油氣潤(rùn)滑在脆硬材料多線切割設(shè)備中的應(yīng)用

周建軍，楊曉靜

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

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體材料也層出不窮。碳化硅材料作為第三代半導(dǎo)體代表性材料，其具有的耐高溫、耐高壓、熱傳導(dǎo)性好的特性，制作的低導(dǎo)通電阻開(kāi)關(guān)元件，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)，汽車(chē)行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。SiC晶體常用來(lái)作為工業(yè)用的研磨砂，其硬度僅次于金剛石。對(duì)于SiC器件制作加工的首道工序就是晶圓切片，SiC晶體材料硬度高(摩氏硬度高達(dá)9.3)，斷裂韌性低，這使得切片加工變得非常困難。SiC器件對(duì)于材料的瑕疵(如裂紋等)反應(yīng)非常敏感，切割加工時(shí)往往會(huì)使晶圓產(chǎn)生物理瑕疵，造成這種缺陷的主要原因是加工過(guò)程中晶圓由于熱變形發(fā)生膨脹、變形、翹曲，因此盡可能減少熱源是提高設(shè)備切割精度和切割效率的關(guān)鍵。

由于SiC材料的難加工性，在多線切割加工時(shí)，主軸系統(tǒng)處于高速重載工況，軸系正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，并傳遞到金剛線，引起晶圓出現(xiàn)各種加工缺陷，還有軸系發(fā)熱會(huì)影響軸系旋轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，引起金剛線產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備的切割精度，使切片的TTV值偏大，翹曲度偏大，亞平面出現(xiàn)應(yīng)力、裂紋等缺陷，所以，有效降低軸系發(fā)熱是SiC多線切割設(shè)備提高精度，延長(zhǎng)軸系壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)保證。

軸系發(fā)熱主要來(lái)源是軸承滾球與滾道的摩擦，良好有效的潤(rùn)滑是減少摩擦的基礎(chǔ)，阻止熱量傳遞給金剛線并將熱量及時(shí)帶離軸系是軸系穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的保證。潤(rùn)滑是在兩相對(duì)的接觸面之間形成薄膜，以減小摩擦系數(shù)，減少發(fā)熱，防止表面磨損，是延長(zhǎng)軸承壽命的主要措施。軸承潤(rùn)滑方式的選擇對(duì)軸承的性能有著重要影響，不同的載荷，不同的速度，不同的工作環(huán)境，選用的潤(rùn)滑方式不同，常見(jiàn)的潤(rùn)滑方式有：油循環(huán)潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑。

（1）油循環(huán)潤(rùn)滑。油循環(huán)潤(rùn)滑是利用油泵將潤(rùn)滑油從油箱抽出，通過(guò)油管、油孔等機(jī)構(gòu)將潤(rùn)滑油輸送到軸承座內(nèi)的軸承。同時(shí)，通過(guò)軸承座的回油孔使?jié)櫥突亓鞯接拖?，?jīng)冷卻和過(guò)濾后重新循環(huán)使用。這種潤(rùn)滑方式能有效對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行冷卻，適用于高速重載工況。但這種潤(rùn)滑方式屬于過(guò)量潤(rùn)滑，并且需要較為復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助。

（2）噴油潤(rùn)滑。噴油潤(rùn)滑也是一種油循環(huán)潤(rùn)滑，它是通過(guò)高壓噴射系統(tǒng)將大量的潤(rùn)滑油噴射到滾動(dòng)軸承中。雖然噴油潤(rùn)滑屬于過(guò)量潤(rùn)滑，會(huì)產(chǎn)生的大量攪油溫升，但通過(guò)加大潤(rùn)滑油量可以帶走一部分熱量。高速軸承工作過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速過(guò)高，會(huì)使軸承兩端空氣形成“氣障”，要突破這層“氣障”必須使噴油系統(tǒng)具有較高的壓力。噴油潤(rùn)滑適用于高速工況[1]。

（3）脂潤(rùn)滑。脂潤(rùn)滑是在軸承內(nèi)部封裝潤(rùn)滑脂，無(wú)需外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用和維護(hù)方便，并可通過(guò)密封圈防止外部的水和雜質(zhì)侵入。脂潤(rùn)滑廣泛應(yīng)用于汽車(chē)等對(duì)潤(rùn)滑設(shè)備限制較多的工況下。脂潤(rùn)滑散熱能力較差，軸承極限轉(zhuǎn)速較低。

（4）油霧潤(rùn)滑。油霧潤(rùn)滑是將潤(rùn)滑油霧化成微液滴，然后用低壓輸送到潤(rùn)滑點(diǎn)上。油霧潤(rùn)滑技術(shù)屬于微量潤(rùn)滑，攪油溫升低，同時(shí)由于壓縮空氣和油霧一同進(jìn)入軸承，能起到一定的冷卻作用。但油霧潤(rùn)滑對(duì)潤(rùn)滑劑的黏度有限制，無(wú)法霧化高黏度的潤(rùn)滑劑，而且油霧可能擴(kuò)散到空氣中，造成環(huán)境污染。

