（机械制造及其自动化专业论文）多丝切割机切割丝张力与振动的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 多丝切割机在大直径硅片切割中取代了内圆切割机，在硅片加工技术中有 着举足轻重的地位。研制和生产“多丝切割机”不仅能填补国内空白、赶超国 际先进水平，而且在自主掌握硅片生产的核心技术方面有着重要意义，并将随 太阳能电池和电子信息产业的发展显示良好的市场前景。 鉴于丝振控制在硅片切割中的重要性，本文首先基于“滚动一嵌入”模型 提出了“滚动一嵌入一刮擦”模型，解释了存在的刮擦现象。分析了丝振动对 于硅片n t 效率和质量的影响。采用h a m i l t o n 原则对系统进行建模，获取了切 割丝固有频率和张力、速度、加速度等的关系，得出丝振敏感度最大的参数是 张力。为了减少各种参数变化对于丝振的影响，应该选取尽可能大的张力。本 文采用收放丝同时张力控制走丝系统对非加工区域张力进行精确控制。考虑到 加工区域内由于加工关系产生的张力波动，分析得出提高初始张力能减小张力 波动量对于切割丝固有频率的影响。最后，探索将模糊控制引入到丝振的主动 控制中，采用仿真和实验相结合的方法验证了丝振主动控制的可行性。 本文的研究，加深了对多丝切割机的加工机理的了解。给走丝系统设计和 调试时参数的设定提供了一定的理论依据。本文提出的丝振的主动控制，可以 成为系统性能进一步提高的一条途径。 关键词：多丝切割机振动模糊控制主动控制h a m i l t o n 原则 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i w i r es a wh a ss u b s t i t u t e df o ri n n e rd i a m o n d b l a d e ( i d ) s l i c e ri nt h ef i e l d o ft h el a r g e s i z e ds i l i c o nw a f e rs l i c i n g ，a n dh e l di t si m p o r t a n tp o s i t i o n d e v e l o p i n g a n dm a n u f a c t u r i n gm u l t i w i r es a wc a nn o to n l yf i l lu pt h ei n t e m a lb l a n k ，b u ta l s o e x c e e dt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo f s e l f _ m a s t e r yo fs i l i c o nw a f e rp r o d u c i n gc o r et e c h n o l o g y , a n di tw i l lt a k eo nw e l l f o r e g r o u n dw i t ht h ed e v e l o p i n go f c e l lb a k e r ya n de l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y w h e r e a st h ec o n t r o lo fw i r e v i b r a t i o ni si m p o r t a n ti nt h ef i e l do ft h es i l i c o n w a f e rs l i c i n g ，t h ep a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h em o d e lo f “r o l l i n g i n d e n t i n g c u t t i n g ” b a s e do nt h em o d e lo f “r o l l i n g i n d e n t i n g ”w h i c he x p l a i n st h ep h e n o m e n o no fs c r a p e ， a n da n a l y z et h ee f f e c t so i lp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yb e c a u s eo fv i b r a t i o n a c t i n go nw a f e rs l i c i n g ，a n di ti sm o d e l e dw i t hh a m i l t o np r i n c i p l e ，a n dt h er e l a t i o n o fn a t u r a l 疔e q u e n c yw i t ht e n s i o n ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ne t c i sg a i n e d i ti sf