（电路与系统专业论文）数控多线研磨切片系统控制机理研究及应用.pdf

数挖多线研磨切j i 系统控制机理研究及戍用 摘要 多线切割技术是太阳能光伏发电、大规模集成电路等电子产业中基片加工的 创新性的核心工艺和主流技术，可大幅提高出片率、切片质量和生产效率。多线 切割机是电子器件制造产业链中的关键装备，广泛应用于单晶硅、多晶硅、人造 蓝宝石、人造水晶、光学玻璃、磁性材料、压电陶瓷等贵重硬脆材料的切片加工 领域。多线切割机床控制系统复杂，制造技术难度大，其核心技术被瑞士、日本 等国家的几家公司垄断，严重制约了我国电子产业链的形成和发展，开发具有自 主知识产权的多线切割技术及系列多线切割机床，是突破国外技术垄断和解决产 业链瓶颈的迫切需求和关键举措。本课题正是针对此问题，深入系统地研究磁性 材料切片专用多线切割机系统控制机理和技术实现途径。 ( 1 ) 论述了多线切割技术的课题研究背景及意义，总结了多线切割技术、 多线切割机设备的国内外研究现状和发展趋势，研究了多线研磨切片系统控制的 理论和技术基础，阐述了课题研究的重点和难点以及论文的主要研究内容。 ( 2 ) 研究了多线切割机切片系统的张力控制、多电机同步、工作台结构并 进行了仿真，对多线切割机切片系统在走线过程中出现的时变情况及由此出现的 张力波动、同步误差进行了量化分析。通过仿真和分析指出：切割线张力控制精 度和多电机系统的同步控制精度直接决定着多线切割机的切片加工精度和质量。 ( 3 ) 阐述了多线切割机切片系统的张力控制机理。建立了以交流伺服为执 行机构的张力控制系统数学模型，提出了p i d 、单纯形寻优和模糊控制的张力控 制系统方案，通过仿真对三种张力控制方法的可行性和控制效果进行了对比分析。 重点研究了基于模糊控制的张力控制方案设计及实现。仿真和实验结果表明：基 于模糊控制的多线切割机张力控制系统，具有良好的控制精度和鲁棒性，其张力 控制精度可达1 n 。 ( 4 ) 针对多线切割机切片系统的速度同步控制问题，创建了一种以伺服电 机为执行机构的无轴传动速度同步系统数学模型。提出了三种走线系统速度同步 控制方法，通过仿真对比，验证了基于最近邻聚类在线辨识的单神经元p i d 模 型参考自适应控制方法具有良好的动、静态特性和抗干扰能力。将控制方法成功 应用于x q 3 0 0 b 磁性材料数控多线切割机的速度同步控制系统，确保了高速走 线系统的同步速度达到6 0 0 m m i n 。 ( 5 ) 针对多线切割机切片系统的切片工艺过程问题，对切割线和被切割材 料进行了受力分析与研究，根据切割线的弯曲受力和切割材料去除率的数学关系， 提出了一种多线切割机切片过程中切割面形变的仿真分析方法。通过调整切割线 i l 博f j 学位论文 张力和切割线运行速度参数仿真对比分析发现，提高切割线张力将减小切割线的 受力弯曲程度，从而获得更佳平坦的切割率；提高切割线的走线速度，将提高多 线切割的切割效率，切割时间的缩短与切割线走线速度的提高成正比。 ( 6 ) 设计开发了一款磁性材料切片专用数控多线切割机新产品一x q 3 0 0 b 型多线切割机，并以该样机为实验测试平台，进行了切片运行状况和切片加工质 量的实测，测试结果表明：x q 3 0 0 b 多线切割机运行稳定，张力控制效果好，同 步控制精度高，整机技术性能指标和切片合格率达到预期设计要求。 本文攻克的数控多线切割机张力控制、同步控制和切片工艺过程等核心技术， 有效地解决了磁性材料切片专用多线切割机产品研制和产业化过程中的难题，在 数控多线切割机设计制造方面具有重要的理论和技术借鉴作用。 关键词：多线切割；张力控制；多电机同步控制；切片工艺过程；磁性材料切片 i i i 数控多线研磨切片系统拧制机理研究及麻用 a b s t r a c t m u l t i - w i r es l i c i n gi st h ei n n o v a t i o n a lc o r ep r o c e s sa n dm a i nt e c h n o l o g yi nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h ee l e c t r o n i cd e v i c es u b s t r a t e sw h i c h a r ea d o p t e di ns o l a r p h o t o v o l t a i c ，l a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h er a t eo f c h i pp r o d u c t i o n ，c h i pq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y m u l t i - w i r es a w ( m w s ) i st h e k e ye q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yc h a i no fe l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c hi sw i d e l y u s e dt os l i c em o n o c r y s t a 儿i n es i l i c o n ，p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o n ，s a p p h i r e ，s y n t h e t i c c r y s t a l ，o p t i c a lg l a s s ，m a g n e t i cm a t e r i a l s ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa n do t h e re x p e n s i v e c r i s p a n dh a r dm a t e r i a l s t h ec o n t r o l s y s t e m o fm w si si n t r i c a t ea n dt h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s a r ev e r y d i f f i c u l t ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sh a v e b e e n m o n o p o l i z e db yf e wc o m p a n i e sl o c a t e d i nj a p a n ，s w i t z e r l a n de t c ，t h i ss i t u a t i o n s e r i o u s l yc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n d u s t r yc h a i no fo u rc o u n t r y s or e s e a r c h e so nt h e k e yt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p m e n to fm w s ，w i n n i n gt h e p r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa r ev e r yi m p o r t a n t ，w h i c hc a nb r e a kt h r o u g h t h et e c h n o l o g ym o n o p o l i z a t i o no ff o r e i g nc o u n t r ya n dt h eb o t t l e n e c k so fi n d u s t r y c h a i n t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t h ec o n t r o lm e c h a n i s m sa n dt h e t e c h n i c a l i m p l e m e n t a t i o n o fm w sf o r m a g n e t i c m a t e r i a l sa r e d e e p l y a n d s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ( 1 ) t h es i g n i f i c a n c ea n dt h eb a c k g r o u n do fm u l t iw i r es l i c i n gt e c h n o l o g ya r e d i s c u s s e d t h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，d e v e l o p i n gt r e n do fm u l t iw i r e s l i c i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sa r es u m m a r i z e d t h et h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l b a s e so fm u l t iw i r es l i c i n gs y s t e ma r ee x p l a i n e d ，t h ep r i m a r yr e s e a r c hc o n t e n t sa r e g i v e n ，a n dt h ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tp o i n t so ft h et o p i ca r ep o i n t e do u t ( 2 ) b a s e do nt h er e s e a r c h e sa n ds i m u l a t i o no ft e n s i o nc o n t r o l ，m u l t i - m o t o r s y n c h r o n i z a t i o na n dw o r k i n gt a b l es t r u c t u r eo ft h r e e - a x i sm u l t i w i r es l i c i n gs y s t e