單線切割設備的切割方式研究

王 欣，衣忠波

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

單線切割設備的切割方式研究

王 欣，衣忠波

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

通過對兩種單線切割方式（擺動切割和不擺動切割）切割線受力情況的分析，比較了切削線與工件之間的接觸長度與受力狀態，以提高晶片切割表面質量和切片效率并減小切削線斷線率的切割方式為研究方向，通過理論分析和實際應用得出：擺動切割時切削線與工件的接觸長度較小，法向壓力和切向切割力會更小，所以切削線不容易斷裂；承載著工件的工作臺的弧形搖擺也促進了切割運動，而且與切割運動同步還可以保證對切割面有一個合理的研磨作用，也使得切削粉末可以更容易排出，有效提高切割表面質量。

半導體設備；單線切割；直線進給切割；擺動切割；擺動工作臺裝置

單線切割技術是采用鍍有微小金剛石磨粒的鋼線作為切削線，通過一定的布線方式使切削線在放線輪和收線輪之間做往復運動，通過切割線上眾多磨粒的微量切削作用來達到去除材料、切割薄片的一種線切削方法。由于這種金剛石切削線韌度高，抗拉強度高，抗疲勞能力好，所以這種單線切割技術多用于硬脆材料的切割，如碳化硅、藍寶石、碲鋅鎘、鉭酸鋰等，它的應用范圍十分廣泛。

在實際線切割過程中，加工件材料的不同、形狀大小的不同還有其他的相關因素，都直接影響到切削線的受力變化，導致切削質量下降和增加斷線機率，為完善這種線切割技術，技術人員在結構設計上作出了很多相應的改進措施。常用的切割方式是金剛石線與工件之間沒有相對角度的變化，實施直線進給切割，而工作臺擺動切割方式則是一種新的切割方式，在實踐應用中證明，該種結構的實施提高了切削質量和切削效率，并有效減少了設備切削線的斷線率。

1 切割模式

本文介紹的兩種切割模式：一種是切削線在線輪之間做高速往復切割運動，承載著工件的工作臺以垂直方向向上做進給送料運動，這樣就形成了如圖1所示的對工件的直線切割運動。

圖1 直線切割方式

另一種為切削線的運動狀態不變，而承載著工件的工作臺以一定的頻率沿水平方向上下擺動，同時垂直方向向上做進給送料運動，這樣就促形成了如圖2所示的工件擺動的線切割運動。

圖2 擺動切割模式

引入擺動切割的概念，是因為在實際切割狀態，單線切割所加工的材料多屬于硬脆材料，它們的性質比較相似，例如硬度高，韌性低等，其次工件的形狀和尺寸也有很大區別，而切割線不是剛體，它的形狀也不可能不發生改變，在切割過程中不會呈現圖1所示的狀態，即切割線與工件的接觸輪廓始終保持一條簡單的水平直線，實際切割時切割線由于受力的變化會產生不同程度的彎曲變形，受不同材料、不同形狀工件等因素的影響，我們也很難確定切割線的切割輪廓，它可能是一條直線，也可能是一條不規則形狀的曲線，導致切削線的受力分析也相當復雜，勢必直接影響著晶片的加工質量和增加斷線機率。為了使切削線和工件的受力簡單化，提高晶片的加工質量，我們引入工件擺動切割的設計思想，這種方式使得切割線與工件從之前的線接觸方式更趨近于點接觸方式，而承載著工件的工作臺的弧形搖擺也促進了切割運動，而且與切割運動同步還可以保證對切割面有一個合理的研磨作用，也使得切削粉末可以更容易的排出。

2 擺動切割裝置的結構

為了實現工作臺擺動功能，擺動切割設備的工作臺結構比直線切割設備相對復雜，圖3是新設計的擺動裝置結構示意圖，主要包括承載工件的擺動盤、滑座和擺動電機。擺動裝置與軛架相連，依靠電機的旋轉帶動工作臺繞擺動軸水平方向上下擺動，實現工件的擺動，最大擺動范圍是水平方向±6°，擺動頻率有高中低3種速度可以設置。根據該擺動裝置結構特點和動作要求，選取步進電機分別控制工作臺擺動和直線進給，要求按照設置的擺動角度和頻率準確擺動的同時準確進給工作臺，完成擺動切割。圖4就是我們研發的具有擺動裝置的單線切割設備。

圖3 工件擺動裝置結構圖

圖4 單線切割設備

3 兩種切割方式分析

單線切割過程由于切割線的變形，其受力分析比較復雜。為了更加清晰地分析其擺動和不擺動的受力情況區別，我們根據假設從易到難建立運動模型來分析切割線的受力狀態。

3.1 無擺動切割（假設切割線不發生彎曲）

假設切割線為剛體，不會因受力發生彎曲，又因為切割過程無擺動，則切割線的切割輪廓是工件切削深度上的一條簡單的水平直線，而工件的切削深度與導向輪的底部相平。工件與切割線的接觸長度是工件與切削線重疊的一段線段，它的長度隨著工件形狀的變化而變化。因此，如果切割線為剛體，其受到工件的法向壓力與受到導向輪的力相平衡，在這種情況下，切割線受到的壓力和切割力方向分別為豎直和水平。如圖5、圖6所示。