o u n d t h a tt h et e n s i o ni st h em o s ts e n s i t i v ei na l lt h ep a r a m e t e r s i no r d e rt or e d u c i n gt h e e f f e c to ft h ep a r a m e t e r so nw i r e v i b r a t i o n ，t h et e n s i o ns h o u l db ea sl a r g ea sp o s s i b l y a n di ti sc o n t r o l l e de x a c t l yw i t ht h er u n n i n g w i r es y s t e mu s i n gt h ee n w i n d i n ga n d u n w i n d i n g w i r es y n c h r o n i z i n gc o n t r o li nn o n p r o c e s s i n ga r e a s c o n s i d e r i n gt h e f l u c t u a t i o no ft e n s i o nw i t ht h ep r o c e s s e si nw o r k i n ga r e a s ，i ti sc o n c l u d e dt h a t e n h a n c i n gi n i t i a l t e n s i o nc o u l dr e d u c et h ee f f e c t so ff l u c t u a t i o no nn a t u r a lf r e q u e n c y a tl a s t ，i ti sa ne x p l o r i n gt h a tt h ef u z z yc o n t r o li si n t r o d u c e di n t ot h ea c t i v ec o n t r o l o fw i r e v i b r a t i o n t h ef e a s i b i l i t yi sv e r i f i e dw i t ht h ec o m b i n e dm e t h o d so fs i m u l i n k a n de x p e r i m e n t s t h r o u g ht h es t u d y , t h ed e e p e ru n d e r s t a n d i n ga b o u tt h e m e c h a n i s mo f m u l t i w i r es a wi sp r e s e n t e d t h i sp r o v i d e ss o m et h e o r e t i c a li a w s o fe n a c t i n g p a r a m e t e r sw h e nt h ed e s i g n e r sd e s i g na n dd e b u gt h es y s t e m a n dt h ew i r e v i b r a t i o n a c t i v ec o n t r o lp r e s e n t e db yt h ep a p e rg i v e saw a yt h a ti m p r o v e st h es y s t e m p e r f o r m a n c em o r e k e yw o r d s ：m u l t i w i r ec u t t i n gv i b r a t i o n f u z z yc o n t r o l a c t i v ec o n t r o l h a m i l t o np r i n c i p l e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：赵丝篮日期：坦! ：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：寇蝉导师签名： 1 1 日期：型：! ：! ! 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 硅晶片锯切是半导体制造的关键工序之一，锯切质量不仅影响到后续的研 磨、抛光、刻蚀等工序，而且还会影响到半导体器件制成品的最终质量【1 】 2 。因 此，研究硅晶片锯切工艺及设备对提高硅晶片的成品率、质量、提高加工效率、 降低加工成本有着重要的意义。 目前就硅片切割来说，主要有线切割以及内圆切割两种切割方式口1 1 4 1 。内圆 切割机使用环形不锈钢内圆刀片，内刃口镀制金刚砂颗粒，周边用机械方法张 紧，根据单晶硅夹持不同分为立式和卧式。主轴的结构形式有流体静压轴承， 工作介质可以是空气或者主轴油和精密机械主轴之分。技术成熟，刀片稳定性 好。