电镀金刚石线锯制造及切割技术研究

ＴｅＣｈｎ０ｌ０ｇｙ　ａｎｄ　工艺与检测　

电镀金刚石线锯制造及切割技术研究　高玉飞　葛培琪　侯志坚　李绍杰　（山东大学机械学院，山东济南２５００６１）　摘　要：介绍了几种电镀金刚石线锯的制造方法，并介绍了往复式和环形两种金刚石线锯切片方法的原理。　对锯切硅片时各工艺参数对切片表面质量的影响规律进行了理论研究。适当提高锯丝的张紧力，在　一定的变化范围内，采用高的锯丝速度和低的进给速度，可以获得好的切片表面质量。　关键词：金刚石线锯单晶硅表面质量切割　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｗｉｒｅ　Ｓａｗ　ａｎｄ　Ｓｌｉｃｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＧＡＯ　Ｙｕｆｅｉ，ＧＥ　Ｐｅｉｑｉ，ＨＯＵ　Ｚｈｉｊｉａｎ，ＬＩ　Ｓｈａ￣ｉｅ　（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ　ｈａｎ　２５００６　１，ＣＨＮ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｓａｗ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｒｅ—　ｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｏｏｐｅｄ　ｗｉｒｅ—ｓａｗ　ｓｌｉｃｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐａｒａｍ—　ｅｔｅｒｓ　ｏｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗａｆｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｗｈｅｎ　ｓｌｉｃｉｎｇ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ，ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｗｉｒｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｌｏｗｅｒ　ｉｎｆｅｅｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ａ　ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｗａｆｅｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｗｉｒｅ　Ｓａｗ；Ｍｏｎｏ—ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｉｌｉｃｏｎ；Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｑｕａｌｉｔｙ；Ｓｌｉｃｉｎｇ　目前，在单晶硅材料切割中主要采用游离磨料线　锯切割技术，即边切割边向琴钢丝供应带有磨料的浆　液的游离磨料切割方式。但是：该工艺存在的主要问　题是锯口损耗大，易造成硅片表层较深的损伤层，且表　面粗糙度和面形精度难以控制；磨浆消耗大，作业环境　恶劣；因使用游离磨粒钢丝移动速度难于提高，切割效　率的改善受到限制。　为了解决上述问题，电镀金刚石线锯切割技术正　逐渐发展起来。将高硬度、高耐磨性的金刚石微粉用　复合电镀的方法固结在钢丝基体上而制成的电镀金刚　石线锯，具有耐热性和耐磨性高，切缝窄，切割面形精　度好等优点。电镀金刚石线锯切割技术应用于工业上　硅片切割具有良好的发展前景，也适用于切割宝石、玛　瑙、陶瓷、水晶等贵重硬脆材料。　本文介绍了几种电镀金刚石线锯的制造方法，介　绍了往复式和环形两种线锯切割技术的原理。不考虑　锯丝的横向振动，把磨粒看成圆锥体，建立锯切几何模　型，从理论上分析了线锯表面不同角度处金刚石磨粒　的平均切削深度，为获得高质量的切片提供了理论依　据。　１　电镀金刚石线锯制造　基于复合电镀法制造的固结磨料金刚石线锯要求　镀层与基体的结合强度要高，线锯表面磨粒分布均匀　并且把持强度要高，而且在满足切割要求的前提下尽　可能提高线锯生产效率。　为解决电沉积速率低导致线锯生产效率低这个缺　点，可采用毡刷辅助电镀的超高速电镀工艺制造电镀　金刚石线锯…。这种工艺采用氨基磺酸镍镀液，把金　刚石微粉投入镀液中，镀液在磁力搅拌器的不停搅拌　下成为含有一定浓度磨粒的悬浊液，同时在镀槽中安　装旋转毡刷，夹包住表面已镀铜的琴钢丝并在其上摩　擦以便施镀。这种方法生产线锯速度比常规生产法快　３０倍，且耐磨性也很好。　电镀金刚石绞合线锯可进一步提高其切割效率并　延长线锯的使用寿命　ｊ。基体采用线径０．１　ｍｍ钢琴　线绞合后，再采用氨基磺酸镍镀液电镀平均磨粒直径　为３０—４０　Ｉｘｍ金刚石微粉，做成金刚石线锯，如图１所　示。这种线锯由于存在容屑槽，促进了切削液的流入，　改善了排屑性能，抑制磨削热的产生，切削效率提高，　

国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５０４７５１３２），山东省自然科学基金资助项目（（Ｎｏ．Ｙ２００６Ｆ１６）　・　８９　－

