（机械制造及其自动化专业论文）环形金刚石线锯丝制造技术及锯切实验研究.pdf

摘要 摘要 集成电路 i c 多以单晶硅片为衬底材料 为降低单元制造成本 要求单晶 硅片的矗径也越来越大 切片是硅片制造的关键工序 对于塞径大于3 0 0 r a m 的 单晶硅普遍采用往复式自由磨料线锯切片技术 往复式自由磨料线锯加工 其材 料去除枫理是研磨 加工效率较低 且不能切割硬度更高的碳化硅罴体 陶瓷等 材料 本文提出环形树脂结合剂金刚石线锯切割这一新工艺 利用固结在线锯丝 基体上的金刚石磨粒直接磨削去除材料 减轻加工隧表层损伤 环形线锯丝单方 向高速连续运动 大大提高切割速度和效率 可用于硅晶体切片及高硬度材料切 割加工 具有切割精度高 制造成本低 对环境无污染等优点 本文设计制造了环形锯丝线锯床 该锯床使用环形金刚石线锯丝 可实现环 形线锯丝单方向连续运动 线锯丝走丝变速范围是4 5 2 8 m s 满足切割不同材料 的要求 根据锯切实验要求 可实现无级调速的伺服电机驱动和是恒进给力驱动 的两种进给方式 利用外加力矩张紧线锯丝 张紧力可以定量调节 张紧力范围 1 4 6 2 5 2 n 通过装配时精密研磨轴承安装孑l 配装调节轴承间隙等关键工艺 提高了锯床精度和刚度 大大降低了线锯丝振动振幅 提高了锯切表面面形精度 分析研究了3 0 4 不锈钢丝 直径0 4 m m 3 0 4 l 不锈钢丝 直径0 3 r a m 6 5 m n 弹簧钢丝 直径0 3 r a m 以及s w p b 钢琴丝 壹径0 3 m m 的力学性能 3 0 4 不 锈钢丝屈服拉力为1 4 0 n 3 0 4 l 不锈钢丝的屈服拉力为4 5 n 6 5 m n 弹簧钢丝断裂 拉力为1 3 1 n s w p b 钢琴丝断裂拉力为1 0 4 n 3 0 4 l 不锈钢丝的弹性变形较小 而s w p b 钢琴丝含碳量高 焊接性能差 故选3 0 4 不锈钢丝和6 5 m n 弹簧钢丝作 为环形线锯丝的基体材料 两种材料的弯曲疲劳寿命均达到l 1 0 6 次以上 采用电阻对焊工艺 分别将3 0 4 不锈钢丝和6 5 m n 弹簧钢丝焊接成环状 3 0 4 不锈钢丝焊接接头断裂拉力为1 1 0 n 6 5 m n 弹簧钢丝焊接接头的断裂拉力9 0 n 3 0 4 不锈钢焊缝区壶细小酶奥氏体秘铁素体组成 具有较大豹强度和韧性 因此 3 0 4 不锈钢丝更适合作为环形线锯丝的基体材料 实验研究表明 3 0 4 不锈钢丝和 6 5 m n 弹簧钢丝焊接接头的疲劳寿命均达到l x1 0 5 次以上 在本文实验条件下 3 0 4 不锈钢丝焊接接头的平均疲劳寿命约1 0 0 分钟 6 5 m n 弹簧钢丝平均疲劳寿命约 5 0 分钟 对树脂结合粼金刚石线锯丝制造工艺进行研究和优化 树脂结合荆金刚石线 锯丝制造成分包括树脂 金刚石磨粒和粉粒添加剂等 树脂主要起粘接作用 将 金嚣l 石蘑粒和线锯丝基体牢固缝黏接在一起 金两l 石蘑耩是切割工件的主体材料 分别选用了超细铜 c u 粉 纳米氧化铝 a 1 2 0 3 粉 纳米二氧化锆 z r 0 2 粉 纳米 v 山东人号 博十 论文 黧i 一 i i i i i ii i ii i i i i i i 篁 皇詈 詈皇寡鼍慧 氮化钛 骶 c n 粉作为树脂添加剂 研究了不同添加剂对结合剂耐磨性的影响规 律 实验涯明纳米二氧化锩 z r 0 9 粉作为添加荆效果最好 实验磅究了圆纯温度 固化时闻对树腊结合裁强度的影响规律 随圈化温度增高 谦温时间延长 结合 剂强度增大 根据锯切实验结果 用正交试验法对线锯丝制造成分的含量进行了 优纯 树膳结合剂中嚣氧树秀誓含量对结合剂静耐瘩搀影璃最大 研究了锯切参数对锯切表面粗糙度的影响规律 线锯丝速度分别为4 5 m s 7 7 m s 和i i 8 m s 工 睾进绘速度分别为0 0 3 3m m s 0 0 8 3m m s 和0 1 4 0l l l m 三种 也采用了恒进给力驱动方式 线锯丝的张紧力分别为1 4 6 n 1 9 9 n 和2 5 3 n 实验揭示了线锯丝速度 进给速度 线锯丝与工件接触长度 线锯丝张紧力以及 恒迸给力驱动进给方式对锯切表面粗糙度的影响规律 并对实验结果进行分析 进行了不同线锯丝运动方式和不同结合剂锯丝的锯切比对实验 与往复运动锯切 表瑟相比 环形线锯丝锯切表面切割纹理没有臻曼的方态性 与金属缭合裁金刚 石线锯锯切表面相比 树脂结合剂线锯丝锯切表面平整 无崩碎现象 并且凹坑 及凸超处棱煮圆滑 哥羹环形搪脂结合荆线镊丝畿获褥质量更好薛切片表面 树 脂结合剂磨损和脱落是树脂结合剂线锯丝的微观失效原因 优化各种材料的含量 改善结合裁的固化工艺是提高树脂结合剂的强度豁有效措施 分析了环形线锯丝的工作状况 建立了环形线锯丝最小预紧力数学模型 线 锯丝最小预紧力与从动轮的摩擦力矩 导轮蠢径 线锯丝与导轮之间的摩擦系数 线锯丝怠燕以及线锯丝速度都有关系 导轮瘁擦阻力越大 导轮直径越夺 掰需 的预紧力就越大 线锯丝包角越小 所需的预紧力也越大 反之 所需预紧力减 小 蔫实验方法测量实验设备辘承麴摩擦力矩 摄此计算窭使用本线锯床时 线 锯丝的最小张紧力为7 8 n 建立了线锯丝上单个翡粒受力模型 在不考虑线锯丝弯鲢变形戆情况下推导 出锯切力公式 锯切力与多种因素有关 本文应用实际测量的方法确定锯切力随 线锯丝速度以及工件进给速度的变化规律 