多線搖擺往復(fù)式線鋸切割加工運(yùn)動(dòng)的理論及試驗(yàn)研究

孫旭東 煙臺(tái)力凱數(shù)控科技有限公司

一、多線搖擺往復(fù)切割加工運(yùn)動(dòng)的理論模型

雖然不同公司的設(shè)備略有不同，但多線搖擺往復(fù)式切割的基本運(yùn)動(dòng)方式，可分解為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式：線鋸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及工件的搖擺運(yùn)動(dòng)。

（一）線鋸?fù)鶑?fù)運(yùn)動(dòng)

加工過(guò)程中，線鋸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)左右導(dǎo)輪的周期性正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)來(lái)完成的。其目的是保證線鋸有一定的切割速度以及切割過(guò)程中持續(xù)提供新線。線鋸一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中速度隨時(shí)間的變化曲線。圖中vs 是線鋸在穩(wěn)定切割時(shí)的速度，也是往復(fù)運(yùn)動(dòng)中能達(dá)到的最大速度，-vs 表示線鋸反向運(yùn)動(dòng)，tf，tb 分別是線鋸正向勻速運(yùn)動(dòng)以及反向勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，ta 為線鋸從速度為0 加速到最大速度時(shí)所用的時(shí)間，td 為線鋸從最大速度減少到0 時(shí)所用的時(shí)間。如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程中新線不斷的供給，舊線不斷的回收，使線網(wǎng)上的線不斷地得到更新，保證了線網(wǎng)的鋸切能力。用新線進(jìn)給速度vw 來(lái)表征單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入鋸切加工弧區(qū)中的新線長(zhǎng)度；在完成晶圓切割總時(shí)間T 內(nèi)，切割所用的總耗線量M 可由不同位置處的新線進(jìn)給速度通過(guò)式（1）計(jì)算所得

（二）工件搖擺運(yùn)動(dòng)

加工過(guò)程中，工件裝夾在固于弧形導(dǎo)軌的搖擺塊上，并在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制下進(jìn)行周期性左右搖擺運(yùn)動(dòng)。工件搖擺的左右極限位置與搖擺中心線的夾角稱為最大搖擺角度；而黑色實(shí)線表示晶圓沿著圓心搖擺到最大角度θ 位置處。

二、固定單位長(zhǎng)度新線材料去除體積R 的模型

1.固定新線材料去除體積的模型從上述分析可以看出，僅從材料去除率的角度，難以獲得穩(wěn)定的晶圓切割加工過(guò)程。同時(shí)從式還可以看出，材料去除率的模型僅表征了工件的運(yùn)動(dòng)，并沒(méi)有涉及工具的運(yùn)動(dòng)。而在磨削加工過(guò)程中，相同材料去除率的條件下，參與加工的磨粒數(shù)對(duì)加工結(jié)果有著重要的影響。考慮到線鋸表面磨粒分布的較大不均勻性，因此本文定義材料去除率Q 與新線進(jìn)給速度vw 比值為單位長(zhǎng)度新線材料去除體積R，則可得到單位長(zhǎng)度新線材料去除體積隨切割位置y 軸變化的計(jì)算公式如式（21）所示

2.加工運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)新線材料去除體積的影響根據(jù)工藝參數(shù)，分別計(jì)算不同最大搖擺角度θ 以及不同耗線量M 條件下的單位長(zhǎng)度新線材料去除體積R 隨加工過(guò)程的變化，從圖中可以看出，正如文中所預(yù)期的，通過(guò)合理調(diào)控切割過(guò)程中工件進(jìn)給速度以及新線進(jìn)給速度隨切割位置的變化，可以保證穩(wěn)定R的切割過(guò)程。隨著最大搖擺角度的均勻增加，R 值隨之均勻增加；但隨著耗線量的均勻增加，R 的值隨之減小，但減小趨勢(shì)逐漸放緩。進(jìn)給速比u 和切割總時(shí)間T 對(duì)R 并無(wú)影響。