近年来已对内圆切割硅片的损伤及作用机理作了较深入的研究，认为损伤 层近表面的微裂纹是使硅片强度大为降低的主要原因，内圆切割硅片在一定应 力范围内，硅片的切割速率，不影响损伤层厚度。但刀片刃口厚度为o 2 8 一 o 3 4 r a m ，其主要用于小尺寸硅片切割中，加工效率较低，材料损耗大。尤其是 对大直径硅片，内圆切割机就很难胜任了【5 l 6 j 。 硅片线切割技术是近年来新崛起的一项技术【7 1 【8 1 。它采用钢丝带动碳化硅磨 料来切割硅片【9 】。和传统的内圆切片机相比具有切割效率高( 多丝切割) 、材料 损耗小( 内圆切片刀损为o 3 0 3 5 m m ，钢丝切割为o 2 2 r a m ) 、成本降低等特 点。目前技术发展已日趋成熟，切割直径可达4 0 0 r m n ，并且硅片已可切割到 o 2 m m ，切割的表面损伤及腐蚀深度都大大减小，由此国外先进大公司基本都 采用该设备，一台设备可割2 4 m 聊年的硅片。 国内厂商近年来也开始使用多丝切割机，如瑞典h c t 公司生产的e 5 0 0 e d ， m e y e r t b u r g e r 公司的d s 2 6 1 、日本t a k a t o r i ( 高鸟) 公司的m w s 一6 1 0 s d 、m t c 公司m 4 4 2 d m 等。某上市公司用进口多丝切割机，对原切片生产线进行改造， 使其达到年产2 0 0 万片6 英寸硅片的能力生产成本每片下降1 5 元。但是目前 数量很少，而且很多都是二手机器。可见，对于我国芯片等高科技技术的发展， 上海大学硕士学位论文 硅片加工可谓是一个无法逾越的瓶颈。特别是所需的加工设备一直依赖于国外， 严重受到国外的牵制，从而使我国高科技发展如履薄冰。 例如，光伏发电是利用半导体材料光生伏打效应原理直接将太阳辐射能转 换为电能的技术。由于该技术具有其它发电技术无法比拟的优点，在过去1 0 年 中太阳能光伏发电销售额世界上以平均每年2 0 的数率增长。到上世纪末，全 世界累计装机容量达到1 3 0 0 m w 。预计到2 0 5 0 年再增5 0 倍，达到世界发电总 量的l o 一2 0 ，成为人类基本能源之一。因此荷兰欧洲能源公司f r e ee u r o p e e n e r g y 、英国的b ps o l a r 公司等世界各大公司纷纷制定和实施扩大规模的计划。 可以说太阳能光伏发电技术及其产业正在腾飞。 晶体硅是光伏电池的主导材料，生产1 m w 的太阳能电池组件需要1 7 吨左 右的原料。目前国际上太阳能市场供需极度不平衡，严重供不应求的瓶颈就是 上游硅原料。 我国光伏电池市场有巨大潜力，目前产业也有长足发展，技术不断进步， 和发达国家相比差距在不断缩小。2 0 0 3 年，国内光伏电池的产能已达2 0 m w ， 但实际生产量小于生产能力。其生产能力不能充分发挥的主要原因是生产线规 模偏小，成本偏高。其中重要问题之一更是硅片切片能力太弱。 除太阳能电池外，硅片的巨大需求同样表现在集成电路和其他半导体产业 的需求上，并且其要求的加工精度要求更高。中国电子信息产业在未来1 0 年中 将以年均3 0 的速度发展，勿庸置疑，我国的半导体材料行业未来一片光明。 同样，其它一些电子元器件的原材料同样需要切割这一工序，如晶片加工等。 、 、一7 圈1 1 硅片直径( 单位：m m ) 的发展趋势 我国是半导体消费大国，近几年来，硅晶片生产发展迅速，但是由于我国 上海大学硕士学位论文 硅晶片生产起步晚( 2 0 世纪6 0 年代开始批量生产) ，研究力量薄弱，加工工艺水 平仍落后于发达国家。虽然我国已经能规模生产大直径单晶硅棒，但是由于没 有相应的配套设备，只好低价出口棒材，再高价买进硅片。故劣势主要表现在： 产量低，我国硅晶片产量只占世界产量的干分之五：硅晶片面积小，国际上以 o1 5 0 r a m 和m 2 0 0 m m 为主，我国以由1 0 0 r a m 为主，而国际主流产品2 0 0 的 硅晶片在我国尚处于试制阶段。特征尺寸宽，国际主流线宽为0 1 3 肼，而我 国只能达到o 2 5 f a n 0 5 i 册。我国硅晶片发展还存在很大的数量空间和技术 空间。随着特征尺寸的减小和硅晶片直径的增大，对硅晶片加工质量的要求也 越来越高。如按照美国半导体工业协会( s l a ) 提出的微电子技术发展构图，到 2 0 0 8 年，将开始使用直径4 5 0 m m 的硅片( 如图1 _ 1 所示) ，实现特征线宽0 0 7 a n ， 硅片表面总厚度变化( t t v ) 要求小于0 2 , t o n ，硅片表面局部平整度( s f q d ) 要求 为设计线宽的2 3 ，硅片表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级，芯片集成度达到 9 0 0 0 万个晶体管c m 2 等。这样高要求的硅片，没有上述线切割设备是不可想象 的【1 0 】【l i 】。 因此研制和生产“多丝切割机”不仅能填补国内空白、赶超国际先进水平， 还在自主掌握硅片生产的核心技术方面有重要意义，并将随太阳能电池和电子 信息产业的发展显示良好的市场前景。 1 2 国内外研究概况 多丝切割机是一个复杂的技术系统，也是一个复杂的机电一体化系统。