分析了线锯丝弯越变形 线锯丝变形 位移豉及锯切力大小对线锯丝拉力增量的影响规律 拉力增量与切韵送线锯丝弯 曲曲率半径及线锯丝单位长度上法向力成正比 锯切力引起的增量还与线锯丝受 力后相对原始位置的擅移有关 佼移增大 线锯丝拉力增量减小 虽然锯甥力很 小 但使线锯丝产生的拉力增量不可忽略 本谍题由国家自然科学基金资勘 n o 5 0 4 7 5 1 3 2 美链词 线锯霖 祷脂结合翔线锯丝 切割 单晶毽 表面糨糙度 v i a b s t r a c t 暑燃兰詈詈 竺燃懋皇詈暑阜黑懋竺 詈鼍燃兰詈詈i 一 一 i i i i i 曼i 燃拦苎苎兰 墨燃詈 皇鼍 a b s t r a c t m o s ti n t e g r a t e dc i r c u i to c b a s ea r eb u i l to ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nw a f e r s f o rt h e d e c r e a s i n go fm a c h i n i n gc o s t t h ed i m e n s i o no fw a f e ri n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y s l i c i n g i st h ek e yp r o c e s si nt h em a n u f a c t u r eo fs i l i c o nw a f e r s n o wt h eo s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ea r eu s e dw i d e l yf o rt h es l i c i n gw a f e rt h a td i a m e t e ri s l a r g e rt h a n3 0 0 r a m o s c i l l a t o r yf r e e a b r a s i v em a c h i n i n gt e c h n i q u ei sl o wa t p r o d u c t i v i t y 妇也er e a s o nt h a tm a t e r i a li sr e m o v e db yl a p p i n ga n di t i si m p o s s i b l et o c u tm o r eh a r d e rm a t e r i a l s u c ha ss i cc r y s t a lo rc e r a m i c se l a l u s i n gf r e ea b r a s i v e m a c h i n i n gt e c h n i q u e an e wt e c h n i q u et oc u ts i l i c o na n do t h e rh a r d e rm a t e r i a lw i t h l o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nw h i c ht h eg r i t sf i x e di n w i r e 鲥n dm a t e r i a ld i r e c t l ya n db e n e f i tt or e d u c es u r f a c ed a m a g el a y e r 耽el o o p e d w i r ec a nm o v ea th i g hs p e e di no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l y s ot h ep r o d u c t i v i t yi s h i g h e r t h i sm e t h o dc a l lb eu s e di nt h es l i c i n gw a f e ro f s i l i c o na n dt h ec u t t i n go fo t h e r h a r d e rm a t e r i a l s 弧et e c h n o l o g yi sh i 曲a tc u t t i n ga c c u r a c y l o wi nc o s ta n dn o p o l l u t i o n aw i r es a wt ou s el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r ei sd e s i g n e da n dm a d e t h e l o o p e dw i r em o v e si no n ed i r e c t i o nc o n t i n u o u s l yt h ew i r ev e l o c i t yr a n g e sf r o m 4 5 m st o2 8 m s w h i c hm e e tt oc u td i f f e r e n tm a t e r i a l s f e e d i n gm o v e m e n t si n c l