金刚石线切割的原理、特点及其在精密超精密加工领域的应用

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1、1金刚石线切割20世纪90年代，国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成片。早期的线锯加工技术是采用裸露的金属线和游离的磨料，在加工过程中，将磨料以第三者加入到金属线和加工件之间产生切削作用[1]。这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。为了进一步缩短加工时间，以及对其它坚硬物质和难以加工的陶瓷进行加工，人们将金刚石磨料以一定的方式固定到金属线上，从而产生了固定金刚石线锯。3.1金刚石线切割的原理图3.1金刚石线切割原理图如图3.1高速往复运动的切割线带动砂浆到切割区，使砂浆中的研磨颗粒(SiC颗粒)与硅棒表面高速磨削

2、，由于研磨颗粒有非常锐利的棱角，并且硬度远大于硅棒的硬度，所以硅棒与线锯接触的区域逐渐被砂浆磨削掉，进而达到切割的效果，同时砂浆也可以带走磨削中产生的大量热[2]。在对金刚石线锯切割机理的认识过程中，许多研究者认为，金刚石磨粒的微观切削运动是一个滚动、嵌入过程，提出了“滚动-嵌入”模型。Li等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用，发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，据此对磨料的选择进行优化。Kao等人指

3、出在“滚动-嵌入”模型中，磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagavat等人则在这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境，用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数，还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削[3]。3.2金刚石线切割的导线轮根据切割材料直径不同和设备制造厂家的技术考虑导线轮有2轮、3轮、4轮不等，安装方法有2轮平行、等边三角形

4、或梯形，如图3.2所示。图3.2导线轮安装形式导线轮是控制片厚的关键部件，导线轮是用高分子材料制作的精密滚轮，在其表而刻有等同于线宽、深的螺旋槽，切割时将线绕在导线轮上。要求其材料耐磨性要好、刚度要高，在切割张紧时不能变形：片厚的控制取决于槽间宽度，槽间宽度误差应小于5um，所以对材质要求和加工精度都非常高[4]。3.3金刚石线切割的特点[5]a)可加工非导电材料而传统的放电加工则不能b)可进行多线切割c)刀缝损失小这对加工成本高的半导体和贵重材料非常重要。用直径350m的金刚石线切SiC单晶时刀缝才为0.3048mmd)可自由改变切割位向3.

5、4金刚石线切割的应用20世纪90年代，国际上为了解决大尺寸硅片的加工问题，采用了线锯加工技术将硅棒切割成片，这种技术被成功地用于对硅和碳化硅的加工。目前，采用金刚石工具切割花岗石是石材加工常用的方法之一目前在光电子工业中使用最为广泛的是往复式多线锯金刚石线切割被广泛的用在大尺寸半导体和光电池薄片切割参考文献[1]ItoS，MurataRStudyonmachiningcharacteristicsofdia—mondabrasivewireEJ]．JMechanicalEngineeringLab，1987，41(5)：236[2]冯涛，李保军

6、，马玉通.锗单晶切割工艺研究[J].电子工业专用设备,2009,175.[3]周锐，李剑峰等.金刚石线锯的研究现状与进展[J].现代制造工程，2004，（6）：112-115.[4]杨树人，王宗昌.半导体材料[M].北京：科学出版社，2003,56-59.