（5）油氣潤(rùn)滑。油氣潤(rùn)滑是在油霧潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上繼承了其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又改進(jìn)了其缺點(diǎn)的一種新型的潤(rùn)滑方式，具有潤(rùn)滑劑使用量少、清潔軸承、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

解決摩擦副的潤(rùn)滑問(wèn)題是潤(rùn)滑的核心問(wèn)題，即無(wú)論采用噴油潤(rùn)滑、稀油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑或者其他何種潤(rùn)滑方式，使?jié)櫥c(diǎn)始終處在最佳的潤(rùn)滑狀態(tài)下即為潤(rùn)滑的核心目的，而潤(rùn)滑點(diǎn)的最佳狀態(tài)就是潤(rùn)滑點(diǎn)處在全膜潤(rùn)滑時(shí)的狀態(tài)。因?yàn)闈?rùn)滑劑在此時(shí)充滿了摩擦副，所以在兩個(gè)摩擦表面之間會(huì)形成完整的一層潤(rùn)滑膜，摩擦面之間被潤(rùn)滑膜完全隔開(kāi)。在這種情況下，摩擦面之間的摩擦就是以潤(rùn)滑膜內(nèi)部之間的內(nèi)摩擦為主，而不是兩個(gè)摩擦面之間的直接摩擦。自20世紀(jì)60年代德國(guó)REBS公司的工程師提出油氣潤(rùn)滑概念以來(lái)，油氣潤(rùn)滑技術(shù)因其優(yōu)良的潤(rùn)滑性能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并取得良好的反映[2]。世界上對(duì)油氣潤(rùn)滑技術(shù)的研究大多是油氣兩相流形成機(jī)理的研究、油氣潤(rùn)滑關(guān)鍵零件的研制以及油氣潤(rùn)滑在高速軸承中的應(yīng)用。

1 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)分析

1.1 油氣潤(rùn)滑原理

油氣潤(rùn)滑是氣液兩相潤(rùn)滑，油在管壁上傳輸，氣在管線中央傳輸，并不混合，油滴尺寸比較大，如圖1所示油氣潤(rùn)滑原理，圖2所示為油氣管中油膜狀態(tài)；與油霧潤(rùn)滑的主要區(qū)別在于供給軸承的潤(rùn)滑油未被霧化而是以油粒狀被壓縮空氣吹入軸承，向大氣中排放的僅是空氣，因此對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。具有一定壓力的潤(rùn)滑油在接觸點(diǎn)除潤(rùn)滑外還具有帶走熱量和密封的作用。由于油滴是噴射而出，故可穿透在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于離心力的作用而在軸承周?chē)纬傻目諝鉁u流，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑軸承的目的。油氣潤(rùn)滑用大量的壓縮空氣來(lái)冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤(rùn)滑時(shí)要低很多。實(shí)驗(yàn)表明，使用油氣潤(rùn)滑的軸承溫升可比使用脂潤(rùn)滑時(shí)降低5～80℃，比油霧潤(rùn)滑降低9～160℃，隨著軸承摩擦熱值的增大，降溫的效果更明顯[3]。

圖1 油氣潤(rùn)滑原理

圖2 油氣管中油膜狀態(tài)

1.2 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)構(gòu)成

油氣潤(rùn)滑一般由三部分構(gòu)成，即油氣源系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)。油氣源是指油氣發(fā)生器輸出的潤(rùn)滑油量與供氣壓力。硬件主要有油泵、空氣壓縮機(jī)(氣源)、油氣混合器、油氣分配器等。油氣源功能是保證油泵與空壓機(jī)能精確輸出設(shè)定的供油量與壓縮空氣(壓力、流量)，并能被均勻混合與分配；輸送系統(tǒng)主要指潤(rùn)滑油從油氣發(fā)生器輸送到潤(rùn)滑點(diǎn)的過(guò)程。有關(guān)這方面的研究表明，氣液兩相流體在管道內(nèi)的流型、各成分流量、含氣率及油管長(zhǎng)度對(duì)潤(rùn)滑效果的影響等[3]。油氣潤(rùn)滑時(shí)壓縮空氣將潤(rùn)滑油輸送到潤(rùn)滑點(diǎn)，輸送過(guò)程中空氣與潤(rùn)滑油會(huì)形成氣液兩相流體，而氣液兩相流體只有在管道內(nèi)形成穩(wěn)定環(huán)狀流才能保證油氣潤(rùn)滑的供油穩(wěn)定。傳輸系統(tǒng)一般采用紫銅管構(gòu)成管路，比塑料管路潤(rùn)滑效果更好[4]。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)難點(diǎn)主要是潤(rùn)滑噴嘴的設(shè)計(jì)和布局，根據(jù)軸系特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的噴嘴將潤(rùn)滑油隨壓縮空氣帶入高速軸承形成一定厚度的潤(rùn)滑膜是軸系油氣潤(rùn)滑的關(guān)鍵，合理的油嘴布局能使?jié)櫥行5，6]。