圖5 理想情況下切割線的運動狀態（無擺動）

圖6 受力情況示意圖

切割線的受力分析為：FT=2FP，FC=T2-T1

其中，FT為工件對切割線壓力，FP為每一個導向輪對切割線的壓力，FC為切割線受到的切割力，T1，T2分別為切割線在工件兩端的張力。

從中可以看出切割線受到工件的壓力等于導向輪對切割線壓力的和。

3.2 擺動切割（假設切割線不發生彎曲）

切割線為剛體，由于存在擺動，則其切割輪廓也發生變化。由于線不發生彎曲，其切割輪廓是隨著線的擺動形成的一段圓弧，此時切割線與工件是點接觸。設切割線的擺動角度為α，由于切割線順時針和逆時針交叉擺動，故形成圓弧的圓心角為2α，半徑為W/2 sinα，其中W為被加工件寬度。見圖7、圖8所示。

從圖8中可以看出，沿著工件的法向和切向建立坐標系，FX、FZ分別為水平力和豎直力，其大小與線的擺動角度有關；沿著切割線的法向和切向建立坐標系，FC，FT分別為切割線受力點的法向壓力和切向力，計算與第一種情況相同：

圖7 理想情況下切割線的運動狀態（擺動）

圖8 受力分析示意圖

FX=(T2-T1)cosα-2FPsinα，FZ=2FPcosα+(T2-T1)sinα

FC=(T2-T1)=FXcos+FZsinα，FT=2FP=FZcosα-FXsinα

FC，FT方向隨著線與工件接觸點的變化而變化，在一個擺動周期內，切割線兩次呈水平，此時，FC，FT為水平和豎直方向。

上述分析得出，假設切割線為理想剛體，不會因受力而發生彎曲，如果切割線擺動的角度很小，在6°以內，則切割線的擺動對其受力變化影響不大。

3.3 無擺動切割（實際切割線發生彎曲）

由于切割線不是剛體，故在其受到法向力的作用下一定會產生彎曲。將工件固定在工作臺的中心，則切割線在工件兩端的偏角相同，都設為θ。由于受多種因素影響，我們很難確定切割線的切割輪廓，它可能是一條直線，也可能是一條不知形狀的曲線，如圖9、圖10所示。

切割線的受力分析為：

由上述分析可以看出，切割線受到工件法向壓力FT和切向切割力FC大小都與切割線的偏角θ有關。若θ趨近于零，切割線受到的法向壓力也趨近于零，若偏角θ增大，則切割線受到的法向壓力也增大。

圖9 現實情況下切割線的運動狀態（無擺動）

圖10 無擺動時的切割線受力分析

3.4 擺動切割（實際切割線發生彎曲）

在這種情況下，切割線與工件總是有一段接觸線，其長度與切割線的偏角有關。由于存在擺動，切割線在工件兩端的偏角大小不同，切割線總體切割輪廓仍應為一段圓弧，但圓弧的弧長比不擺動時小，圓弧的圓心角和半徑不確定，見圖11、圖12所示。

圖11 現實情況下切割線的運動狀態（擺動）

設切割線兩端的偏角分別為φ和ψ，則：

圖12 有擺動時切割線受力分析

可以看出，切割線受到工件的法向壓力FT和切向切割力FC的大小雖然與偏角φ和ψ有關，但是因為工件擺動的角度很小，所以φ和ψ的角度差也很小，很明顯，切割線受到的法向壓力和切向切割力比不擺動時小。

總結上述對兩種切削方式的受力分析，可以得出：在切割過程中，切削線和工件之間，相對于同樣的切割深度，擺動切割時切削線與工件的接觸長度較小，法向壓力和切向切割力會更小，所以切削線不容易斷裂。

4 實際應用

為了驗證以上分析，我們用自行研制的單線切割設備（如圖4所示）進行工藝實驗，選用SiC材料進行切割，在直線切割和擺動切割狀態下，對切割時的切割線受力和加工后的晶片表面粗糙度進行對比，測量結果如圖13、圖14所示。

圖13 SiC切割力對比

圖13中各個點分別表示不同的切割線速度下，各擺動頻率狀態的切削線受力情況，可以看出擺動切割的切削線受力小于無擺動切割。

圖14中各個點分別表示不同的切割線速度下，各擺動頻率加工的晶片表面粗糙度值（Ra），可以看出擺動切割的晶片表面質量更優。

圖14 SiC切割片表面質量變化對比

因此，通過用兩種切割方式對SiC材料的切割實驗，驗證了應用擺動裝置的單線切割設備在提高切削表面質量、減少斷線率方面能取得很好的效果，擺動切割可以增加材料的去除率，降低切線的磨損，提高加工工件表面的質量。

5 結 論

本文通過對兩種單線切割方式的介紹，結合對切割線受力情況的分析，以及將擺動切割設計裝置應用到單線切割設備的實際案例，著重闡明了應用擺動切割裝置的特點與實用性，對單線切割設備提高加工質量和效率，減少切削線斷線率，具有很強的實際應用價值。

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The Study On The Cutting Of Single Wire Saw Equipment

WANG Xin，YI Zhongbo

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100076，China)

Through the analysis of the cutting line mode force of two kinds of single wire cutting（swing cutting and not swing cutting），Comparison of the contact length between the cutting wire and the workpiece and the stress state，In order to research to improve the wafer cutting surface quality and efficiency of slicing and reducing the cutting line break rate cutting way for direction，Through theoretical analysis and practical application of results：Contact length of cutting wire and the work piece is small when the swing cut，Normal pressure and shear force will be smaller to cut，So cutting line is not easy to break；Carrying the work piece table also contributed swing arc cutting movement，And with a cutting motion synchronous cutting surface can also ensure a reasonable abrasive，Also makes it easier to cut powder discharge，Effectively improve the quality of the cut surface.

Semiconductor equipment；Single wire saw，Linear feed cutting，Swing cutting，Swing workbench device

TN305.1

B

1004-4507(2015)01-0009-05

王欣（1974-），女，山東人，電氣工程師，現主要從事電子專用設備的研發與設計工作。

2014-12-10