m ， t h et o p i cm a d eaq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so ft e n s i o nf l u c t u a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o n e r r o rw h e nt h em w s s y s t e mi sw o r k i n g ，w h i c hi st i m ev a r i a n t t h er e s u l t ss h o wt h a t t e n s i o nc o n t r o la n dm u l t i m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ld e t e r m i n e st h ea c c u r a c y o f m w s ( 3 ) b a s e do nt h ed e s c r i p t i o no ft h et e n s i o nc o n t r o lm e c h a n i s mo fm w sc u t t i n g c o n t r o l s y s t e m ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mw a s e s t a b l i s h e d ，w h i c hu s i n ga cs e r v oa sa c t u a t o r s ，a n dt h r e et e n s i o nc o n t r o ls c h e m e s w e r ep r o p o s e d ，w h i c ha r ep i d ，s i m p l e xo p t i m i z a t i o na n df u z z yc o n t r o l t e n s i o n i v c o n t r o ls y s t e m s c h e m e ，t h ef e a s i b i l i t i e sa n dc o n t r o le f f e c t sa r e c o m p a r e db y a n a l y z i n g t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n t h e t o p i c f o c u s e do nt h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft e n s i o nc o n t r o ls c h e m eb a s e do nf u z z yc o n t r 0 1 s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dh a sg o o dc o n t r o la c c u r a c ya n dr o b u s t n e s s ， t h et e n s i o no ft h ec u t t i n gw i r ei sc o n t r o l l e di n i n ( 4 ) a i m i n ga tt h es p e e ds y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m so fm w sc u t t i n gs v s t e r n ，a s h a f t n e s ss p e e ds y n c h r o n o u ss y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ，w h i c hu s e s e r v om o t o ra st h ea c t u a t o r t h r e e s p e e ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d sa r e p r o p o s e d t h r o u g hs i m u l a t i o nc o m p a r i s o n ，i ts h o wt h a tt h em o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e p i dc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hb a s e do nn e a r e s t n e i g h b o rc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，h a d b e t t e rd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n da n t i j a m m i n gc a p a c i t y t h ec o n t r o l m e t h o di sa p p l i e dt ot