u d e s s e r v o m o t o rd r i v i n ga n dc o n s t a n tf o r c ed r i v i n gt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs a w i n g e x p e r i m e n t t h ew i r et e n s i o nt h a ts p a nf r o m1 4 6 nt o2 5 2 nc a nb ea d j u s t e dq u a n t i t y b ya d d i n gat o r q u e s o m ek e yt e c h n o l o g i e s s u c ha s l a p p i n gb e a r i n gh o l e sa n d r e g u l a t i n gb e a r i n gc l e a r a n c eh a v i n gb e e na d o p t e d t h es a wi sh i g h a ta c c u r a c ya n d g o o da tr i g i d i t y s ot h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo f t h el o o p e df i x e dd i a m o n da b r a s i v ew i r e i sr e d u c e dg r e a t l ya n dc u t t i n ga c c u r a c yi sh i g h e r t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e so f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 4 m m 3 0 4 l s t a i n l e s ss t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m 6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e d i a m e t e r0 3 m m a n d s w p bp i a n ow i r e d i a m e t e r0 3 m m a r er e s e a r c h e d t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s14 0 n t h ey i e l d i n gt e n s i o no ft h e3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei s4 5 n t h eb r o k e nt e n s i o no f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei s131na n dt h eb r o k e nt e n s i o no fs w p b p i a n ow i r ei s10 4 n 3 0 4 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei sw e a k e ri np l a s t i ca n dt h es w p bp i a n o w i r ei sw e a k e ri nw e l d i n gp r o p e r t i e sf o ri t sh i g h e rc a r b o n s o3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r e a n d6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ea r ec h o s e na sb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e b e n df a t i g u e v i i 山东大学博十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 懋 詈皇詈鼍l 嚣詈 t i m e so f b o t hm a t e r i a l se x c e e d slxl0 6t i m e s b e e nw e l d e di n t ol o o p e ds h a p er e s p e c t i v e l y t h ew e l d i n gj o i n tb r o k e nt e n s i o no f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r eg e t slio na n dt h eb r o k e nt e n s i o ni s9 0 nf o r6 5 m ns p r i n g s t e e lw i r e 1 1 1 ew e l d