單線切割設(shè)備的切割方式研究

王 欣，衣忠波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

單線切割設(shè)備的切割方式研究

王 欣，衣忠波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

通過(guò)對(duì)兩種單線切割方式（擺動(dòng)切割和不擺動(dòng)切割）切割線受力情況的分析，比較了切削線與工件之間的接觸長(zhǎng)度與受力狀態(tài)，以提高晶片切割表面質(zhì)量和切片效率并減小切削線斷線率的切割方式為研究方向，通過(guò)理論分析和實(shí)際應(yīng)用得出：擺動(dòng)切割時(shí)切削線與工件的接觸長(zhǎng)度較小，法向壓力和切向切割力會(huì)更小，所以切削線不容易斷裂；承載著工件的工作臺(tái)的弧形搖擺也促進(jìn)了切割運(yùn)動(dòng)，而且與切割運(yùn)動(dòng)同步還可以保證對(duì)切割面有一個(gè)合理的研磨作用，也使得切削粉末可以更容易排出，有效提高切割表面質(zhì)量。

半導(dǎo)體設(shè)備；單線切割；直線進(jìn)給切割；擺動(dòng)切割；擺動(dòng)工作臺(tái)裝置

單線切割技術(shù)是采用鍍有微小金剛石磨粒的鋼線作為切削線，通過(guò)一定的布線方式使切削線在放線輪和收線輪之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)切割線上眾多磨粒的微量切削作用來(lái)達(dá)到去除材料、切割薄片的一種線切削方法。由于這種金剛石切削線韌度高，抗拉強(qiáng)度高，抗疲勞能力好，所以這種單線切割技術(shù)多用于硬脆材料的切割，如碳化硅、藍(lán)寶石、碲鋅鎘、鉭酸鋰等，它的應(yīng)用范圍十分廣泛。

在實(shí)際線切割過(guò)程中，加工件材料的不同、形狀大小的不同還有其他的相關(guān)因素，都直接影響到切削線的受力變化，導(dǎo)致切削質(zhì)量下降和增加斷線機(jī)率，為完善這種線切割技術(shù)，技術(shù)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上作出了很多相應(yīng)的改進(jìn)措施。常用的切割方式是金剛石線與工件之間沒(méi)有相對(duì)角度的變化，實(shí)施直線進(jìn)給切割，而工作臺(tái)擺動(dòng)切割方式則是一種新的切割方式，在實(shí)踐應(yīng)用中證明，該種結(jié)構(gòu)的實(shí)施提高了切削質(zhì)量和切削效率，并有效減少了設(shè)備切削線的斷線率。

1 切割模式

本文介紹的兩種切割模式：一種是切削線在線輪之間做高速往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)，承載著工件的工作臺(tái)以垂直方向向上做進(jìn)給送料運(yùn)動(dòng)，這樣就形成了如圖1所示的對(duì)工件的直線切割運(yùn)動(dòng)。

圖1 直線切割方式

另一種為切削線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，而承載著工件的工作臺(tái)以一定的頻率沿水平方向上下擺動(dòng)，同時(shí)垂直方向向上做進(jìn)給送料運(yùn)動(dòng)，這樣就促形成了如圖2所示的工件擺動(dòng)的線切割運(yùn)動(dòng)。

圖2 擺動(dòng)切割模式

引入擺動(dòng)切割的概念，是因?yàn)樵趯?shí)際切割狀態(tài)，單線切割所加工的材料多屬于硬脆材料，它們的性質(zhì)比較相似，例如硬度高，韌性低等，其次工件的形狀和尺寸也有很大區(qū)別，而切割線不是剛體，它的形狀也不可能不發(fā)生改變，在切割過(guò)程中不會(huì)呈現(xiàn)圖1所示的狀態(tài)，即切割線與工件的接觸輪廓始終保持一條簡(jiǎn)單的水平直線，實(shí)際切割時(shí)切割線由于受力的變化會(huì)產(chǎn)生不同程度的彎曲變形，受不同材料、不同形狀工件等因素的影響，我們也很難確定切割線的切割輪廓，它可能是一條直線，也可能是一條不規(guī)則形狀的曲線，導(dǎo)致切削線的受力分析也相當(dāng)復(fù)雜，勢(shì)必直接影響著晶片的加工質(zhì)量和增加斷線機(jī)率。為了使切削線和工件的受力簡(jiǎn)單化，提高晶片的加工質(zhì)量，我們引入工件擺動(dòng)切割的設(shè)計(jì)思想，這種方式使得切割線與工件從之前的線接觸方式更趨近于點(diǎn)接觸方式，而承載著工件的工作臺(tái)的弧形搖擺也促進(jìn)了切割運(yùn)動(dòng)，而且與切割運(yùn)動(dòng)同步還可以保證對(duì)切割面有一個(gè)合理的研磨作用，也使得切削粉末可以更容易的排出。

