Dispositif de sciage par fils, comprenant une nappe de fils, susceptibles de se déplacer selon un mouvement continu ou alternatif en appui contre une pièce à scier définissant ainsi une zone de sciage, et des moyens d'alimentation en barbotine abrasive destinés à assurer un apport d'abrasif dans la zone de sciage.
Des dispositifs de sciage du type précité sont déjà connus, spécialement dans l'industrie des composants électroniques, des ferrites, des quartz et silices, pour l'obtention en tranches fines de matériaux tels que le silicium (poly ou monocristallin), ou les nouveaux matériaux tels que GaAs, InP, GGG ou également quartz, saphir synthétique, voire même céramique. Le prix élevé de ces matériaux rend le sciage par fil plus attractif comparativement à d'autres techniques comme le sciage par disque diamanté.
Toutefois, la technique du sciage par fil requiert un contrôle parfait de l'apport d'abrasif pour l'obtention de découpes de qualité. Elle dépend donc de la manière dont l'abrasif est amené à l'entrée de la nappe de fils dans la pièce à scier.
Ainsi, parmi les dispositifs connu d'apport, on peut citer les buses d'injection ou de pulvérisation, soit sous pression, soit par grativé naturelle, ou encore l'immersion de la ou les pièces à scier. Malheureusement, une petite modification ou variation de l'apport de l'abrasif peut compromettre la qualité du sciage, par exemple en affectant l'état de surface. L'ajustement de cette distribution est d'autant plus délicat que la longueur utile de sciage est grande, ce qui correspond à la tendance actuelle qui est le sciage de pièce de grandes dimensions ou de plusieurs pièces simultanément.
Le but de l'invention consiste à remédier aux inconvénients précités en fournissant un dispositif de sciage du type mentionné ci-dessus qui ne nécessite pas d'ajustement délicat de la distribution du mélange abrasif, de telle manière que celui-ci assure, dans n'importe quelle circonstance, un sciage satisfaisant avec un bon état de surface. On augmente ainsi le rendement en permettant une vitesse de sciage plus importante. Une bonne pénétration d'abrasif entre le fil et la pièce à scier et non un essuyage de celui-ci, dépend de la pression avec laquelle l'abrasif est apporté.
Actuellement, tous les dispositifs d'apport utilisent la vitesse linéaire du fil pour la pénétration du mélange d'abrasif. Le dispositif de sciage selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'homogénéisation de la pression locale et de la quantité de barbotine abrasive à proximité de l'entrée des fils dans la pièce à scier.
Le dispositif de sciage, objet de la présente invention, selon la revendication 1 comprend donc, à proximité du bloc à scier, une pièce dont la forme, par les lois de l'hydrodynamique, augmente localement la pression de l'abrasif au droit de l'entrée du fil dans le matériau à scier. Cette pièce peut être statique ou en rotation. Elle peut être constituée par exemple par un cylindre entraîné par le fil et s'appuyant contre la pièce à scier. Lorsque cette surpression apparaît, les irrégularités d'apport sont aussitôt éliminées et les conditions de sciage se stabilisent. La qualité de sciage devient peu ou pas dépendante des moyens d'alimentation en abrasif.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple un dispositif de sciage en accord avec l'invention, ainsi que plusieures variantes.
La fig. 1 représente schématiquement le cas où les moyens d'homogénéisation sont constitués par un cylindre en rotation. Le cylindre 3 tourne en s'appuyant sur la pièce à découper 1 et sur le fil 2 animé d'une vitesse de translation. Une dépression apparaît aux points P1 et P3 qui est compensée par une surpression en P2. Le diagramme 4 illustre la distribution des pressions de la barbotine abrasive autour du cylindre;
la fig. 2 décrit des moyens d'homogénéisation fixes provoquant une augmentation de pression de la barbotine abrasive 5, de façon similaire à ce qui a été décrit en référence à la fig. 1.
Ces moyens sont constitués par une paroi fixe 6 disposée à proximité de la pièce à scier 1 et du fil;
la fig. 3 illustre en perspective un exemple d'application de la présente invention. Le cylindre 3 posé sur la nappe de fils 2 imprégnée du mélange abrasif est entraîné par celui-ci. Il est mis en rotation et est sustanté par le film d'abrasif. Il y a alors apparition d'une pression à l'entrée des fils dans la pièce à scier 1, ce qui stabilise le processus de sciage. De plus, le cylindre égalise les irrégularités locales de débit d'abrasif dues à un mauvais réglage du dispositif d'apport. Le mouvement vertical de la pièce à scier 1 est donné par la table 7;
la fig. 4 représente en élévation un dispositif de sciage comprenant des moyens d'homogénéisation statique.
Une paroi 6 disposée à proximité de la pièce à scier 1 provoque la surpression désirée et l'on constate les mêmes effets que pour le cas précédent. La paroi 6 peut faire partie des moyens d'alimentation en barbotine abrasive;
la fig. 5 est une coupe schématique d'un dispositif similaire à celui illustré à la fig. 3. Deux lingots 1 sont sciés simultanément avec des moyens d'homogénéisation constitués par un cylindre 3 posé devant chaque lingot, l'apport en barbotine abrasive 8 étant réalisé au-dessus de chaque cylindre.
