，238－239:89－92.

[9]Ishikawa K I，Suwabe H，Itoh S I.Relationship between slurry actions in slicing groove and slicing characteristics at multi－wire saw [J].Journal of the Japan Society of Precision Engineering，2003，69:1739 －1743.

[10]Bidiville A，Wasmer K，Kraft R，et al.Diamond wire－sawn silicon wafers－ from the lab to the cell production[C]//Proceedings of the 24th EU PV－SEC，2009:1400－1405.