其 主要包括走丝系统、工作台进给系统、切削液恒温供给系统、切削液回收系统 等。不仅每一个子系统的构成涉及到众多复杂的基础知识，系统的集成更是问 题重重。国外很多学者对多丝切割机的原理等做了多方面深入的研究“。其中 包括研磨切割机理、切削液配比及供给、切削液恒温控制、硅片进给速度、切 割丝的振动振动特性、切割效率、张力控制系统等。其中对于连续平移物体的 研究最早可以追溯到1 9 8 8 年w i c k e r t 年f l m o t e 所做的工作。i k a o ( p i ) ，s w e i ，f - p c h i a n g 等人对单根丝切割情况时的状态进行了一个讨论。关于振动与切削液的 上海大学硕士学位论文 关系，日本的h i t o s h is u w a b e ，k e n i c h ii s h i k a w a ，a n da k i h i s a t a j i m a 等 人做了很多研究和实验，得出了相关的规律，比如由于振动的存在，改善了切 削液性能等。基于这些研究，瑞士和日本等国家对自己的产品进行了一次又一 次的改进，逐步达到了第六代和第七代产品。 由于多丝切割机的巨大价值，引发国内许多人的兴趣。有关部门和许多省 市相继立项研究大直径硅片切割加工的关键技术的机理、实现方法以及相关的 工具与装备。例如江苏省科技厅在关于组织申报2 0 0 5 年度省社会发展、省自然 科学基金项目及省国际合作项目，其中一个前期预研项目方向便是大直径 硅片加工关键技术基础研究。同样，为了进一步推动上海半导体器件工艺关键 装备研究与制造能力，实现半导体器件工艺装备的跨越式发展，上海市科学技 术委员会特发布2 0 0 5 年半导体器件制造工艺关键装备技术的研究重大科技 攻关项目。国家电子基金2 0 0 5 年资助电子设备的申请指南中也提出了硅片加工 设备的研制。但由于技术的复杂性，到目前为止，尚未有较深入的研究成果发 表。就设备而言，目前只有兰州瑞德实业集团有限公司( 原兰州新集团) 有类 似的产品刚刚问世，如：x 0 71 5 0 1 型多线锯切割机。相比国外样机，它只是一 种简易的初级产品。所以对于切割系统的研究，国内还刚刚起步。 可见，对于这方面的研究，国内还是一块处女地。有待我们去作进一步的 研究。 1 3 课题来源 本课题来源于上海日进机床公司，这是家专业设计制造各类高精度电子 材料加工专用设备的企业。公司现有产品种类已达数十种，适用于光学玻璃、 电子陶瓷、压电晶体、磁性材料等行业。鉴于多丝切割机的发展前景，2 0 0 4 年 开始，公司就关注多丝切割机，同时瞄准国外先进的多丝切割机技术水平和性 能要求，对n w s 6 2 型切割机( 见附录1 ) 进行研制工作。由于理论上的空白， 研制工作带有盲目模仿的倾向。 为了掌握切割机理以及设备的关键技术，以便给予设计和调试的理论指导， 上海日进机床有限公司委托我校进行多丝切割机机理方面的研究工作。这个研 上晦大学硕士学位论文 究包括切割机理、走丝系统的设计、张力及振动控制、工艺参数的优化等等。 到本论文定稿时，n w s 6 x 2 样机已完成全部装配工作，并进行了初步调试。如 果该设备研制成功，它将达到世界同等先进水平。 1 4 本文的主要研究内容以及论文安排 通过查阅相关的文献，对多丝切割机有了一定的了解后，拟列入本文研究 的内容主要有以下几点： 1 ：多丝切割机的切割机理的探讨： 2 ：振动对于切割加工的影响及寻求外部的激励来源； 3 ：分析多丝切割过程中张力、速度、加速度等对于加工特性的关系； 4 ：丝振的控制方法。 本论文以作者上面所列的研究工作为基础，在第一章中阐述了课题研究的 来源、目的、意义以及国内夕卜研究的现状。第二章阐述了切割机理以及振动对 于多丝切割加工质量的影响，其中就振动对加工效率、加工质量的影响进行了 讨论，从而证明了振动控制的重要性。第三章主要通过建模分析，得出了在多 丝切割加工过程中，张力、速度、加速度等对于切割丝振动其特性的影响，找 到了有明显影响的些因素，为后面振动的控制打下了一定的基础。第四章中 对影响切割丝振动特性的主要原因之一的张力进行了分析，包括加工区域和非 加工区域内张力的变化情况，以及张力的波动来源等。并对张力控制进行了仿 真，给出了张力控制系统和设计参数。第五章引入主动控制的方法对丝振进行 控制，采用模糊控制方法对单丝的振动模型进行了计算机仿真，并通过实验进 行了相关的控制验证。最后第六章对全文进行了总结和展望。 上海大学硕士学位论文 第二章切割机理及振动对加工的影响 本章从多丝切割的机理出发，详细地说明了整个切削过程。在此基础上， 讨论了振动在本系统中对于磨粒和工件的影响。对其有利方面与不利方面做了 详细的论述。 2 1 多丝硅片切割的机理 多丝切割线锯切技术是最近出现的加工硅晶片的工艺。根据磨料的状态可 以分为固着磨料和游离磨料两种，固着磨料是将金刚石电镀或者滚压在钢丝上： 游离磨料是将磨料混在切削液中，由喷洒系统喷洒在切割区域。游离磨料锯切 相比于固着磨料锯切更具优势，游离磨料直径微小，在高速运转的钢丝带动下， 以滚动、嵌入和刮擦的形式作用在硅晶棒上，完成切割。其加工区域如图2 1 所示。