h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc n c m u l t iw i r es a w x q 3 0 0 b ， a n de n s u r e dt h es y n c h r o n i z a t i o ns p e e du pt o6 0 0 m m i n ( 5 ) a i m i n ga tt h ec u t t i n gp r o c e s sc o n t r o lp r o b l e m so ft h em w s c u t t i n gs y s t e m ， f o r c ea n a l y s i sa b o u tc u t t i n gw i r ea n dc u t t i n gm a t e r i a l sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e n d i n gf o r c eo nc u t t i n gw i r ea n dt h er e m o v a l r a t eo fc u t t i n gm a t e r i a l s ，as i m u l a t i o nm e t h o df o c u so nt h e d i s t r i b u t i o ns h a p eo f c u t t i n gm a t e r i a l sw a sp r o p o s e d t h r o u g hc o m p a r i s o no fa d j u s t m e n t so nt e n s i o na n d s p e e do fc u t t i n gw i r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t ht e n s i o na n ds p e e do f c u t t i n gw i r eh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ee f f i c i e n c ya n dc h i pq u a l i t yo fm u l t iw i r e s l i c i n gs y s t e m ( 6 ) am w sm a c h i n ef o rm a g n e t i cm a t e r i a l sc u t t i n gn a m e da sx q 3 0 0 bw a s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，a sat e s t p r o t o t y p e ，t h er e s u l to fr u n n i n gs i t u a t i o na n d c u t t i n gq u a l i t yw e r em e a s u r e d ，t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em w sr u ns t a b l v ，a n e f f e c t i v et e n s i o nc o n t r o la n dh i g hp r e c i s i o ns y n c h r o n o u sc o n t r o lw e r ea c h i e v e d a n d t h ey i e l do fc h i pm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft e n s i o n c o n t r o l ，s y n c h r o n o u sc o n t r o la n dc u t t i n g p r o c e s sc o n t r o li nm w sw h i c hw e r et a c k l e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hc a ns o l v et h e p r o b l e m si np r o d u c td e v e l o p m e n t sa n di n d u s t r i a l i z a t i o no fm w sf o r m a g n e t i c m a t e r i a l s ，a n dh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l d e m o n s t r a t i o ne f f e c to n m w s d e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：m u l t i - w i r es a w ；t e n s i o nc o n t r o l ；m u l t i - m o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o l ； c u t t i n gp r o c e s s ；m a g n e t i cm a t e r i a