　维普资讯 http://www.cqvip.com 工艺与检潮Ｔｅｃｈ咖ａｎｄ　线锯磨损减轻；试验验证切割硅片表面粗糙度及切削　崩边情况与单股线锯切割相似。　

琴钢丝　

图１电镀绞合金刚石线锯示意图‘。Ｉ　泪滴状线锯可用来减小锯口损失　。如图２所　示，该泪滴状的线锯具有两　个较大的侧面。该线锯的制　造工艺为：侧面压平一拉拔　成型一电镀金刚石。与该线　锯相配合的导轮轴向截面中　心角为９。左右，可使得该线　锯具有高的稳定性。一般来　说，直径为２００　ｍ的线锯锯　切片过程中的锯口损失可达　３００　ｍ。实验表明该线锯锯　图２泪滴状锯丝截面　

口宽仅为２３８　Ｉｘｍ，提高了材料的利用率。　２　线锯切割方法　电镀金刚石线锯用于硅片切割可分为往复式锯切　和环形锯切两种方法。　往复式切片技术基本原理如图３所示。将锯丝缠　绕在两个线轮轴上，锯切过程中两个线轴分别完成放　线和收线的任务。当锯丝向某方向走丝结束后，在控　制系统的作用下可实现逆向走丝，同时两线轴角色转　换。锯丝通过一定的缠绕方式形成相互平行的网状加　工部分，配以张紧轮使锯丝张紧。锯切过程中，锯丝往　复运转，单晶硅垂直于锯丝进给，可以实现同时多片切　割。此切割方法的缺点在于锯丝由于往复运转，所以　线速不高，一般在５～１５　ｍ／ｓ。　

放线轮　收线轮　图３往复式线锯切片原理图　环形线锯切片技术是把电镀金刚石锯丝接成环　形，环绕在几个线轮上，通过电动机带动线轮实现循环　切割。硅棒垂直于锯丝进给，环形锯丝通过张紧装置　压在硅晶体表面实现锯切。这种锯切方法在锯切过程　中无惯性力，切割速度达２Ｏ　ｍ＿／ｓ，可提高锯切效率。　３　切片表面质量　单晶硅属于硬脆材料，机械加工时材料的去除主　要是以脆性断裂方式进行。压痕断裂力学认为脆性模　式下材料的去除依靠于横向裂纹的扩展，磨粒压入深　度越小，裂纹到工件表面的距离就越小，产生的切屑厚　度也越小，工件的表面质量也越好。因此要研究锯切　中各工艺参数对切片表面质量的影响规律就需要研究　各工艺参数对锯丝表面金刚石磨粒的平均切削深度的　影响规律。　３．１　磨粒模型　金刚石磨粒具有锋利的切削刃，多为负前角切削，　探讨单位体积内磨粒的数量　时，将磨粒近似为一个球体；　探讨磨粒的切削深度时，把　磨粒视为圆锥体（如图４），　并且垂直于锯丝表面。理想　的锯丝是把磨粒粒径的２／３　嵌埋在锯丝表面镀层中，磨　粒露出的部分进行切削。本　文认为锯切时磨粒压入单晶　图４磨粒　

硅的深度为ｈ，相应形成切痕宽度为２６（如图４）。　３．２　线锯表面单位面积有效磨粒数　用于制作电镀金刚石线锯的金刚石微粉每个粒度　号中磨粒的尺寸是一个范围值，最大和最小尺寸的磨　粒是很少的，平均尺寸左右的磨粒是最多的，磨粒尺寸　的分布符合正态分布。磨粒的平均尺寸ｄ　为　ｄ　＝（ｄ　＋ｄ商　）／２　（１）　超硬材料电镀制品的镀层中磨料所占体积比Ｗ　一般为５０％左右　Ｊ，磨粒在线锯表面符合统计分布，　将磨粒均近似为直径为ｄ　大小的球体，线锯表面镀层　单位体积内的磨粒数　为　瓣ｗ　×　耵ｌ　Ｊ　

单位面积的磨粒数为　＝　力　（３）　线锯表面磨粒的突出高度分布符合正态分布，假　设线锯表面发生切削作用的最小磨粒尺寸为ｄ。　，如　果其他磨粒的尺寸小于ｄ　ｉ　，磨粒与工件就只发生划　擦、接触甚至不接触，而不会发生切削作用。单位面积　参加切削的磨粒数量为　簪　￡ｗ，ｌ平　ｌｕ

　维普资讯 http://www.cqvip.com ＝　×—苫Ｌ＿Ｊ　ｅ—　ｄ　（４）　√２－ｆｒｏ－　ｄｃｕｌ　ｍｉｎ　其中　：（ｄ…＋ｄ…）／２，　＝（ｄ…一ｄ　）／２。　因此，选用尺寸小、尺寸分布范围小的微粉，可以　提高单位面积内的有效磨粒数。　３．３　磨粒的平均切削深度　理想的锯切过程如图５ａ所示。但由于锯丝是个　柔性体，在锯切中易于弹性　变形，锯丝会产生一个偏角　，如图５ｂ所示。　根据线锯锯切单晶硅的　过程，假设锯切过程中锯丝　偏角　恒定，不考虑锯丝横　向振动，建立了如图６所示　的锯切几何模型。建立坐标　轴如下：过锯丝中心与工件　的进给相反方向为ｌ，轴，过　锯丝中心与锯丝运动相同的　（ａ）理想情况　（ｂ）实际情况　图５线锯切割示意图　

