金剛石線切割的原理、特點(diǎn)及其在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)布日期：2024-06-25      瀏覽次數(shù)：1521

1 金剛石線切割

20世紀(jì)90年代，國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題，采用了線鋸加工技術(shù)將硅棒切割成片。早期的線鋸加工技術(shù)是采用裸露的金屬線和游離的磨料，在加工過程中，將磨料以第三者加入到金屬線和加工件之間產(chǎn)生切削作用。這種技術(shù)被成功地用于對硅和碳化硅的加工。為了進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，以及對其它堅(jiān)硬物質(zhì)和難以加工的陶瓷進(jìn)行加工，人們將金剛石磨料以一定的方式固定到金屬線上，從而產(chǎn)生了固定金剛石線鋸。

1.1金剛石線切割的原理




                       

                   

                      圖1.1金剛石線切割原理圖




如圖1.1高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的切割線帶動(dòng)砂漿到切割區(qū)，使砂漿中的研磨顆粒(SiC顆粒)與硅棒表面高速磨削，由于研磨顆粒有非常銳利的棱角，并且硬度遠(yuǎn)大于硅棒的硬度，所以硅棒與線鋸接觸的區(qū)域逐漸被砂漿磨削掉，進(jìn)而達(dá)到切割的效果，同時(shí)砂漿也可以帶走磨削中產(chǎn)生的大量熱能。

在對金剛石線鋸切割機(jī)理的認(rèn)識過程中，許多研究者認(rèn)為，金剛石磨粒的微觀切削運(yùn)動(dòng)是一個(gè)滾動(dòng)、嵌入過程，提出了“滾動(dòng) -嵌入"模型。有人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用， 發(fā)現(xiàn)磨粒對材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。有人指出在 “滾動(dòng) - 嵌入" 模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)和嵌入外，還包括刮擦， 三者共同形成切削作用。有人則在這個(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動(dòng)力學(xué)模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)， 還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動(dòng)產(chǎn)生了切削。

1.2  金剛石線切割的導(dǎo)線輪

     根據(jù)切割材料直徑不同和設(shè)備制造廠家的技術(shù)考慮導(dǎo)線輪有2輪、3輪、4輪不等，安裝方法有2輪平行、等邊三角形或梯形，如圖1.2所示。

 



 

圖1.2導(dǎo)線輪安裝形式

導(dǎo)線輪是控制片厚的關(guān)鍵部件，導(dǎo)線輪是用高分子材料制作的精密滾輪，在其表而刻有等同于線寬、深的螺旋槽，切割時(shí)將線繞在導(dǎo)線輪上。要求其材料耐磨性要好、剛度要高，在切割張緊時(shí)不能變形：片厚的控制取決于槽間寬度，槽間寬度誤差應(yīng)小于5um，所以對材質(zhì)要求和加工精度都非常高^[4]。

1.3  金剛石線切割的特點(diǎn)

a) 可加工非導(dǎo)電材料 而傳統(tǒng)的放電加工則不能

b) 可進(jìn)行多線切割

c) 刀縫損失小 這對加工成本高的半導(dǎo)體和貴重材料非常重要。用直徑350 m 的金剛石線切SiC單晶時(shí)刀縫才為0 .3048 mm

d) 可自由改變切割位向

1.4 金剛石線切割的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代，國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題，采用了線鋸加工技術(shù)將硅棒切割成片，這種技術(shù)被成功地用于對硅和碳化硅的加工。

目前，采用金剛石工具切割花崗石是石材加工常用的方法之一，在光電子工業(yè)中使用最為廣泛的是往復(fù)式多線鋸，金剛石線切割被廣泛的用在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割。