切割丝通过三( 四) 个切割辊，绕成多排平行的切丝同时对工件进行切 片加工，如图中5 。当切割丝经过工件3 上方时，将2 切割液喷嘴中喷出的切 割液带到加工区域，由切削液中的磨粒进行研磨切割。可见，在整个切削过程 中，磨粒起着刀具的作用。 l 一切割槽轮2 一研磨剂喷嘴3 一工件4 一工作台5 一金属丝 图2 1 多丝切割示意图 由于碳化硅微粉具有硬度高、抗高温性能好、热导率高、高稳定性等特点， 主要用于制作精细砂轮、油石、砂布、砂带等精加工工具，广泛应用于机械零 件、电子元件、石材等研磨抛光，也被广泛使用于硅片等的线切割( i ”。 国内半导体厂商开始都是进口发达国家的知名厂家的产品，如德国e s k 、 日本f u j i m i 等。因此，国内一些碳化硅微粉厂家大多采用欧洲标准( f e p a ) 、 上海大学硕士学位论文 目本标准( j i s ) 和美国标准( a n s i ) 。 作为多丝切割微粉，其颗粒形状对样品加工效果会产生显著影响。按照上 述研磨作用机理，用于硅片切割的碳化硅微粉要求具有一定的长径比，同时要 求颗粒的边缘分明，具有一定的刃度。有时也将这种线切割微粉的长径比称为 颗粒锋利度。如图2 2 所示，图中可以看到，该产品棱角较多，锋利部分十分 明显。 幽2 2 磺化硅微粒显徽照片 多丝切割的机理提出较多的是“滚动一嵌入”模型，其主要思想就是自由 的磨粒由于其锋利的边角而产生局部高压其嵌入硅的表面，形成局部破碎而去 处材料。基于这个模型，很多研究者对切割过程进行了很多深入的研究，并且 得出了很多结果。但是在研究过程中，还是有一些现象不能解释。比如，文献 f “】中提到多丝切割的硅片表面有明显的刮痕。在使用多丝切割机的厂商那里收 集的废丝表面除了有凹坑存在外，同样也发现了一定的刮痕，如图2 3 所示。 图2 3 切割丝表面显微照片 种种现象表明，在“滚动一嵌入”的同时，还存在某种切削方式【1 2 】。本文 试图用“滚动一嵌入一刮擦”的模型来对其进行说明，并为以后的振动建模打 下基础。在磨粒进入加工区域后，可以将磨粒承受的载荷分解为法向分力和切 向分力【b 】。法向分力使磨料刺入材料表面，如硬度试验一样，在表面上形成压 上海大学硕士学位论文 痕。切向分力使磨料沿平行于表面方向向前滑滚。有时磨料的形状与方向适当 时( 即磨料棱角锐利又具有合适的角度) ，磨粒就象刀具一样，对表面进行切削， 从而形成切削微粒。有时则经过一段滚滑后嵌入到硅料中，形成“滚动一嵌入” 切割。可以看出两者都会存在着刮擦现象。当然在整个加工过程中，由于切割 液、切割丝以及磨粒之间的相互碰撞等原因导致加工条件的改变，时时地改变 着“滚动一嵌入一刮擦”的状态，最终完成切割。 就整个切削过程来说，当单个磨粒进行切割作用时，主要有三个阶段。如 图2 4 所示，在磨削过程的开始阶段，磨粒的切削刃冲击工件表面，在第一个 区域i ，材料发生弹性变形。在接触区内，工件和磨粒之间的摩擦力增大、温 严生热 图2 4 磨粒切割三阶段 度升高。除区域i 外，随着磨粒进一步切入材料，区域i i 也发生塑性变形。接 下来是作用力增大。由切割作用引入的摩擦力和变形能量导致工件表面的温度 进一步增加，随之材料的弹性限度降低，塑性变形加剧。磨削过程的主要部分 在于区域，此过程产生磨屑或者嵌入挤压材料，著且产生热量。此间，材料 塑性位移与碎片形成过程同时发生。 在此过程结束时，如在磨削过程的第1 、i i 区那样，工件表面又出现弹一塑 性变形或弹性变形或者直接崩裂。每个阶段对切削过程的影响大小取决于磨粒的 图2 5 圆锥形微凸体切削模型 几何形状、工件间的相对速度、材料的延展性以及所用的冷却液。 上海大学硕士学位论文 在去除材料的同时，磨粒也随着磨屑的形成而消耗掉。在此，本文采用了磨 料磨损的简化圆锥形微凸体切削模型进行分析，如图2 5 。由该模型可以给出磨 料磨损的材料总转移( 磨损) 体积的计算公式为： v = k 。f h( 式2 1 ) 式中：世。为磨料磨损系数，k 。“2 e o t 0 x ，不同的磨料丘。值不相同( 0 为微 凸体锥面倾斜角) ；h 为软材料的硬度；，为微凸体支承载荷。 在磨料磨损中，磨料的硬度是影响磨损的重要因素之一。它对磨料磨损的 影响特性，如下图2 6 所示。当磨料硬度日。低于材料硬度h ，即h 。d 5 0d 9 7 d 1 0 0 s i c 2f c s f e 2 0 匹 # 6 0 01 2 52 3 5 士0 53 84 89 9 0 0o 1 5o 1 5 # 7 0 0 1 0 02 0 0 0 5 3 34 49 9 0 0 0 1 5 0 1 5 # 8 0 08 51 7 0 土0 42 84 09 9 0 00 1 50 15 # 1 0 0 0 7 4 1 4 0 士0 3 2 5 3 79 8 5 0o 2 0 0 2 0 撑1 2 0 06 31 2 0 士0 32 33 79 8 5 00 2 0o 2 0 捍1 5 0 05 3 1 0 0 士0 2 2 03 09 8 0 0 0 3 0 0 3 0 # 2 0 0 04 48 0 士0 51 72 79 8 0 00 3 00 3 0 检测设备粒度分布检测：c o u l t e rl s l 0 0 q 激光粒度分析仪检测标准 化学：依照g b 3 0 4 5 - 8 9 表2 1 粒度分布检测 频率在原有基础上有了进一步的提高，更好地避免了在加工区域内由于磨粒等 的激励而引起共振的可能性。 