多線切割機(jī)張力擾動因素分析研究?

汪世益，阮超波，丁 衛(wèi)

（安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

1 問題的提出

多線切割機(jī)是一種通過切割線的快速往復(fù)運(yùn)動，把磨料帶入半導(dǎo)體材料加工區(qū)域并對其進(jìn)行研磨加工，將半導(dǎo)體材料一次性同時(shí)加工成幾百枚薄片的一種新型切片加工設(shè)備［1，2］。相比傳統(tǒng)的內(nèi)圓切片機(jī)，多線切割機(jī)具有加工精度高、切片速度快、能滿足大尺寸切片加工等突出優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體切片加工設(shè)備行業(yè)中已逐步取代了內(nèi)圓切片機(jī)。

典型多線切割加工示意如圖1所示：待加工材料自上而下，跟隨進(jìn)給機(jī)構(gòu)至由數(shù)百根切割線組成的切割網(wǎng)并與其接觸，同時(shí)在砂漿中的磨料跟隨切割線的運(yùn)動被帶入加工區(qū)域?qū)εc其接觸的待加工材料展開研磨加工。在多線切割機(jī)加工過程中，切割線上的張力控制尤為重要，張力過大容易斷線，造成整個(gè)加工過程停滯，張力過小使切片加工精度降低，造成原材料的浪費(fèi)。針對各種不同的加工材質(zhì)，其張力值通常設(shè)定在15N～40N，且張力波動不能超過1N。

圖1 多線切割加工示意圖

2 多線切割機(jī)收線輥半徑擾動分析

在多線切割機(jī)加工過程中，收／放線電機(jī)反復(fù)不斷變換角色，所以收放線輥很難將切割線均勻、整齊地排列在收／放線輥上。因此，收／放線輥?zhàn)拥那懈罹€在加工過程中會隨機(jī)地發(fā)生徑向跳動，導(dǎo)致其在某一段時(shí)間段內(nèi)形成沿徑向未知高度的凸起，會對張力控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。

在多線切割機(jī)加工過程中，凸起的形成是沒有規(guī)律的。為了便于在仿真中添加半徑擾動，現(xiàn)假定半徑擾動為正弦信號，其振幅為切割線直徑的n倍（n為整數(shù)）。分別取n＝2，5，仿真后可得速度誤差和張力波動，如圖2所示［3］。此處的速度誤差是指加工輥和收線輥線速度之差。

從仿真結(jié)果可以看出，實(shí)際加工過程中收線輥發(fā)生的半徑跳動現(xiàn)象對切割線上張力波動的影響隨著凸起高度的增大而變大，尤其在切割線運(yùn)動平穩(wěn)階段對張力波動的影響表現(xiàn)更為明顯。雖然張力的波動都在可控范圍內(nèi)，但較大的張力波動會對切片加工的表面質(zhì)量產(chǎn)生極其不利的影響。為改善多線切割機(jī)切片的表面質(zhì)量，通常在收／放端各設(shè)置一個(gè)排線機(jī)構(gòu)。排線導(dǎo)輪由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠使其沿收／放線輥的軸線方向運(yùn)動，排線電機(jī)運(yùn)動角速度的大小跟收／放線電機(jī)的角速度呈線性比例關(guān)系，其比例大小與切割線直徑、收線輥?zhàn)拥挠行чL度及滾珠絲杠的節(jié)距等因素有關(guān)。

圖3和圖4分別為排線電機(jī)／收線電機(jī)運(yùn)動角速度曲線圖和排線導(dǎo)輪的位移曲線圖，可以看出，在收線電機(jī)運(yùn)動的一個(gè)周期內(nèi)排線電機(jī)能夠有效跟隨收線電機(jī)的速度，且當(dāng)排線導(dǎo)輪運(yùn)動至收線輥兩端的極限位置時(shí)能夠及時(shí)換向并重復(fù)前面的運(yùn)動使切割線沿著輥?zhàn)拥妮S線方向均勻地排列在收／放線輥上，可以在一定程度上避免切割線在輥?zhàn)由系膹较蛱鴦印?/p>

3 多線切割機(jī)走絲換向?qū)埩Σ▌拥挠绊?/h2>

多線切割機(jī)的走線速度曲線和其對應(yīng)的加速度曲線如圖5所示，這種梯形的走線速度曲線在走絲換向的開始和結(jié)束兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)會造成張力波動幅度過大，在實(shí)際的加工過程中不僅會影響切片的表面質(zhì)量而且可能造成斷線導(dǎo)致生產(chǎn)停滯。