lc u t t i n g v 博卜学位论文 插图索引 图1 1 多线切割机切片系统原理示意图1 图1 2 国外主流多线切割机3 图1 3 切割线张力产生原理5 图1 4 切割线张力开环控制结构一5 图1 5 切割线张力闭环控制结构6 图1 6 多线切割机切片系统同步控制结构7 图1 7 系列化数控多线切割机实物照片及产业化情况一1 1 图2 1 典型多线切割机切片系统结构1 4 图2 2 张力锤机械结构1 5 图2 3 张力摆杆机械结构1 6 图2 4 多线切割机多电机同步系统结构1 8 图2 5 主轴结构等效图1 8 图2 6 放线轮结构等效图2 0 图2 7 工作台结构等效图2 1 图2 8 张力锤结构受力响应曲线2 2 图2 9 张力摆杆结构受力响应曲线2 3 图2 1 0 典型多线切割机主轴响应曲线2 5 图2 1 1 典型多线切割机放线系统响应曲线2 6 图2 1 2 主轴与放线系统单位阶跃响应曲线对比一2 6 图2 1 3 典型多线切割机工作台系统响应曲线2 8 图3 1 典型交流伺服系统的三环控制示意图一2 9 图3 2 典型p i d 控制结构3 0 图3 3 非单位负反馈的p i d 张力闭环控制系统3 2 图3 4 非单位负反馈的等效单位负反馈p i d 闭环系统3 2 图3 5 基于p i d 控制的张力控制系统m a t l a b 仿真图3 3 图3 6z i e g l e r n i c h o l s 整定p i 和p i d 参数的张力控制响应曲线3 3 图3 7 单纯形法寻优程序流程图3 5 图3 8 基于单纯形法的张力控制系统示意图3 6 图3 9 单纯形法寻优张力控制仿真系统示意图3 6 图3 1 0 应用单纯形法寻优后的控制系统响应一3 7 图3 1 1 模糊控制原理示意图3 8 i x 数拎多线研癣切j 【- 系统拧制机理研究及，柏用 图3 1 2 基于模糊控制的张力控制系统结构3 8 图3 1 3 张力模糊控制的模糊化设计3 9 图3 1 4 基于模糊控制的张力控制m a t l a b 仿真结构4 0 图3 1 5 模糊控制输入阶跃信号的仿真结果4 1 图3 1 6 模糊控制输入方波信号的仿真结果4 1 图3 1 7 样机张力控制实验测试结果4 2 图4 1 参考模型自适应逆控制一4 5 图4 2 自适应滤波器结构4 5 图4 3 走线控制系统速度耦合关系4 6 图4 4l m s 算法的主电机与放线电机自适应逆控制框图4 6 图4 5 数字p i d 速度同步控制仿真结果4 7 图4 6 自适应逆速度同步控制仿真结果4 8 图4 7 基于高斯基函数的神经网络模型4 9 图4 8 基于r b f 神经网络的速度同步控制系统一5 0 图4 9r b f 神经网络控制仿真结果5 3 图4 1 0 动态最近邻聚类算法流程图5 5 图4 1 1 单神经元自适应p i d 控制器5 6 图4 1 2r b f 神经网络在线辨识模型参考自适应控制系统结构图5 7 图4 1 3 无干扰情况下的仿真结果图5 8 图4 1 4 加入干扰情况下的仿真结果图5 8 图4 1 5 不加干扰和加入干扰的速度同步误差5 8 图4 1 6 走线系统速度同步实验结果5 9 图5 1 切割时的被切割材料横截面示意6 1 图5 2 切割线切割示意6 2 图5 3 小段切割线受力分析一6 2 图5 4 切割线与被切割材料接触初始状态6 4 图5 5a b 段切割线受力分析6 4 图5 6 切割线初始弯曲情况6 5 图5 7 不同参数设置时切割线初始弯曲情况对比6 6 图5 8 典型参数切片过程仿真结果6 8 图5 9 增加张力切割形变仿真结果6 9 图5 1 0 增加切割线运行速度的切割形变仿真结果一7 0 图6 1x q 3 0 0 b 控制系统总体结构框图7 3 图6 2 控制系统实物照片7 4 图6 3m p 2 3 0 0 主控制器及触摸屏和控制面板实物照片7 5 x 博l ：学位论文 图6 4 走线系统实物照片7 5 图6 5 主轴系统及油雾润滑设备实物照片7 6 图6 6 工作台运行方案设置界面截图7 6 图6 7 工作台和排线机械系统7 7 图6 8 主轴机械结构7 7 图6 9 外围供砂、润滑和冷却设备7 7 图6 1 0 主电机与放线电机转速及张力摆杆位置实测7 8 图6 1 1 主电机与放线电机转速及张力实测7 8 图6 1 2 主轴速度及其与放线轴的速度同步误差实测7 8 图6 1 3 实验用x q 3 0 0 b 型数控多线切割机照片7 9 图6 1 4 固定在底板上的待切割磁性材料8 0 图6 1 5 完成切片加工的磁性材料8 0 图6 1 6 实验切片中心厚度和平行度误差统计分布图8 1 x l 数控多线研磨切片系统拧制机理研究及膨用 附表索引 表1 1 国外主流多线切割机性能对比2 表1 2 切割不同材料的典型张力值6 表1 3 作者参与及承担相关项目情况1 0 表3 1 模糊规则设计3 9 表3 2 阶跃响应时系统指标比较4 1 表3 3 系统均方误差比较4 1 表3 4 实验张力值统计结果4 2 表3 5 三种控制策略系统性能指标综合比较一4 3 表4 1 速度同步控制主要实验设备5 9 表5 1 典型切片过程仿真参数设置6 8 表5 2 不同参数设置下完成切割所需时间一7 0 表6 1x q 3 0 0 b 数控多线切割机主要指标及对比7 3 表6 2 机器运行参数实测一7 9 表6 3x q 3 0 0 b 切片实验环境设置7 9 表6 4 实验切片检测结果一8 1 x l l 博士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 i t 产业是国家的支柱产业之一，集成电路( i c ) 制造工业是世界各国重点 扶持和发展的工业【。