文献综述-金刚石线锯切割机设计.doc

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?金刚石线锯切割机综述

1前言

脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等，在电子、光学及其它领域得到广泛应用，特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的50％以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展[1]。金刚石线锯切割机是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割设备，包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，也可分为往复式和单向线锯。金刚石线锯使用高硬度的金刚石作为磨料，其典型磨粒尺寸为数十个微米，同时具备线锯切割的特点，能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割，且可实现成形加工。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、挠曲变形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益高，产量大，效率高等[2]。

2国内外发展现状

2.1国外线锯切割机概况

用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由Mesh于20世纪70年代提出W.Ebner进行了早期线锯加工实验,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成往复式多线锯的往复式试验机床，金刚石锯的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。W.Ebner用之进行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世纪80年代，出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。AndersJ.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金刚石多线锯进行了硅切片实验，得到的切缝宽度小于0.16mm，表面损伤层深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人则对金刚石线锯的切害特性进行初步实验研究[3]。

20世纪90年代，尤其是近几年来，金刚石线锯得到了快速发展，对其研究也更为深入。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等人指出在“滚动一嵌入”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。Bhagirat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[4]。

Sahoo等人用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行了分析，提出一个反馈控制算法，根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切割过程进行控制，最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。Wei等人对单晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化铝）进行切割实验，建立了一个轴向运动的锯丝振动模型，通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响并认为，锯丝振动受走丝速度影响很小，研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片表面质量进行了高精度测量[5]。

在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中，金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性能和质量有直接影响，同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。Oishi等人开发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。Costantini和Caster使用沉积槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离，取得了较好效果。Nishijima等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为，锯丝中的铁质粘附于金刚石磨粒的表面从而降低其切削性能，提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分离，再进行硅粉末的分离，实现磨浆的净化和回收重用[6]。

国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORI公司，不二越机械工业株式会社，NTC公司以及瑞士的MB公司，HCT公司，从产品技术角度划分，瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是HCT公司，该公1984年成立以来，专攻线切割机技术，如今已成为业界的技术带头人。

TAKATORI公司产品主要有MWS-48SD、MWS-61