圖2 半徑擾動對線速度誤差及張力波動的影響

圖3 排線電機(jī)與收線電機(jī)角速度

采用梯形走線方式造成張力波動過大的根本原因在于走絲換向階段速度變化不夠平滑，加速度變化過于迅速。針對這一問題，本文對傳統(tǒng)的多線切割機(jī)的走線速度曲線進(jìn)行優(yōu)化，采用余弦曲線作為加速度曲線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加速度曲線［4］。優(yōu)化后速度及其加速度曲線如圖6所示，優(yōu)化后的走線速度曲線在走絲換向階段能夠平滑過渡。

圖4 排線導(dǎo)輪位移曲線

圖7為走絲換向優(yōu)化后切割線的走線速度誤差（速度誤差是指加工輥和收線輥線速度之差）和張力波動圖，優(yōu)化后的走線速度誤差曲線在走絲換向階段能夠平滑過渡，走絲換向開始和結(jié)束時(shí)切割線上張力的大幅度波動基本被消除，只有在速度曲線經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)有較明顯的張力波動。因此，對走線速度曲線的走絲換向優(yōu)化基本能夠降低張力波動幅度和頻率。

4 導(dǎo)向輪對張力影響的分析

在一整套多線切割機(jī)加工設(shè)備中，導(dǎo)向輪的數(shù)目多達(dá)20多個(gè)，而且每個(gè)導(dǎo)向輪安裝方式也不完全相同，致使每段包繞在導(dǎo)向輪上切割線所受到的的包繞張力不同，所以有必要就導(dǎo)向輪對切割線張力影響進(jìn)行分析研究。瑞士科學(xué)家Euler在建立切割線的導(dǎo)向輪包繞張力模型方面進(jìn)行相關(guān)研究并提出了張力遞增定律。切割線包繞導(dǎo)向輪的張力分析模型如圖8所示［5］，其中，β為切割線在導(dǎo)向輪上的包繞角，F(xiàn)i為左側(cè)切割線張力，F(xiàn)o為右側(cè)切割線張力，μ為切割線和導(dǎo)向輪的摩擦系數(shù)。設(shè)ρ為切割線的單位長度質(zhì)量、r為導(dǎo)向輪的半徑、ω為導(dǎo)向輪角速度、J為切割線相對于導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動慣量。

圖5 多線切割機(jī)走線速度及其加速度曲線

假設(shè)圖8中導(dǎo)向輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，對包繞在導(dǎo)向輪上的切割線取包角為dα的一段進(jìn)行研究，dP、μdP分別為導(dǎo)向輪對切割線的彈力和摩擦力［6］。

在dP方向有：

其中，dF、dα均趨向于0，可將式（1）簡化為：

取切割線與導(dǎo)向輪材料（聚氨酯）的滾動摩擦系數(shù)為0.03，切割線上的張力為20N，可得導(dǎo)向輪兩側(cè)切割線張力差與導(dǎo)向輪包繞角關(guān)系，如圖9所示。

圖6 優(yōu)化后走線速度及其加速度曲線

圖7 優(yōu)化后的速度誤差及張力波動圖

導(dǎo)向輪左、右兩側(cè)的張力差值是由切割線和導(dǎo)向輪的摩擦系數(shù)μ、切割線在導(dǎo)向輪上的包繞角β共同決定的。其中μ通常情況下是定值，導(dǎo)向輪兩側(cè)張力差隨包繞角β增大而增大。所以，為了滿足高速多線切割機(jī)的張力控制要求，在不改變多線切割機(jī)切割線傳遞、導(dǎo)向性能的前提下，可以適當(dāng)減少導(dǎo)向輪的數(shù)量，而且在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施盡量減少包繞角。如果條件許可，也可以減小導(dǎo)向輪的半徑和質(zhì)量，都可以起到改善張力波動的效果。

圖8 切割線包繞導(dǎo)向輪張力分析模型

圖9 導(dǎo)向輪兩側(cè)張力差與導(dǎo)向輪包繞角關(guān)系

5 結(jié)論

收線輥半徑發(fā)生徑向跳動對張力波動雖然沒有明顯的影響，但在走線平穩(wěn)階段會有較小幅度且頻率較高的張力波動，這會降低切片的表面質(zhì)量，因此可以通過安裝排線裝置來避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。導(dǎo)向輪兩側(cè)切割線的張力差隨包繞角度的增大而增大，可以通過對切割機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化來降低導(dǎo)向輪對張力的影響。

［1］王琮.半導(dǎo)體材料加工設(shè)備的新秀——多線切割機(jī)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2004（1）：63－65.

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［3］邵鵬.多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2010：57－59.

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