半导体材料加工生产水平代表了一个国家i c 制造工业的 材料基础的实力和科技水平。目前，i c 制造工业对半导体加工设各的精度、效 率、加工件的几何规格及切片的厚度、平行度等主要指标均提出了更高的要求1 2 1 。 多线切割是太阳能光伏发电( p v ) 、大规模集成电路( i c ) 、l e d 显示及照 明( l e d ) 、电子元器件等产业中基片加工的创新性工艺和主流技术，可大幅提 高单位材料的生产效率、产出率和切片质量【孓5 1 。多线切割机以其极高的生产效 率和出片率，在半导体加工领域以逐渐取代了传统的内圆切割机1 6 ，7 】，成为光电 信息产业切割加工的主要方式。 ，j 。缓 图1 1 多线切割机切片系统原理示意图 图1 1 为多线切割机切片系统原理示意图，用来完成切割动作的是一根直径 为8 0 1 a m 1 8 0 1 a m 的金属切割线，切割线被缠绕在超高分子聚乙烯材料的加工辊上， 加工辊上开有间距为2 0 0 1 a m 3 0 0 1 t m 的槽，切割线被一圈圈地缠绕在这些等间距 的槽中从而形成一排平行排列的切割线网，加工辊在电机的驱动下旋转，带动切 割线以3 0 0 m m i n 1 0 0 0 m m i n 的线速度高速水平运动，同时，喷砂嘴将研磨液均 匀地喷射到切割线构成的切割网上，切割线将研磨液带入切割区域，通过研磨液 中的碳化硅微粒对工件进行研磨切割。固定在工作台上的工件将在电机驱动下缓 慢地垂直运动，被切割线一点点地切开，直到整块工件被切成数百片厚度为 1 0 0 1 a m 3 0 0 0 m 的切片。 数控多线研磨切片系统拧制机理研究及应用 长期以来，精密高效数控多线切割机的核心技术被日本、瑞士等国家的几个 公司长期垄断，严重制约着我国的集成电路制造、光伏、半导体照明等光电信息 产业的发展。据有关部门报道，2 0 1 0 年度我国从国外进口精密数控多线切割设 备近7 0 0 台，购置费用近5 0 亿元，由于应用领域的扩大和产品加工精度要求的 提高，国内数控多线切割机的需求量将以2 0 每年的速度递增。为打破国外核 心技术垄断，促进我国集成电路制造、光伏、半导体照明等光电信息产业链的形 成，我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 m 2 0 2 0 年) 的“极大 规模集成电路制造装备及成套工艺 重大专项中设立了“3 0 0 m m 硅片多线切割 机的开发”的子课题。同时，国内也有许多科研院所和企业进行了相关研究，如 中国电子科技集团第4 5 研究所、中日合资的上海日进机床有限公司、兰州瑞德 集团和湖南宇晶机器实业有限公司等。 1 2 数控多线切割技术的国内外研究与应用 1 2 1 数控多线切割机国内外研制现状 多线切割机床属于大型精密数控机床，其加工精度高、控制系统复杂、制造 难度大【8 ，9 1 ，国际上仅有少数几家大型机械制造公司掌握数控多线切割机床技术， 如瑞士m e y e rb u r g e r 公司、h c t 公司、日本t a k a t o r i 公司、n t c 公司等。其代 表机型见图1 2 。 从可靠性方面考虑，瑞士的m e y e rb u r g e r 公司、h c t 公司生产的设备较好， 尤其是h c t 公司，是世界上最早进行多线切割机设计和制造的公司，是多线切 割领域的技术带头人，其主要代表设备为e 5 0 0 s d b 5 。m e y e rb u r g e r 公司是专业 的i c 、p v 行业设备制造商，其多线切割设备以质量可靠，生产效率高闻名。其 主要代表设备为d s 2 6 4 。此外，日本的多线切割机制造技术也比较成熟，以n t c 、 t a k a t o r i 、安永等为代表的多线切割机制造公司在国内外市场上也拥有不小的 份额。国外主流的多线切割机主要性能对比见表1 1 。 表1 1 国外主流多线切割机性能对比 2 博士学位论文 d m e y e rb u r g e rd s 2 6 4 t a k a t o r im w s 一612 s d h c te 5 0 0 s d - b 5 n t cm w m 4 4 2 d m 图1 2 国外主流多线切割机 随着多线切割机的市场需求不断增大，国内从2 0 0 0 年开始，逐渐有以中国 电子科技集团第4 5 研究所、中日合资的上海日进机床有限公司、兰州瑞德集团 和湖南宇晶机器实业有限公司等为代表的科研院所和企业开始进行多线切割机 的研究和制造。同时，多线切割机国产化的呼声越来越高，得到了国家科技政策 的支持，我国在”十一五”科技发展纲要和国家“8 6 3 高新技术发展纲要中的先 进制造技术领域设立了两个重大专项：“极大规模集成电路制造装备及成套工艺” 及“高档数控机床与基础制造设备。 湖南宇晶机器实业有限公司与湖南大学合作，分别于2 0 0 6 年3 月和2 0 0 7 数控多线研磨切j i 系统控制机理研究及戍用 年6 月在国内率先开发出x q l 2 0 小型多线切割机和x q 3 0 0 a 中型多线切割机并 投入市场应用，打破了国外企业垄断数控多线切割机市场的局面。