i n gj o i n to ft h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ec o n s i s t so ff i n ea u s t e n i t e a n df e r r i t et h a ta r eh i g h e r 鑫圭s t r e n g t ha n d t e n a c i t y t h e r e f o r e 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s m o r es u i t a b l et ob et h eb a s em a t e r i a lo fl o o p e dw i r e t h ew e l d i n gp o i n tf a t i g u el i f eo f t h e3 0 4s t a i n l e s ss t e e la n dt h e6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r e sa r ei n v e s t i g a t e da n db o t h f a t i g u el i f ee x c e e d s1 l0 st i m e s 1 1 l ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw i r ei s a b o u t10 0m i n u e t sa n dt h ea v e r a g ef a t i g u el i f eo f6 5 m ns p r i n gs t e e lw i r ei sa b o u t5 0 m i n u e t su n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o ni nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yt om a k er e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei ss t u d i e da n do p t i m i z e d e c o m p o s i t i o ni n c l u d e sr e s i n s d i a m o n da n ds o m ea d d i t i v e s i nw h i c hw i r ei sc o n n e c t e d w i t hd i a m o n db yr e s i nb o n da n dd i a m o n di sm a i nm a t e r i a lt or c i n o v em a t e r i a l f i n ec u n a n o m e t e ra 1 2 c 3 n a n o m e t e r2 翻陵a n dn a n o m c t e rt i c n p o w d e ra r ec h o s e n r e s p e c t i v e l ya sa l la d d i t i v ei no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fa d d i t i v e so nt h es t r e n g t h a n dr e s i s t a n c eo fw e a l i ti st h em o s te f f e c t i v ef o rn a n o m e t e rz r 0 2p o w d e rt ob e a d d i t i v e 1 1 1 er u l et h a th e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ei n f l u e n c eo nr e s i nb o n ds t r e n g t hi s s t u d i e da l s o w i mt h ei n c r e a s i n go f h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e t h es t r e n g t ho fr e s i n b o n di n c r e a s e s 翻托q u a n t i t yc o n t a i n e di so p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t sa c c o r d i n gt o c u r i n ge x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h eq u a n t i t yo fe p o x yr e s i nh a sk e yi n f l u e n c eo nt h ew e a r r e s i s t a n c eo f r e s i nb o n d 1 h es t u d