方向为ｚ轴，垂直于ｌ，、ｚ轴且过锯丝中心的方向为　轴。锯丝的速度为　，工件的进给速度为　。在ＸＹ　平面内　角处取一微段ｄｓ，则ｄｓ：Ｒ・　，则沿锯丝　轴心方向的微面积为ｄＡ　＝ＡＬ・ｄｓ＝ＡＬ　Ｒ　（△　为　参加锯切的锯丝工作段的长度）。在微面积ｄＡ　内参　加切削的磨粒数量为ｄＮｃ＝Ｎｄ・ｄＡ　（　为单位面积内　的动态有效磨粒数）。　

图６线锯锯切单晶硅几何模型　锯切时，单位时间内单晶硅被切除的体积应该等　于锯丝所锯切的体积，则　△　尺ｄ咖・　ｓｉｎ＋＝（ｈｂＬ）・（　△　Ｒ　ｄ　）（４）　式中：ｈｂＬ为每个磨粒单位时间内切除的平均体积；Ｎｄ　△　Ｒ　为微面积内的有效动态磨刃数；ＡＬ　Ｒ　・　ｓｉｎｔｈ为单位时间内切除的单晶硅体积。　根据本文假设的金刚石磨粒模型有　ｂ／ｈ＝ｔａｎ０　（５）　

ＬＵｌｌ　１ＩＩ　；　，＝平　ＴｅＣｈｎ０Ｉｏｇｙ　ａｎｄ　工艺与检测　将式（１）代人式（２）得到锯丝表面　角处微面积内金　刚石磨粒的平均切削深度为　ｈ＝　√　・　ｔａｎ０　Ｎｄ　ｓｉｎ咖　＾√　…　（６）　３．４　工艺参数对切片表面质量的影响规律　由式（６）可以看出，磨粒的平均切削深度与锯丝　速度、硅棒进给速度、锯丝表面磨粒分布和磨粒锋利程　度有关，而且锯丝周向不同位置磨粒的切削深度不同。　采用高的锯丝速度，低的进给速度，可以获得小的磨粒　切削深度，得到较好的切片表面质量。有效动态磨粒　数Ⅳ　是一个变化值，与磨粒分布密度、磨粒出刃高度、　锯丝速度、工件进给速度和线锯的弹性变形有关，难以　具体确定。但选用尺寸小、尺寸分布范围小的微粉制　作线锯，可以提高单位面积内的有效动态磨粒数，减小　单颗磨粒的切削厚度从而提高加工表面质量。　锯丝速度并不是越高越好。实际加工中当锯丝的　速度过高时会产生横向振动，增大切缝宽度并降低切　片质量。可以适当提高锯丝的张紧力来降低锯丝的横　向振动。锯丝速度与进给速度是一个协调匹配的关　系，相对于线速如果进给速度过大则线锯在切割中的　偏角　逐渐变大，锯丝弯曲严重，缩短锯丝寿命甚至　断丝；相对于线速如果进给速度太慢，在同一切割区域　被线锯反复锯切多次，切缝就会变宽，切片表面质量也　会降低。锯丝速度与进给速度的匹配关系需要根据锯　切实验进行进一步的研究。　４　结语　电镀金刚石线锯切割技术是一项极具发展潜力的　硅片切割技术，高性能的电镀金刚石线锯的制造将成　为此项切割技术应用和发展的关键。　理论分析发现，选用表面磨粒突出分布范围小的　锯丝，在一定变化范围内，采用高的锯丝速度和低的进　给速度，可获得好的切片表面质量。锯丝速度与进给　速度的合理匹配需要根据锯切实验进行进一步研究。　参考文献　１　Ｃｈｉｂａ　Ｙ，Ｔａｎｉ　Ｙ，Ｅｎｏｍｏｔｏ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｗｉｒｅ　ｔｏｏｌｓ．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＩＲＰ．２００３，５２（１）　２　石川宪一．金刚石电沉积绞合线锯的开发．超硬材料与宝石．２００４，　ｌ６（２）　３　Ｓｃｈｍｉｄ　Ｆ，Ｓｍｉｔｈ　Ｍ　Ｂ，Ｋｈａｔｔａｋ　Ｃ　Ｐ．Ｋｅｒｒ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｈａｒｐｅｄ　ｗｉｒｅ．　ＩＥＥＥ，１９９３．　４　王秦生．超硬材料电镀制品．北京：中国标准出版社，２００１．　（编辑汪　艺）　（收稿日期：２００７一Ｏ１—３０）　文章编蟹：７１０２９　ｊ　“。　如果您懋发表对本文的看法－．请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。　・　９ｌ　・