3.固定新線材料去除體積時(shí)的進(jìn)給速度及材料去除率的變化，在相同切割總時(shí)間T下，三種不同情況下的工件進(jìn)給速度隨加工過(guò)程的變化，分別為勻速切割；無(wú)搖擺條件下，所計(jì)算的調(diào)整后的工件進(jìn)給速度；有搖擺條件下，固定R 的情況下的所獲得的工件進(jìn)給速度。其他工藝條件如下：搖擺角度8°，進(jìn)給速比50%，切割時(shí)間420min。與均勻進(jìn)給速度（直線）相比，調(diào)整后的工件進(jìn)給速度在切割工件兩端時(shí)，其進(jìn)給速度明顯提高，但在切割工件中段時(shí)，進(jìn)給速度明顯減慢；而與無(wú)搖擺條件下的進(jìn)給速度（短劃線）相比，雖然兩者有著相似的變化曲線，但仍然會(huì)有細(xì)微的差別；無(wú)搖擺條件下，進(jìn)給速度呈現(xiàn)對(duì)稱分布的，但加入搖擺后進(jìn)給速度不再為對(duì)稱分布，這與搖擺運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致線鋸提前與工件接觸有關(guān)。短劃線的曲線為不考慮R 固定條件下，有無(wú)搖擺條件下的Q 的變化（也是目前生產(chǎn)中常用的工藝參數(shù)設(shè)定方法）；而雙點(diǎn)劃線的曲線是在考慮了固定R 去除加工條件下，修正了進(jìn)給速度后得到的Q 的變化。

三、切割試驗(yàn)切割試驗(yàn)

在蘇州赫瑞特公司X07M250×350-1D-O多線切割機(jī)上進(jìn)行，切割線鋸采用日本住友電鍍金剛石線鋸，線徑為0.18mm、磨粒大小30～40μm；切割工件為直徑100mm 的4H-N型單晶碳化硅，晶棒長(zhǎng)度20mm；最大搖擺角度為10°，搖擺周期為4s，張緊力為45N，最大線速度為25m/s，往復(fù)周期：86s，進(jìn)給速比為50%，單片耗線量采用327m/pcs，總切割時(shí)間為340min。進(jìn)給速度和新線進(jìn)給速度曲線分別采用企業(yè)提供（工藝A）和本文修整的工藝參數(shù)（工藝B）進(jìn)行切割，其隨加工位置的變化曲線。兩種不同工藝所加工得到的晶圓質(zhì)量結(jié)果。兩種工藝加工后的TTV 值沒(méi)有明顯差別，這是因?yàn)樗庸び玫臋C(jī)床和工具都相同，因此，晶片的厚度大致相同；但是反映晶片形狀的翹曲度和彎曲度有著明顯的差別。對(duì)于采用固定R 的加工工藝所加工的晶片，其翹曲度和彎曲度都有明顯地減小。相比而言，采用固定R 而調(diào)整后的工藝參數(shù)所加工的晶片其表面更加平穩(wěn)，沒(méi)有觀察到明顯的凹凸。從加工過(guò)程中各參數(shù)的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，雖然工藝A 采用改變加工過(guò)程中工件進(jìn)給速度的方式來(lái)調(diào)整材料去除率，使得加工過(guò)程中的材料去除率變得平穩(wěn)，但是其新線進(jìn)給速度沒(méi)有做相應(yīng)的調(diào)整，因此導(dǎo)致其新線材料去除體積在加工過(guò)程中有明顯波動(dòng)。在加工前段，其新線材料去除體積明顯高出，而加工后段也存在新線材料去除體積的變化。而從加工結(jié)果也可以看了，其加工后的表面在工件兩端也出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。

四、結(jié)論

通過(guò)實(shí)際切割試驗(yàn)對(duì)本文所提出的固定R 的加工晶片質(zhì)量進(jìn)行了比較研究，切割試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的工藝參數(shù)可以有效地提高晶片的加工質(zhì)量。