yo ns i n g l ec r y s t a ls i l i c o nc u r i n gr o u g h n e s sa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r e c a r r i e do u t i nw h i c ht h ew i r es p e e d sa l e4 5 m s 7 7 m s 11 8 m sa n dt h ef e e d i n g s p e e d sa l e0 0 3 3 m m s 0 0 8 3m i l l s 0 1 4 0m m sr e s p e c t i v e l y c o n s t a n tf o r c ed r i v i n g m o d e li sp u tt ob s ea l s o t h ew i r et e n s i o na l e14 6 n 19 9 na n d2 5 3 n t h ei n f l u e n c e r u l e so fw i r es p e e d s f e e d i n gs p e e d s t h ec o n t a c tl e n g t hb e t w e e nw i r ea n dw o r k p i e c e t h ew i r et e n s i o na n dc o n s t a n td r i v i n gm o d e lo nc u r i n gr o u g h n e s sa r ei n d i c a t e da n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t si nw h i c hw i r em o v e so s c i l l a t o r ya n d t h a te l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw i r ei su s e da r ec a r r i e do u t t h e r ei sn oo b v i o u sr i p p l ei n t h es u r f a c e so b t a i n e du s i n gl o o p e dd i a m o n dw i r e sc o m p a r e dw i t ho n eg o tf r o mt h e o s c i l l a t o r yw i r es a w t h ec u t t i n gs u r f a c e so b t a i n e du s i n gr e s i nb o n dd i a m o n dw i r ei s s m o o t h e rw i t h o u tf r a g m e n tc o m p a r e dw i t ho n eo b t a i n e df r o mt h ee l e c t r o p l a t e d d i a m o n dw i r e s oi tc a ng e tb e t t e rs u r f a c ea tq u a l i t yf o rl o o p e dr e s i nb o n dd i a m o n d w i r et oc u t t h er e s i nb o n dw e a ra n dt of a l lo f fi st h em a i nr e a s o no fm i c r o c o s m i c v i i i f a i l u r e t h e s ea r ee f f e c t i v em e a s u r e st oo p t i m u mt h eq u a n t i t yc o n t a i n e do fe a c h c o m p o n e n ta n d t oi m p r o v et h es o l i d i f yt e c h n o l o g yo fr e s i nb o n d t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h el o o p e dw i r ei sa n a l y z e da n dam a t h e m a t i c sm o d e l o nm i n i m u mt e n s i o no fw i r ei sb u i l tu p n em i n i m u mt e n s i o no fw i r eh a sr e l a t i o n st o t h eg u i d ew h e e lf r i c t i o nt o r q u e d i a m e t e r a n df r i c t i o nc o e 伍c i e n tb e t w e e nw i r ea n d g u i d ew h e e l w i r ew r a pa n g l ea n dw i r ev e l o c i t y t h eb i g g e rt