2 0 0 8 年湖南 宇晶机器实业有限公司、湖南大学和有研半导体材料股份有限公司共同建立了 “国家硅材料切片多线切割机应用示范基地”，并且共同承担了国家科技重大专 项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺 子课题“3 0 0 r a m 硅片多线切割机 的开发。 1 2 2 数控多线切割技术的发展趋势 多线切割技术具有片厚一致性好、工艺稳定、切割效率高、节约原材料等不 可比拟的优点【1 0 j 。随着市场需求和加工产量的扩大，多线切割机已成为切片加 工厂商优先考虑采购的切片设备。为了满足大直径半导体硅片等电子材料基片的 切片加工要求，数控多线切割机床正朝着不断增大切割加工尺寸、提高切片质量、 提高切割效率、提高智能化水平等方向发展【1 1 】。 ( 1 ) 增大切割加工尺寸：按照美国半导体工业协会( s i a ) 的微电子技术 发展构图【1 2 】，2 0 0 4 年，主流硅片直径为2 0 0 m m ；2 0 0 5 2 0 0 6 年，主流硅片直径 为3 0 0 m m ；到2 0 0 8 年，已开始使用直径4 5 0 m m 硅片。不断增大的工件尺寸对 多线切割机床的加工能力提出了更高的要求。 ( 2 ) 提高切片质量：下一代i c 、p v 行业要求更高品质的基片，即要求基 片具有高的面型精度和表面完整性。采用特征线宽0 1 u m 的生产技术要求3 0 0 m m 基片的平整度要求 0 1 u m ，在2 5 m mx4 0 m m 区域内的局部平整度要求 0 0 7 u m ， 表面粗糙度要求达到亚纳米级。为此，各种多线切割的新工艺和技术不断诞生， 如使用固定磨料的金属切割线替代目前使用的切割线和研磨液分离的切割线【1 3 l ； 采用具有微形变的金属切割线替代目前使用的表面完全平整、光洁的切割线【1 4 1 ， 以获得更加好的平行度误差等。 ( 3 ) 提高切割效率：通过提高切割线的走线速度，可以提高单位时间的切 割效率。目前，瑞士h c t 公司的数控多线切割机产品e 5 0 0 s d b 5 的切割线走线 速度已经达到了1 0 0 0 m m i n ；在提高切割线走线速度的同时，通过增加同时切割 工件的数量，也能够提高切割效率，瑞士梅耶博格公司的数控多线切割机产品 d s 2 6 2 具有同时切割4 根硅棒的能力。一组切片数最高可达4 4 0 0 片，这相当于 5 0 台切片机一天的工作量【”l 。 ( 4 ) 提高智能化水平：数控多线切割设备的智能化水平一直在不断提高， 主要体现在：增加自动绕线【1 6 1 、自动测量机械参数、故障自诊断【1 7 1 、网络监控 【1 8 】等功能方面。 1 2 3 数控多线切割机切片系统控制机理国内外研究状况 1 切片系统张力控制 4 博 j 学位论文 切割线张力产生机理：多线切割是利用一根细长的金属线作为切割线，通过 在加工区域喷入磨料，依靠切割线的高速运动对工件进行研磨切割的。切片系统 切割线的张力控制精度直接影响切片加工的效率和质量。要实现对张力的控制， 首先需要了解切割线张力产生的机理，见图1 3 。 f v l ( t ) l i 金属线 、张力f 一 、 夕 线轮1线轮2 lv 2 ( t ) 2 图1 3 切割线张力产生原理 图中，线轮1 和线轮2 分别以k o ) 和k o ) 的线速度转动，金属切割线上的张 力为f 。因为线轮1 和线轮2 的线速度不同，那么金属切割线就会由于线速度的 差异而产生一定量的拉伸，拉伸量l 可以由线速度积分获得： 业= = 吵2 ( t ) - v 1 ( t ) l a t ( 1 1 ) 由胡克定律可知【1 9 】，金属切割线张力为： f = k a l = 七= 2 0 ) - g l ( t ) d t ( 1 2 ) 其中k 与金属线的固定弹性系数有关，跟金属线的横截面积成正比，跟金属 线的长度成反比。 由式( 1 2 ) 可知，线轮之间的速度不同步将使得切割线上产生对应的张力变化， 当两个线轮的速度保持一致时，切割线的张力大小将保持不变。 切割线张力控制技术：多线切割机的切割线张力控制方式可按照反馈类型分 为开环控制和闭环控制两大类1 2 0 1 。 切割线张力的开环控制结构见图1 4 ，图中的重物用来产生一个恒定的线张 力，线轮1 和线轮2 分别配有转速检测装置，通过反馈转速可以获得线轮的速度 信息，通过对线轮速度的控制，使得切割线上的张力保持稳定。 图1 4 切割线张力开环控制结构 5 数控多线研磨切片系统拧制机理研究及麻用 切割线张力的闭环控制结构见图1 5 ，图中采用张力控制器对切割线施加张 力，通常使用带转矩控制功能的伺服电机来作为张力控制器。为了实现切割线张 力的闭环控制，在切割线上还设置有切割线张力检测传感器，用来获取切割线上 的张力值。控制系统通过张力传感器的张力反馈信息，对伺服电机的转矩进行控 制，已达到切割线上张力稳定的目的。 张力传感器 ：心f 。一毒 ， 张力控制器 ，、 土 图1 5 切割线张力闭环控制结构 在多线切割机运行时，需要稳定切割金属线的张力大小，且不同的切割材料， 切割金属线的所需要的张力值也不同，见表1 2 。因此，采用重物来施加张力的 开环控制结构具有明显的缺点，主要体现在张力值的设定不够方便，且重物的惯 性较大，会对控制系统的动态特性造