Le fil de sciage est généralement constitué d'acier à ressort d'un diamètre compris entre 0,1 et 0,2 mm, ceci pour des blocs de silicium de 100 mm ou plus de cercle inscrit, coupés en tranches de 0,2 à 1 mm. Il est possible de produire entre 200 et 500 tranches à la fois dans un temps de 5 à 6 heures.
Le dispositif décrit dans la présente invention permet de mettre facilement côte à côte plusieurs blocs à scier. La productivité peut alors être doublée ou triplée.
L'abrasif est généralement constitué d'un mélange de liquide sustentateur et d'un solide abrasif. Plus particulièrement, ce mélange peut être constitué d'un milieu acqueux ou d'huile avec des carbures de silicium ou de bore, ou des oxydes d'alumine. Il peut y avoir en plus des agents tensioactifs tel que carboxyméthyl cellulose ou glycérine etc. Une pâte de diamant peut également être envisagée.
Les moyens d'homogénéisation, par exemple le cylindre 3 ou la paroi 6, peuvent être en métal, acier, aluminium ou autres, ou peuvent comprendre une surface résistant bien à l'usure par abrasion. Il peut alors s'agir de polyuréthane tel que "Adipren" (Dupont) ou "Vulcolan" (Bayer).
Ainsi, grâce à l'introduction des moyens d'homogénéisation, le sciage est rendu pratiquement indépendant de l'ajustement de l'apport d'abrasif et permet le sciage de plusieurs lingots simultanés placés côte à côte (fig. 5).
De fait il est possible, avec les moyens d'homogénéisation, d'éliminer pratiquement les défectuosités de découpes et d'accroitre les vitesses de sciage. De plus, l'efficacité de l'action abrasive étant optimale, le fil de sciage voit sa durée de vie augmentée.
Il est également possible, avec le dispositif de sciage, de découper des matériaux plus durs pour lesquels l'état de surface requis n'autorisait pas l'utilisation de telle machine auparavant.
Naturellement, d'autres types de dispositifs peuvent être envisagés dans le cadre de la présente invention. De fait, les moyens d'homogénéisation peuvent présenter d'autres formes toujours dans l'esprit de maintenir à proximité de l'entrée de la nappe de fils dans la pièce à scier, une surpression du mélange d'abrasif donnée hydrodynamiquement par les mouvements relatifs des moyens d'homogénéisation, du fil et du corps à scier, en présence du mélange d'abrasif.
Par exemple, il serait possible d'imaginer la rotation de la pièce à scier. On peut également envisager l'injection sous pression de la barbotine abrasive au droit de l'entrée du fil dans la pièce à scier ou dans un espace entre la pièce à scier et la paroi 6. Si la pièce à scier n'est pas cylindrique, les moyens d'homogénéisation peuvent être constitués par une plaque épousant le contour de la pièce à proximité de l'entrée de la nappe de fils dans la pièce à scier.
Lorsque les moyens d'homogénéisation sont constitués par un cylindre, celui-ci peut avoir une structure de surface dans le but d'augmenter le volume de barbotine autour du cylindre. Cette structure peut être constituée par des stries longitudinales ou circulaires ou, d'une façon générale, par des alvéoles dans la surface du cylindre.
Lorsque ces moyens sont constitués par une paroi 6, cette dernière peut avoir la forme d'un peigne traversé par la nappe de fils. Cette pièce en forme de peigne peut être obtenue par sciage du chant d'une plaque pleine au moyen de la nappe de fils en début de l'opération de sciage de la pièce 1.
Wire sawing device, comprising a sheet of wires, capable of moving in a continuous or reciprocating movement pressing against a workpiece thus defining a sawing zone, and means of supplying abrasive slip intended to provide a supply abrasive in the sawing area.
Sawing devices of the aforementioned type are already known, especially in the electronic components, ferrites, quartz and silica industry, for obtaining thin slices of materials such as silicon (poly or monocrystalline), or the new materials such as GaAs, InP, GGG or also quartz, synthetic sapphire, or even ceramic. The high price of these materials makes wire sawing more attractive compared to other techniques such as diamond disc sawing.
However, the wire sawing technique requires perfect control of the supply of abrasive to obtain quality cuts. It therefore depends on the way in which the abrasive is brought to the entry of the ply of wires into the workpiece.
Thus, among the known input devices, mention may be made of injection or spray nozzles, either under pressure or by natural gratuity, or even the immersion of the part or parts to be sawed. Unfortunately, a small change or variation in the abrasive supply can compromise the quality of the sawing, for example by affecting the surface finish. The adjustment of this distribution is all the more delicate the longer the useful sawing length is, which corresponds to the current trend which is sawing large pieces or several pieces simultaneously.
The object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks by providing a sawing device of the type mentioned above which does not require a delicate adjustment of the distribution of the abrasive mixture, in such a way that it ensures, in n no matter what, a satisfactory sawing with a good surface condition. This increases the yield by allowing a higher sawing speed. Good penetration of abrasive between the wire and the workpiece and not wiping thereof, depends on the pressure with which the abrasive is supplied.