h ef r i c t i o ni s t h el i t t l e g u i d ew h e e ld i a m e t e ri s t h eb i g g e rt e n s i o no f w i r en e e d e di s i nc o n t r a r y t h et e n s i o n o fw i r eg e t sl e s s t h em i n i m u mt e n s i o no f w i r ei s7 8 nf r o mt h ec a l c u l a t i o nb a s e do n t h ef r i c t i o nt o r q u eg e t t i n gi nm e a s u r i n ge x p e r i m e n t w h e nt h i sw i r es a w i su s e d am o d e lt h es i n g l eg r i ts u b j e c t e dt of o r c ei si n t r o d u c e da n dt h ec u t t i n gf o r c e f o r m u l ai sg o tt oo m i tt h ei n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m t h ec u r i n gf o r c er e l a t e st o m a n yf a c t o r s t h ec h a n g er u l eb e t w e e nc u t t i n gf o r c ea n dv e l o c i t y f e e d i n gv e l o c i t y i s d e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t t h ci n f l u e n c eo fw i r ec u r v e dd e f o r m s d i s p l a c e m e n ta n d c u t t i n gf o r c eo nt h ea d d i n gp u l l i n go fw i r e i sa n a l y z e d 砀ew i r ea d d i n ga m o u n t p u l l i n gs u b j e c t e dt oi sp r o p o r t i o n e dt ot h ec u r v e dr a d i u si nc u t t i n g a r e aa n dt h en o r m a l u n i tf o r c e t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r er e l a t et ot h ed i s p l a c e m e n tw i t ho r i g i n a ll o c a t i o n o fw i r ea l s o w i t ht h ei n c r e a s i n go fw i r ed i s p l a c e m e n t t h ea d d i n gp u l l i n go fw i r eg e t s l e s s a l t h o u g ht h ec u t t i n gf o r c ei sl e s s t h ea d d i n ga m o u n tc a n n o tb en e g l e c t e d t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a n o 5 0 4 7 51 3 2 k e y w o r d s w i r es a w r e s i nb o n dd i a m o n dw i r e c u t s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n r o u g h n e s s i x 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本 声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 生耋型坚 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅 和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 撇 咝新签名赫日期 趔嘲 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的謦的与意义 集成电路 i c 是现代信息产业和信息社会的基础 i c 技术是推动国民经济和 社会信息纯发展最主要的商新技术 也是改造和提升传统产韭的核心技术 l c 多 以单晶硅片为衬底材料 1 2 1 制造i c 的硅片 要求具有优良的压电 光电和热电 性能 其表蠢存在饪何微小缺陷都会破坏晶体材料表面性能 甚至导致结晶构造 的变化 