但是，振动也会影响硅片的弯曲度( b o w ) 、翘曲度( w a r p ) ，平行度 ( t a p e r ) ，总厚度公差( t t v ) ，切口切割损耗，表面损伤层厚度，晶片表面 粗糙度，从而影响下一道工序的效率和加工质量，更甚者，引起材料的断裂等。 蓦昏 上海大学硕士学位论文 在切割过程中，希望晶片的总体厚度化为零，而由于振动的存在，切割槽 加宽导致了损耗的增大，在单片硅片厚度要求一定的情况下，减少了单位长度 硅锭硅片的产出量( w a f e r c m ) 、单位长度里所有硅片总的厚度( c m c m ) ，从而 最终影响单位质量材料加工出来的所有硅片的总的表面积( m2 坎) ； 以线径0 1 6 m m 的切割丝来浇，由于切割液中的研磨颗粒使切线与硅片壁 保持3 盯的空问，( 口是研磨颗粒的直径，如表2 1 所示) 。当采用规格为# 1 0 0 0 的磨粒时，在完全没有振动的情况下，硅片的切割槽理论上将达到2 0 4 删。如 果再加上大幅的振动，则切割槽口的尺寸将进一步大幅增大，这样在一定程度 上减少了单位长度上硅片的产出率，使得材料变得浪费。同样在切割槽轮间距 一定的情况下，每片的厚度也会相应的减小，这在表面质量一定的情况下，为 后续加工带来了一定的麻烦。 2 5 本章小结 本章基于“滚动一嵌入”模型，提出了“滚动一嵌入一刮擦”的模型，指 出滚动、嵌入、刮擦三种现象在多丝切割过程中并存，从而较顺利地解释了刮 擦现象和振动的起因。并从振动对于机加工的普遍性出发，结合硅片切割行业 的特点，分析了切割丝振动对于硅片切割过程的影响。其中包括提高切割效率 有利的一面，同时也有我们必须预防的不利方面。通过这些分析，振动对于硅 加工主要有以下几方面有利和不利的影响。 l ：会影响到切割磨料的利用率； 2 ：会影响到硅加工效率； 3 ：会影响硅片的弯益度( b o w ) 、翘曲度( w a r p ) ，平行度( t a p e r ) ，总厚 度公差( t t v ) ，切口切割损耗，表面损伤层厚度，晶片表面粗糙度，从而影响 下一道工序的效率和加工质量； 4 ：会影响到单位长度硅锭的硅片产出量( w a f e r c m ) 、单位长度里所有硅片总 的厚度( c m c m ) ，从而影响单位质量材料加工出来的所有硅片的总的表面积 ( m 2 堙) 。 上海大学硕士学位论文 第三章切割丝振动分析 本章主要讨论多丝切割机加工振动的影响因素。采用h a m i l t o n 原则对系统 进行建模，并采用有限元等方法对模型进行分析，从而获得了相关参数对于系 统性能影响的敏感度。 3 1 国外对弦振动的研究进程 在过去的4 0 年里，平移连续体的动态性被大量的研究，其主要由于在机械 系统中有着大量的运用。比如：电力运输、带子、带锯刀片、纺织纤维、磁带、 纸片、线索、电梯电缆和传输管道。在轴向平移结构中，很多振动通常要被避 免。例如，在磁带驱动器中，振动将引起磁信号的不良甚至损坏磁带。同样， 在多丝切割切割的过程中，振动将影响切割质量。 关于轴向平移连续体的文献可以追溯到1 9 7 8 年。其主要有u l s o y 、m o t e 、 s z y m a n i 。近一段时间来由w i c k e r t 和m o t e 所做的工作可以追溯到1 9 8 8 年。在 a b r a t e 所做的关于带传动的研究文献中，讨论了参数的影响，比如：初始张力、 运动速度、弯曲刚度、支持柔性和滑轮的不理想性等【2 l 】。 w i c k e r t 和m o t e 对单一空中索道系统的移动负载问题做了研究。对于任意 激励和初始条件的轴向移动连续体的闭环解决方法使用了复杂的模态分析和 g r e e n 函数方法来推导出来。u l s o y 为轴向运动的波包括两个连接跨度之间的弹 性耦合的横向振动做了一个模型。在这些论文里，轴向速度被认为是一个恒定 的值，运动方程有一个恒定的系数 2 2 】。然而在许多实际的应用中，振动瞬时现 象是非常重要的，同时对运动起着重要影响。 m i r a n k e r 是第一个为轴向加速线推导运动方程的人【2 3 l 。随后一段加速弦线 的大致解决方法由m o t e 给出，其中他采用拉普拉斯转换技术分析了线的稳定 性。最近p a k d e m i r l i 、u l s o y 和c e r a n o g l u 更多地应用f l o q u e t 理论分析了有预知 正弦速度函数的线运动的稳定性。运用同样的方法，p a k d e m i r l i 和b a t a n 对于有 周期的恒定的加减速系统进行了稳定性分析。对于弦线的轴向速度被假定于一 个恒定的平均速度上有个微小变化的情况下，p a k d e m i r l i 和u l s o y 使用了多尺度 的方法。