Currently, all feeders use the linear speed of the wire for penetration of the abrasive mixture. The sawing device according to the invention is characterized in that it comprises means for homogenizing the local pressure and the quantity of abrasive slip near the entry of the wires into the workpiece.
The sawing device, object of the present invention, according to claim 1 therefore comprises, near the block to be sawn, a part whose shape, by the laws of hydrodynamics, locally increases the pressure of the abrasive at the right of the entry of the wire into the material to be sawn. This part can be static or rotating. It can be constituted for example by a cylinder driven by the wire and pressing against the workpiece. When this overpressure appears, the irregularities in the intake are immediately eliminated and the sawing conditions stabilize. The sawing quality becomes little or not dependent on the abrasive supply means.
The accompanying drawing illustrates schematically and by way of example a sawing device in accordance with the invention, as well as several variants.
Fig. 1 schematically represents the case where the homogenization means are constituted by a rotating cylinder. The cylinder 3 rotates by resting on the piece to be cut 1 and on the wire 2 driven by a translation speed. A depression appears at points P1 and P3 which is compensated by an overpressure in P2. Diagram 4 illustrates the distribution of the pressures of the abrasive slip around the cylinder;
fig. 2 describes fixed homogenization means causing an increase in pressure of the abrasive slip 5, similarly to what has been described with reference to FIG. 1.
These means consist of a fixed wall 6 arranged near the workpiece 1 and the wire;
fig. 3 illustrates in perspective an example of application of the present invention. The cylinder 3 placed on the layer of wires 2 impregnated with the abrasive mixture is driven by the latter. It is rotated and supported by the abrasive film. There is then the appearance of pressure at the entry of the wires into the workpiece 1, which stabilizes the sawing process. In addition, the cylinder equalizes local irregularities in abrasive flow due to improper adjustment of the supply device. The vertical movement of the workpiece 1 is given by the table 7;
fig. 4 shows in elevation a sawing device comprising means for static homogenization.
A wall 6 arranged near the workpiece 1 causes the desired overpressure and there are the same effects as in the previous case. The wall 6 can be part of the means for supplying abrasive slip;
fig. 5 is a schematic section of a device similar to that illustrated in FIG. 3. Two ingots 1 are sawn simultaneously with homogenization means constituted by a cylinder 3 placed in front of each ingot, the supply of abrasive slip 8 being produced above each cylinder.
The saw wire is generally made of spring steel with a diameter between 0.1 and 0.2 mm, this for silicon blocks of 100 mm or more of inscribed circle, cut into slices of 0.2 to 1 mm. It is possible to produce between 200 and 500 slices at a time in a time of 5 to 6 hours.
The device described in the present invention allows several blocks to be sawed to be placed side by side. Productivity can then be doubled or tripled.
The abrasive generally consists of a mixture of lifting liquid and an abrasive solid. More particularly, this mixture can consist of an aqueous medium or of oil with silicon or boron carbides, or alumina oxides. There may also be surfactants such as carboxymethyl cellulose or glycerin, etc. Diamond paste can also be considered.
The homogenization means, for example the cylinder 3 or the wall 6, may be made of metal, steel, aluminum or the like, or may comprise a surface which is resistant to abrasion wear. It can then be polyurethane such as "Adipren" (Dupont) or "Vulcolan" (Bayer).
Thus, thanks to the introduction of homogenization means, the sawing is made practically independent of the adjustment of the abrasive supply and allows the sawing of several simultaneous ingots placed side by side (fig. 5).
In fact it is possible, with the means of homogenization, to practically eliminate the cutting defects and to increase the sawing speeds. In addition, the effectiveness of the abrasive action being optimal, the saw wire sees its life increased.
It is also possible, with the sawing device, to cut harder materials for which the required surface condition did not allow the use of such a machine before.
Naturally, other types of device can be envisaged in the context of the present invention. In fact, the homogenization means can have other forms, always in the spirit of maintaining, near the entry of the sheet of wires into the workpiece, an overpressure of the abrasive mixture given hydrodynamically by the movements. relative homogenization means, the wire and the body to be sawn, in the presence of the abrasive mixture.
For example, it would be possible to imagine the rotation of the workpiece. It is also possible to envisage the injection under pressure of the abrasive slip in line with the entry of the wire into the workpiece to be cut or into a space between the workpiece to be cut and the wall 6. If the workpiece is not cylindrical , the homogenization means can be constituted by a plate conforming to the contour of the part near the entry of the ply of wires into the part to be sawn.
When the homogenization means consist of a cylinder, this can have a surface structure in order to increase the volume of slip around the cylinder. This structure can be formed by longitudinal or circular grooves or, in general, by cells in the surface of the cylinder.
When these means are constituted by a wall 6, the latter may have the shape of a comb through which the sheet of wires passes. This comb-shaped part can be obtained by sawing the edge of a solid plate by means of the ply of wires at the start of the sawing operation of part 1.