影响元件的工作精度和可靠性 因此要求制造i c 的硅片晶格是具有无畸 变的超光滑无损伤袭瑟 其加工精度的要求甚至达到纳米级 几十年来 芯片加 工尽管在加工技术 加工设备方面都有了相当大的进步 但加工原理无重大突破 其典型的制造工艺流程 3 6 1 如图1 1 图l 1i c 芯片制造工艺流程 首先切片工序将单晶硅晶体切成盘形薄晶片 然后再利用研磨或磨削方法磨 平晶体表霹达到技术要求 硅材料具有低塑性 高硬度 易脆性破坏等特点 其 材料的去除是通过裂纹的传播和交叉完成的 加工方法不当会引起加工表面层组 织的破坏 直接影响产品的成品率 切片是硅片机械加工的第一道工序 切片质 量直接影响着芯片质量及成晶率 表面粗糙度过大 面型精度过低 后续工序无 法消除遗罄误差 表面损伤层太深会造成后续工序中碎片 产生废品 因此切片 费用在整个加工成本中占有很大比例 7 8 1 过去对 2 0 0 m m 以下较小直径硅晶体切片以及硬质合金等高硬度材料的切 割 可采溺金刚石内圆切片机叫l 加工 该方法工艺成熟 刀片运动平稳 加工 表面平整 切片厚度可以小于1 m m 盼l4 1 但是该工艺不能适应更大直径硅片切片 因为刀具与工件之间为刚性接触 更大直径的刀片会使硅晶体因表面损伤层加深 蔗发生碎片现象 直径越大的硅晶片 所能刻制的集成电路越多 芯片的成本也就越低 资料 介绍 1 5 m 3 0 0 m m 硅片制造划块数是国2 0 0 m m 硅片的2 5 倍 成本节约3 0 对 于矗径大手 i 3 0 0 m m 的硅晶体切片 通常采用的是往复式自由磨料线锯切片工 艺 与内圆切片机切片工艺相比 自豳磨料线锯切片具有能切割大直径晶体 锯 霜损失小 禳少产生演边现象帮表面损伤层浅等优点f 1 6 灞 毽是鑫壶瘗料线锯切 片效率较低 很难切割硬度更高的碳化硅单晶 陶瓷等材料 研磨液的流体动压 效应对掬王矮量影响摄大 研磨液需蓐续处理 回收利髑困难 易造成环境污染 从材料去除机理上讲 自由磨料线锯切片相当于研磨加工 磨料垂直作用于加工 表蕊 在切割亟上产生较深的表面裂纹 表层质量及损伤屡不易控制 导致硅片 强度降低 固结磨料线锯切片技术是使用匿结瘗料金刚石线锯丝切割磺脆材料 与自蠢 蘑料线锯切割相比 其材料去除机理是不同的 加工过程中线锯丝上的金刚石磨 粒蛊接获得运动速度襁一定的压力对材辩进行壤削加互 金刚石磨粒对脆性材料 耕犁 相当予尖锐题头在脆性材料表蔼上刻划 董串 穗圾其课题组研究证明 刻 划比压痕的表面裂纹浅 因此固结磨料线锯切片比自由磨料线锯切片更能获得高 震量的表谣 与鑫由磨料线镊翡 三体薅料瘗损加工 楣泷 它属予 二体磨料磨损 加工 其加工效率是自由磨料线锯的数倍以上 目前固结磨料线锯切片工艺已少 量废用于生产实际 如 切割裁造太辩戆电池多磊硅等 露结磨料线锯切片一般 配备与往复式自由磨料线锯切片类似的机床 受机床结构及惯性力的限制 线锯 丝运动速度较低 仅淹重 3 米 秒 船工效率低 不麓充分利用金刚石工其的傀点 与往复式自由磨料线锯切片相似 1 9 线锯丝的往返变换速度也会在切割袭面上产 生波纹 降低甥妻g 表露的西形精度 综上所述 内圆切片工艺与往复式自由磨料线锯切片工艺有其固有的缺点 隧结磨料线锯切割具有表面损伤层浅 加工效率高的优点 但醋前受线镊丝运动 方式的限制 切割精度低 受制造工艺的限制 如电镀金刚石线锯丝常0 造成本较 高 受磨料在基体上圃着方法的限制 金刚石磨料与线锯丝基体结合强度不高 线锯丝懿寿命也受到限制 嚣就研究新型前磨料露着方法 使爝更细 强度更高 的线锯丝基体材料 改变线锯丝运动方式 对于提高切割表面质量 提高材料利 用率其畜重要意义 针对太壹径硅晶体对切片技术掰带来的撬战以及切割其它离 硬度材料的需求 本课题提出一种锯切硅晶体及其它高硬度材料的新工芑 即使 第1 苹绪论 用环形固结磨料线锯丝切割 线锯丝单方向连续运动 减小或消除线锯丝运动速 度变化对面形精度的影响 切削速度大 效率高 本课题拟研究基于固结磨料金 刚石线锯丝的制作工艺 研制锯切实验设备 并进行锯切硅晶体等实验 研究加 工工艺参数与实验设备等对锯切表面的影响规律 验证固结磨料金刚石线锯丝的 锯切性能 对于发展硬脆材料精密加工理论和提高金刚石磨料线锯丝的制造水平 具有重要理论意义和应用价值 1 2 硅晶体切片典型工艺 1 2 1 内圆切片机切片工艺 图1 2 为内圆切片机主轴及张刀系统结构副2 0 1 圆锯片基体材料为不锈钢 形状为圆环形 在内孔边缘上电镀金刚石磨料作为切削刃 刀片3 固定在上刀环 1 与下刀环5 之间 下刀环5 与连接盘7 固定在切片机主轴1 0 上 切割加工时 主轴带动刀片高速旋转 同时相对工件径向进给 主轴支承多采用精密角接触球 轴承 精度稳定 调节方便 采用润滑脂润滑 也可采用空气静压轴承或液体静 压轴承 采用空气静压轴承 对气源要求较高 气体压力变化 会改变主轴刚度 及回转精度 回转精度低于滚珠球轴承 需要有供油系统 且存在泄露污染问题 工件与刀盘之间的相对运动有两种方式 采用液体静压轴承 承载能力较大 但 国内 外内圆切片机较少采用此种结构 即工件直线运动和刀盘转动 第一种进 给方式 导轨形状精度及磨损影响切片精度 对于大直径硅片切割影响更大 第 二种进给方式 刀盘在自转的同时又绕支承中心摆动 刀片相对工件运动 在摆 动的过程中切下工件 摆动机构精度及刚度容易保证 对于大直径或较厚硅片切 