w i c k e r t 在对传输速度在自然振荡周期的时间尺度上缓变的情况采用了 上海大学硕士学位论文 k r y l o v 、b o g o l i u b o v 和m i t r o p o l s k y 后，提出了p e r t u r b a t i o n 分析a z h u 和g u o 以及o z k a y a 和p a k d e m i r l i 采用在曲线特性坐标下的等值转换找到了有任意速度 弦线的精确解决方案。w i c k e r t 和0 z 以及p a k d e m i r l i 也分析了加速线的稳定性 同时采用摇动技术考虑了不同弯曲刚度值的效果。 在以上所有提及的研究中，系统都是完全保守的，没有摩擦力考虑在内。 然而，在许多应用中，由零部件产生的摩擦力比如：固定导向器，磁头对于连 续体的运动产生了重要影响。 c h e n 和p e r k i n s 在恒定平移速度的前提下，对存在千摩擦导向的轴向移动 线进行分离变量的方法得出了精确解决方法 2 4 。z e n 和m t f f t t i 采用了有限元方 法和时间综合的口方法处理这个问题。c h e n 考虑了个包含诸如过渡期和阻尼 的固定负载，同时考虑了摩擦和刚度。c h a k r a b o r t y 和m a l l i k 研究了带摩擦中间 导向器的线的响应，但是在这里平移速度又被认为是恒定的。 3 2 诱发振动的原因分析 在多丝切割的过程中，影响加工质量的首要因素就是切割丝在切割过程中 所发生的振动，其和其它一些因素影响着硅片的弯曲度( b o w ) 、翘曲度 ( w a r p ) 、平行度( t a p e r ) 、总厚度公差( t t v ) 、切口切割损耗、表面损伤 层厚度、晶片表面粗糙度，从而影响下一道工序的效率和加工质量。所以在加 工过程中应严格控制切割丝的振动。基于对系统的分析了解，在本系统中，诱 发加工区域内切割丝振动的原因有很多，大致可以认为有以下4 种： 1 ：机械结构诱发振动： 2 ：流体诱发振动： 3 ：切割磨粒诱发振动； 4 ：切割丝自身特性诱发振动。 机械结构影响切割丝的振动是多方面的。就切割槽轮来说，三( 四) 个切 割槽轮的总体尺寸应完全相同，这样可以避免在转动过程中，引起各个槽轮之 间切割丝不同段之间松紧的不停变化。然而在实际加工应用过程中，由于应用 了切削液，所以在切割槽上或多或少地带上了切割磨粒，加速了切割槽的磨损， 从而导致切割槽的失效。因此在应用了_ 段时间后，磨损严重的切割槽轮必须 上海大学硕士学位论文 拆卸下来在机床上进行加工修整。可见，同一系统上，由于各个切割槽轮的加 工尺寸很难一致，一定程度上诱发了振动的可能性。 同时，由于安装的关系，各个切割槽轮的轴心并不平行。存在一定的轴向 跳动。比如在日本高鸟的m w s 系列的介绍中所说的：3 个槽轮的跳动每一个应 在2 0 u r n 左右，超过则重新安装。可见，即使安装完成，各个轴心之间也有不 同程度的轴向跳动，这是不可避免的。而跳动的存在，使槽轮之间切割丝松紧 周期性的变化，诱发了振动。 从第二点来讲，由于多丝切割机的工作机理，其中必然存在流体切割 液。由湍流流动所诱发的振动是流动诱发振动中最为常见的形式。流动的湍流 波动由工程结构表面上的波动压力传递给结构体，这些表面压力诱发了振动。 种种湍流流动都是以频率范围宽广的振荡的许多成分的总和。在本系统中，由 于切削液的冲击，使得切割丝在冲击力的作用下，会发生一定频率的受迫振动。 实际加工过程中，这种振动是不可避免的。其频率和切削液的密度、粘稠度、 供给速度、角度等有关。 在加工过程中，切割磨粒作为切割刀具，在与工件接触进行切割的同时， 其实际上也在与切割丝发生着不断的接触。其对切割丝同样产生了一定的冲击。 这个冲击力可以分为两个方向切向和法向。切向的冲击力在一定程度上时 刻改变着切割丝的实时张力，使得切割丝的特性不断地发生着变化。同时法向 的冲击力则可以看成是切割丝横向振动的激励的- - g e 。由于切割速度等的不同， 使得其对切割丝的激振频率也不尽相同，激振幅度也不尽相同。这种不同，不 仅在空间上，而且在时间上都存在着动态的变化。 而第四种情况中，我们主要关注的是切割丝本身的特性。就整个系统而言， 其它3 点都是外在的激励源，而第四点这是内在的。通过改变内在的特性，可 以尽量减小外在激励对整个系统的影响。这些方面主要是一些相关的加工参数。 比如走丝速度、丝的张力、工作压力、切割丝直径、材料等等。通过改变这些 参数中的一个或者几个来获得一个较优的加工特性。使得在其它工况相同的情 况下，获得一个相对良好的加工环境、一个优化的工艺参数。使得加工质量得 以一定提高。 上海大学硕士学位论文 从上面可以看出，在系统中，振动的激励源无处不在，这对于进行精密加 工的多丝切割来说，是一大致命弱点。为了更好地对系统的振动加以控制，作 者通过对系统进行建模分析，从而对其有个充分全面的认识。 3 3 系统振动建模仿真分析 3 3 1 一般弹性体的振动方程 弹性体是具有分布物理参数( 质量、刚度、阻尼) 的系统，它是由无数个 质点借弹性联系组成的连续系统【2 5 1 2 6 1 【2 7 1 。它有无限多个自由度，相应地具有无 限多个固有频率与振型【29 1 。