2 擺動(dòng)切割裝置的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)擺動(dòng)功能，擺動(dòng)切割設(shè)備的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)比直線切割設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，圖3是新設(shè)計(jì)的擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括承載工件的擺動(dòng)盤(pán)、滑座和擺動(dòng)電機(jī)。擺動(dòng)裝置與軛架相連，依靠電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)繞擺動(dòng)軸水平方向上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的擺動(dòng)，最大擺動(dòng)范圍是水平方向±6°，擺動(dòng)頻率有高中低3種速度可以設(shè)置。根據(jù)該擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)作要求，選取步進(jìn)電機(jī)分別控制工作臺(tái)擺動(dòng)和直線進(jìn)給，要求按照設(shè)置的擺動(dòng)角度和頻率準(zhǔn)確擺動(dòng)的同時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)給工作臺(tái)，完成擺動(dòng)切割。圖4就是我們研發(fā)的具有擺動(dòng)裝置的單線切割設(shè)備。

圖3 工件擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 單線切割設(shè)備

3 兩種切割方式分析

單線切割過(guò)程由于切割線的變形，其受力分析比較復(fù)雜。為了更加清晰地分析其擺動(dòng)和不擺動(dòng)的受力情況區(qū)別，我們根據(jù)假設(shè)從易到難建立運(yùn)動(dòng)模型來(lái)分析切割線的受力狀態(tài)。

3.1 無(wú)擺動(dòng)切割（假設(shè)切割線不發(fā)生彎曲）

假設(shè)切割線為剛體，不會(huì)因受力發(fā)生彎曲，又因?yàn)榍懈钸^(guò)程無(wú)擺動(dòng)，則切割線的切割輪廓是工件切削深度上的一條簡(jiǎn)單的水平直線，而工件的切削深度與導(dǎo)向輪的底部相平。工件與切割線的接觸長(zhǎng)度是工件與切削線重疊的一段線段，它的長(zhǎng)度隨著工件形狀的變化而變化。因此，如果切割線為剛體，其受到工件的法向壓力與受到導(dǎo)向輪的力相平衡，在這種情況下，切割線受到的壓力和切割力方向分別為豎直和水平。如圖5、圖6所示。

圖5 理想情況下切割線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（無(wú)擺動(dòng)）

圖6 受力情況示意圖

切割線的受力分析為：FT=2FP，F(xiàn)C=T2-T1

其中，F(xiàn)T為工件對(duì)切割線壓力，F(xiàn)P為每一個(gè)導(dǎo)向輪對(duì)切割線的壓力，F(xiàn)C為切割線受到的切割力，T1，T2分別為切割線在工件兩端的張力。

從中可以看出切割線受到工件的壓力等于導(dǎo)向輪對(duì)切割線壓力的和。

3.2 擺動(dòng)切割（假設(shè)切割線不發(fā)生彎曲）

切割線為剛體，由于存在擺動(dòng)，則其切割輪廓也發(fā)生變化。由于線不發(fā)生彎曲，其切割輪廓是隨著線的擺動(dòng)形成的一段圓弧，此時(shí)切割線與工件是點(diǎn)接觸。設(shè)切割線的擺動(dòng)角度為α，由于切割線順時(shí)針和逆時(shí)針交叉擺動(dòng)，故形成圓弧的圓心角為2α，半徑為W/2 sinα，其中W為被加工件寬度。見(jiàn)圖7、圖8所示。

從圖8中可以看出，沿著工件的法向和切向建立坐標(biāo)系，F(xiàn)X、FZ分別為水平力和豎直力，其大小與線的擺動(dòng)角度有關(guān)；沿著切割線的法向和切向建立坐標(biāo)系，F(xiàn)C，F(xiàn)T分別為切割線受力點(diǎn)的法向壓力和切向力，計(jì)算與第一種情況相同：

圖7 理想情況下切割線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（擺動(dòng)）

圖8 受力分析示意圖

FX=(T2-T1)cosα-2FPsinα，F(xiàn)Z=2FPcosα+(T2-T1)sinα

FC=(T2-T1)=FXcos+FZsinα，F(xiàn)T=2FP=FZcosα-FXsinα

FC，F(xiàn)T方向隨著線與工件接觸點(diǎn)的變化而變化，在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)，切割線兩次呈水平，此時(shí)，F(xiàn)C，F(xiàn)T為水平和豎直方向。

上述分析得出，假設(shè)切割線為理想剛體，不會(huì)因受力而發(fā)生彎曲，如果切割線擺動(dòng)的角度很小，在6°以?xún)?nèi)，則切割線的擺動(dòng)對(duì)其受力變化影響不大。

3.3 無(wú)擺動(dòng)切割（實(shí)際切割線發(fā)生彎曲）

由于切割線不是剛體，故在其受到法向力的作用下一定會(huì)產(chǎn)生彎曲。將工件固定在工作臺(tái)的中心，則切割線在工件兩端的偏角相同，都設(shè)為θ。由于受多種因素影響，我們很難確定切割線的切割輪廓，它可能是一條直線，也可能是一條不知形狀的曲線，如圖9、圖10所示。