割多采用此种结构 切片厚度送进机构一般由步进电机驱动滚珠丝杠机构控制 刀片安装是内圆切片机的关键技术 液压张刀法 另一种是机械张刀法 2 1 盈 目前刀片安装方法主要有两种 一种是 液压张刀法是向上刀环槽内与压力环上 面形成的腔体内注入黄油 使其产生足够的压强而加夹紧刀片 这种方法的优点 是刀片张力均匀 缺点是压强不足够大 且液压油长时间使用后会有泄漏 会使 刀片上产生的张力和刚性有所减小 目前该方法较少采用 机械张刀法是用螺栓 将刀片固定在刀盘上并与机床主轴连接 图1 2 调节压力环中的压力螺钉夹紧 刀片 这种方法优点是夹紧力大 能够修正刀片的椭圆变形 提高了刀片的刚度 和切割性能 因而被广泛使用 山东大学博十学位论文 i 上了丁环2 连接螺栓3 刀片4 晶棒5 下刀环 6 篷紧螺钉7 连接盘8 辘承9 辘套l o 主鞋 图1 2 内圆切片机盎轴及张刀系统 2 0 1 随着内圆切片刀尺寸增大 夹紧刀片所需张力增大 刀片轴向变形也相应增 大 刃髅墨波浪形 这种变形不仅使切口宽度变宽 商速旋转时还产生附热轴向 振动 降低表面面形精度f 2 3 有些内圆切片机对切片工艺进行了改进f 2 4 1 如 锯 切前增加磨平工序 用已磨平表面作失切割时辅助基露 与普通走匿切片相比 平面度误差减小了2 5 1 2 5 1 t o 锶s h o f f h k 公司研制了一种新型的硅片内圆切割 机 2 6 1 该切割机可同时进行锯切和磨削工序 大幅度提高切片精度 虽然内菡切片翔工表面粗糙度德较小 平面度较好 毽磨粒对切割材料表面 的冲击力较大 随着硅片真径的增大 内径切片机刀片直径更大 刀具变形及加 工孛振摆舾囊 造残船王西翘曲变形增大 表露损伤层加深 主辘回转精度较低 时 上述现象更为严重 2 7 2 s 这种损伤带到下步工序中 在研磨过程中很难消除 对于直径大于3 0 0 r a m 的毽侍甥片 不得不寻求薪的途径 1 2 2 往复式自由磨料线锯切片工艺 到目前为止 用于硅 石英晶体等脆性材料切片的主要是自由磨料多线锯切 片工艺 锯丝运动方式为往复式直线运动 圈1 3 为豳本平外出公司m w m 4 4 型 往复式运动自由磨料线锯切割示意豳 2 9 1 一根细长的金属丝缠绕在一组线轮上 金属丝两头分别出放线机构与收线机构拉紧 张紧机构将金属丝张紧 线轮高速 正反囱有节奏建旋转 实现金属丝徒复运动 在金属丝与工件之间喷入游离磨料 浆液 运动的金属丝将磨料带入切割区 通过磨料与工件材料之间的相互作用 实现材料去除 切割进给枫构均匀运动 推动晶体硅棒寓高速往复运动的金属丝 移动 片料切断后落入收片盒中 实现一次多片切割加工 这是一种理想的晶体 第1 章绪论 切片工艺 3 0 3 1 1 能满足大直径硅片切割并提高生产效率 d i a m o n d m r et e c h n o l o g y 公司的金刚石线锯最大切割崖径达4 5 0 m m t 3 盈 m e y e rb u r g e r 公司 3 3 的线锯 床一次可切出4 4 0 0 片 研 被 主 主 图1 3 往复式移动线锯床原理图嘲 自由磨料线锯切割与研磨加工相似 与内圆锯片工艺相比 在材料去除机理 切割表面特征 生产率等方面均有不同 3 4 k a o 等人 3 5 认为自由磨料线锯切割的 材料去除机理是通过裂纹的传播和交叉完成的 圈l o 为材料去除枫理模型 该 模型近似认为锥形磨粒钎入弹性工件 磨粒在金属丝与晶体之间滚动 在接触区 蘑料钎入硅鑫体 形成凹坑载裂纹 蠢于金属丝的运动 导致晶体以切瘸形式被 切除 s i c 锥顶 多 变形蘸弋 茜 图1 4 游离磨线镶切割誊孝料去除模型滔 山东大学博十学能论文 b h a g a v a t 等人f 3 6 则在这个模型中考虑了磨浆的作用 并认为在锯丝带动游离 壤料切割硅锭的小区域内 锯丝与磨浆的运动构成了 个弹性流体动力润滑环境 用有限元方法分析锯丝与硅锭问的群浆弹性流体动力润滑现象 得出结论 磨浆 簿膜厚度大于乎均磨粒尺寸 是磨粒的流动产生了切蹲 因此锯口尺寸大于线径 与二倍蘑粒尺寸之和 t a k a y aw a t a n a b e 3 弼实验研究了自由磨多线锯切割石英晶 体 分析影响切片精度的主要因素 根据实验结果提如了切片最佳条件模型 磨 粒诱裁时呈 三棱溺 状分东 萁突出尖角部分切割王箨 锯熊与工件切割面之阕 间隙大于磨粒平均直径 文献 3 8 3 9 也支持此种推理模型 l i 4 0 1 等人提出锯丝施加 在密粒上鳇力豢动磨粒沿切削表面滚动 同时匿挤磨粒嵌入切削表面 从两形戒 剥落片屑和表面裂缝 形成宏观的切割作用 往复式童由磨糕线锯结构复杂 维修困难 燕王时的研蘑浆滚会污染硅棒耱 加工区 使用后的研磨浆液必须后续处理 由于运动部件惯性的限制 走丝速度 低 4 h 熨 限制了切割速度 皇由磨料线锯切割是剩期浆料中的磨料运动对硅材料 进行研磨型加工 磨料与硅材料的实际接触面积较小 因此材料的去除率较低 也造成加工效率较低 如果要加工硬度更高憋s i c 单晶体 陶瓷等材糕 这神融 翻磨料线锯就很难胜任了 固结蘑料金刚石线锯切割 可以在很大程度上克服上 述问题 1 3 固结磨料线锯切割技术研究 霾结磨料线锯切割大多使霜金刚石线器丝切割 关于誊结磨料线锯酶研究圭 受集中在锯切工艺以及固结磨料线锯丝的制造方法等方面 固结磨料线锯切割技 术最初起源于本材切裁嘲 2 0