由于其各振型存在着正交性，所以振型叠加法仍 然适用。 弹性体的振动需要用偏微分方程描述【3 0 l 。其振动的研究要对理想弹性体作 如下假设： 1 ：均匀连续； 2 ：各向同性； 3 ：服从虎克定律。 基于以上假设，一般的弹性体振动可以分为以下几种类型：横向振动、纵 向振动和扭转振动。其振动的微分方程都具有相同的形式，即都是波动方程。 如图3 ，1 ，为一细弦线上所取的一微小段出，受力如图所示。设弦线是作 微幅振动。即y 与宴均为小量，故弦线的张力t 可视为常数。而重力和阻尼可 忽略不计。设弦线的线密度为p ，则微段的质量为正出。由牛顿第二定理可得： 望出 缸 图3 1 横向振动微段 t ( 0 + ( a o o x ) a x ) 一t o = 腑( a 2 y o t 2 ) ，一 出i一窆 上海大学硕士学位论文 由于8 = 劬f a x j o o 0 x = ( p t ) ( 0 2 西2 ) a ：y 融z ：上( 0 2 y a z ) ( 式3 1 ) c h 其中：c 。= 叫p 为横向振动波速。 同样，我们可以得到一般弹性体纵向振动的方程。微段出在自由振动中的 位移关系和受力如图3 2 所示。其中，p 为其的轴向力。设线密度为p ，材料的 弹性模量为e 。则由顿第二定理可知，其运动方程为： 由于纵向应变为 y 丝：! 土j 翌：e s 一0 2 u 缸se积o x 2 执e ，确睾= 詈窘 x ( a ) ( b ) ( 式3 2 ) 肌可3 2 u = 窘，其中= j 萼，为弹性纵波沿x 轴的传播速度。 同理可得一般弹性体的扭振方程：c 。= j 号 其中：g 为剪切弹性模量。 ( 式3 3 ) 段微动振自纵 弛塑酽 图 础 i | 出 鲨 上海大学硕士学位论文 3 3 2 系统建模仿真分析 zw ( x ，t ) xu ( x t ) t 1 丛业t 2 一上令 l 图3 3 走丝模型 由于在加工区域中，所有切割丝的受力情况大致相同，故在此就以单根金 属丝建模。模型如图3 3 所示，为一根受力的以速度v ( o 在跨距为上的固定支持 点上运动的金属丝。其受力如上图所示，其中： 口磨粒等对金属丝的分布压力 ，摩擦力 上加工跨距 口加工区域离左侧距离 b 加工区域宽度 w 向，0 切割丝横向位移 u ( x ，一切割丝纵向跳动 刑走丝速度 由图可知，切割丝上任何一点的位置矢量为： f = r x + u ) i + w k 对上式求一阶偏导得： i = j = ( 矿+ “，+ 地。，) i + ( w l f + v w ，) 云 于是： 动能为瓦。= i 1p f 哥i 幽 势能为e ，。= f ( 吉e s d + t s ，一g 们出 热糕a x a + b 上海大学硕士学位论文 由非线性拉格明曰定义得： 1， s 一= “，r + i w 二 把。代入e 。，省略高次项得： = r ( 圭胁：川+ 圭w ：) 一荆出 并且：，= z + t q d x 非保守力做功：岷。= r 一朋“d x 由上面3 3 1 分析可得，金属丝的纵向波速为c 。= 厕，横向波速为 c h = 肛万。由于e = 2 0 0 g p ，d = 0 1 6 m m ，p = o 0 0 0 1 6 1 5 k g m ，丁= 2 5 n ，计 算可得，金属丝的纵向波速( 4 9 8 8 6 6 m s ) 远远大于横向波速( 3 9 3 4 4 m s ) ，基 于此情况，可以认为该金属丝的横向运动处于一个准静态情况。 由于h a m i l t o n 原则是利用泛函求极值的方法，将真实运动从约束允许的一 切可能运动中挑选出来。其不仅在力学中，而且在物理学科的其它领域都有重。 要意义和优势，故在此根据h a m i l t o n 原则，模型建立如下： 万j ( 毛。一e + 氓c ) 础2 o 将式3 4 带入上式，可得系统横、纵向振动运动方程( 见附录3 ) ，其中横 向振动运动方程如下： 厦，+ 晓叱+ 2 y 心。+ 矿2 _ ) 一r _ “一q = 0 ( 式3 5 ) 边界条件为： x = 0 ，w ( o ，t ) = 0 r 0 x = 上，w ( l ，f ) = 0 f 0 初始条件为： t = 0 ，w ( x ，0 ) = w o ( x ) 0 x l r = 0 ，w ，( 工，o ) = 伽o ( z ) 0 工 厂7 ) ，张力的波动情况较有同步带驱动的情况大，容易造成断丝，并且 系统响应变慢。所以在本系统中，采用同步带传动方式。 由于v ( o 是随时间不断变化的，所以b 区的加工区域内金属丝实际所受的 张力随着矿例呈现出大致周而复始的变化，从而在一定范围内引起了金属丝的+ 固有频率的改变。在切削的过程中，由于受到工件、研磨颗粒等的作用而引起 的切割丝受迫振动，如果当激振频率达到其固有频率引起共振，必将破坏加工 表面质量。特别是在欲切入工件时候，效果更加明显。考虑到，在经过切削之 后，切割丝自身的磨损，其所能承受的最大张力较新丝降低1 0 。在考虑到安 全的情况下，切割丝张力设定不能过高。所以必须使图4 6 所示a 区域内张力 保持在一定的高度，并且保持一定的精度，间接地保持b