切割線的受力分析為：

由上述分析可以看出，切割線受到工件法向壓力FT和切向切割力FC大小都與切割線的偏角θ有關(guān)。若θ趨近于零，切割線受到的法向壓力也趨近于零，若偏角θ增大，則切割線受到的法向壓力也增大。

圖9 現(xiàn)實(shí)情況下切割線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（無(wú)擺動(dòng)）

圖10 無(wú)擺動(dòng)時(shí)的切割線受力分析

3.4 擺動(dòng)切割（實(shí)際切割線發(fā)生彎曲）

在這種情況下，切割線與工件總是有一段接觸線，其長(zhǎng)度與切割線的偏角有關(guān)。由于存在擺動(dòng)，切割線在工件兩端的偏角大小不同，切割線總體切割輪廓仍應(yīng)為一段圓弧，但圓弧的弧長(zhǎng)比不擺動(dòng)時(shí)小，圓弧的圓心角和半徑不確定，見(jiàn)圖11、圖12所示。

圖11 現(xiàn)實(shí)情況下切割線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（擺動(dòng)）

設(shè)切割線兩端的偏角分別為φ和ψ，則：

圖12 有擺動(dòng)時(shí)切割線受力分析

可以看出，切割線受到工件的法向壓力FT和切向切割力FC的大小雖然與偏角φ和ψ有關(guān)，但是因?yàn)楣ぜ[動(dòng)的角度很小，所以φ和ψ的角度差也很小，很明顯，切割線受到的法向壓力和切向切割力比不擺動(dòng)時(shí)小。

總結(jié)上述對(duì)兩種切削方式的受力分析，可以得出：在切割過(guò)程中，切削線和工件之間，相對(duì)于同樣的切割深度，擺動(dòng)切割時(shí)切削線與工件的接觸長(zhǎng)度較小，法向壓力和切向切割力會(huì)更小，所以切削線不容易斷裂。

4 實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證以上分析，我們用自行研制的單線切割設(shè)備（如圖4所示）進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，選用SiC材料進(jìn)行切割，在直線切割和擺動(dòng)切割狀態(tài)下，對(duì)切割時(shí)的切割線受力和加工后的晶片表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 SiC切割力對(duì)比

圖13中各個(gè)點(diǎn)分別表示不同的切割線速度下，各擺動(dòng)頻率狀態(tài)的切削線受力情況，可以看出擺動(dòng)切割的切削線受力小于無(wú)擺動(dòng)切割。

圖14中各個(gè)點(diǎn)分別表示不同的切割線速度下，各擺動(dòng)頻率加工的晶片表面粗糙度值（Ra），可以看出擺動(dòng)切割的晶片表面質(zhì)量更優(yōu)。

圖14 SiC切割片表面質(zhì)量變化對(duì)比

因此，通過(guò)用兩種切割方式對(duì)SiC材料的切割實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用擺動(dòng)裝置的單線切割設(shè)備在提高切削表面質(zhì)量、減少斷線率方面能取得很好的效果，擺動(dòng)切割可以增加材料的去除率，降低切線的磨損，提高加工工件表面的質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)兩種單線切割方式的介紹，結(jié)合對(duì)切割線受力情況的分析，以及將擺動(dòng)切割設(shè)計(jì)裝置應(yīng)用到單線切割設(shè)備的實(shí)際案例，著重闡明了應(yīng)用擺動(dòng)切割裝置的特點(diǎn)與實(shí)用性，對(duì)單線切割設(shè)備提高加工質(zhì)量和效率，減少切削線斷線率，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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The Study On The Cutting Of Single Wire Saw Equipment

WANG Xin，YI Zhongbo

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100076，China)

Through the analysis of the cutting line mode force of two kinds of single wire cutting（swing cutting and not swing cutting），Comparison of the contact length between the cutting wire and the workpiece and the stress state，In order to research to improve the wafer cutting surface quality and efficiency of slicing and reducing the cutting line break rate cutting way for direction，Through theoretical analysis and practical application of results：Contact length of cutting wire and the work piece is small when the swing cut，Normal pressure and shear force will be smaller to cut，So cutting line is not easy to break；Carrying the work piece table also contributed swing arc cutting movement，And with a cutting motion synchronous cutting surface can also ensure a reasonable abrasive，Also makes it easier to cut powder discharge，Effectively improve the quality of the cut surface.

Semiconductor equipment；Single wire saw，Linear feed cutting，Swing cutting，Swing workbench device

TN305.1

B

1004-4507(2015)01-0009-05

王欣（1974-），女，山東人，電氣工程師，現(xiàn)主要從事電子專(zhuān)用設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

2014-12-10