2 多線切割設(shè)備油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加工SiC、藍(lán)寶石等脆硬材料的多線切割設(shè)備，其軸系的主要特點(diǎn)是軸承多承載大，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，溫升嚴(yán)重。本文結(jié)合油氣潤(rùn)滑的種種特點(diǎn)和有利因素設(shè)計(jì)了適合該設(shè)備軸系的油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)。

2.1 油氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣潤(rùn)滑源系統(tǒng)是SiC多線切割設(shè)備軸系潤(rùn)滑的重要部分，也是關(guān)鍵部分，如圖3所示。干燥潔凈的壓縮空氣是軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證，一旦壓縮空氣中混有雜質(zhì)成分或水分，被帶入軸承，會(huì)引起軸承壽命降低，抱死，振動(dòng)等不利因素，因此氣源過(guò)濾器必須選用精密型高目數(shù)的過(guò)濾器。

圖3 油氣源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]、[5]說(shuō)明隨著壓力的減小管道內(nèi)徑向速度范圍逐漸降低有利于油膜穩(wěn)定連續(xù)，有利于提高油膜剛度，減小摩察系數(shù)，提高潤(rùn)滑效率。供氣壓力與管道內(nèi)油氣環(huán)狀流徑向速度波動(dòng)影如圖4所示。

圖4 供氣壓力與管道內(nèi)油氣環(huán)狀流徑向速度

2.2 潤(rùn)滑噴嘴的設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)

SiC多線切割設(shè)備軸系載荷比較大，采用多個(gè)角接觸型軸承共同承擔(dān)載荷。噴嘴的噴射角度及噴嘴的分布數(shù)量對(duì)潤(rùn)滑效果有一定的影響。根據(jù)圖5所示軸承溫升與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(熱力學(xué)模擬)及圖6所示軸承溫升與轉(zhuǎn)速關(guān)系(文獻(xiàn)[2])高速軸承的熱量主要集中在內(nèi)圈和滾球處，所以噴射角度應(yīng)偏向滾球和軸承內(nèi)圈，如圖7所示。文獻(xiàn)[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了噴嘴與鋼球距離對(duì)軸承溫升的影響。日本NSK公司也研究了油氣潤(rùn)滑噴嘴的噴油角度、噴嘴數(shù)量等因素對(duì)軸承潤(rùn)滑效果的影響[3]。

圖5 軸承溫升與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖(熱力學(xué)模擬)

圖6 軸承溫升與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖7 噴油示意圖

根據(jù)噴油嘴及軸承確定油嘴噴角，油嘴的設(shè)計(jì)（如圖8所示）。油嘴數(shù)量及位置的確定：影響軸系溫升不只是由噴嘴的放置角度決定，噴嘴的數(shù)量及位置也是重要的因素。因此，考慮到潤(rùn)滑油回路的布局，噴嘴布局設(shè)計(jì)（如圖9所示），軸承外圈下孔為軸承回油過(guò)孔，其余4個(gè)孔為噴嘴安裝孔。

圖8 噴嘴設(shè)計(jì)圖(噴油角度)

圖9 噴嘴布局

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

利用脂潤(rùn)滑軸系和油氣潤(rùn)滑軸系安裝在多線切割機(jī)對(duì)SiC晶圓棒料進(jìn)行片厚0.5 mm進(jìn)行切割工藝對(duì)比。

從不同切割實(shí)驗(yàn)可以看出，在溫度比較曲線中(如圖10所示)，隨轉(zhuǎn)速的提高軸的溫升也有所增加，但油氣潤(rùn)滑軸溫升明顯偏??；(如圖11所示)采用傳統(tǒng)脂潤(rùn)滑軸系轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min時(shí)軸系溫度已經(jīng)很高，設(shè)備切割性能誤差均接近設(shè)備設(shè)計(jì)精度要求上限，晶片表面粗糙度也很差；通過(guò)切割工藝比對(duì)，(如圖12所示)采用油氣潤(rùn)滑方式軸系溫度低且穩(wěn)定，設(shè)備切割性能優(yōu)越，晶片翹曲度及TTV值明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的脂潤(rùn)滑切割方式。

圖10 轉(zhuǎn)速對(duì)軸系溫升的影響比較

圖11 轉(zhuǎn)速對(duì)翹曲度的影響比較

圖12 轉(zhuǎn)速對(duì)切片TTV值的影響比較

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的脂潤(rùn)滑相比，本設(shè)計(jì)的油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)由于油氣能充分潤(rùn)滑軸承滾動(dòng)體表面，使摩擦副一直處于新鮮的油膜潤(rùn)滑狀態(tài)，同時(shí)隨油液的快速流動(dòng)，帶走大量的摩擦熱，并且推動(dòng)油液潤(rùn)滑的壓縮空氣也是對(duì)軸承降溫帶走摩擦熱起到積極作用，正是由于諸多的優(yōu)點(diǎn)，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)使設(shè)備性能得到更大的提升。