La présente invention concerne un dispositif de sciage d'une pièce en un matériau dur et/ou fragile par déplacement relatif de cette pièce et d'une nappe formée de fils métalliques parallèles, cette nappe étant montée déplaçable linéairement en un mouvement continu ou alternatif entre au moins deux cylindres guide-fils dont l'un est entraîné en rotation. Ces cylindres guide-fils sont gravés avec des gorges définissant ainsi l'intervalle entre les fils de la nappe, et par là l'épaisseur des tranches à scier dans ladite pièce. Un tel dispositif est utilisable par exemple pour le sciage de fines tranches de silicium pur destinées à servir de supports pour des composants électroniques.
On sait que lors de la rotation d'un élément mécanique, la température de travail dudit élément peut ne pas être constante, mais varier au cours du temps suivant le travail demandé et en raison de frottements et de chaleur générés dans les paliers ou les pièces environnantes. Si la position de cet élément est critique vis-à-vis du travail demandé, non seulement la température propre de l'élément sera importante, mais les variations de l'entourage joueront également un rôle sur sa position spatiale. Ces variations de température provoquent donc des dilatations thermiques, qui, dans certains cas, peuvent influencer le résultat des opérations à effectuer. Il s'avère alors nécessaire de compenser cette dilatation par un contrôle de la position réalisé par un système de compensation ou de minimiser l'effet de la température sur cette position.
Toutefois, en raison de la complexité du système environnant, un strict contrôle de la température de l'élément critique peut ne pas être suffisant et un contrôle de la position de l'élément s'avèrer alors nécessaire. Ce type de contrôle est d'autant plus nécessaire que la précision du positionnement souhaitée est grande ou que la dimension de l'élément est importante. Toutefois, sa mise en Öuvre est complexe et n'est pas toujours d'une utilisation pratique.
Des dispositifs de contrôle de température sont déjà connus spécialement dans l'usinage de pièces de haute précision ou de positionnement en robotique où l'on utilise soit une douche, soit une circulation interne. Toutefois, ceux-ci font appel à des systèmes de refroidissements basés sur un contrôle de la température du fluide ou de l'environnement qui ne requiert une stabilité que durant une période relativement courte. Or, le sciage de tranches fines peut durer plusieurs heures voire plusieurs jours suivant la dureté du matériau. Des dispositifs de sciage par fil 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 GaAs, InP, GGG ou également quartz, saphir synthétique, voire 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.
La précision des pièces à scier, très importante pour des applications électroniques, dépend de la position des fils au cours du sciage, ainsi que des éléments de support de la pièce à scier, donc de la position des cylindres guide-fils par rapport à la pièce à scier. Cette position sera fonction de la température des cylindres guide-fils et de leur environnement, ainsi que celle des éléments de support du lingot, à savoir la table, les moyens d'entraînement, etc.
Cette technique de sciage requiert donc un contrôle parfait de la position des cylindres guide-fils par rapport à la pièce à scier et réciproquement. En effet, un mouvement même lent résultera en ondulations ou voilage de la surface des tranches sciées.
Les exigences des applications en électronique, par exemples liées aux dimensions grandissantes des lingots, nécessitent que même de petites variations doivent être évitées. Il ne suffira donc plus de contrôler seulement la température d'un éventuel liquide de refroidissement, mais en plus de minimiser l'effet de la température sur le positionnement de la pièce à scier. De plus, les roulements supportant les guide-fils fortement chargés génèrent de la chaleur qui, additionnée à l'énergie produite au cours du sciage en diffusant dans les parties avoisinantes, contribue à l'imprécision de la découpe. Il faudra donc, pour minimiser cet effet, utiliser pour la fabrication des éléments importants du processus de sciage, des matériaux aussi peu sensibles que possible aux écarts de température pratiquement inévitables.
Le but de la présente invention visant à remédier aux inconvénients précités des dispositifs connus est de fournir un tel dispositif qui soit à même d'accepter des variations de température sans que celles-ci ne puissent affecter la précision du sciage et la qualité des pièces sciées.
Dans le dispositif de sciage selon l'invention, qui vise à atteindre le but précité, au moins les cylindres guide-fils sont réalisés en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à 5.10<-><6> DEG K<-><1>.
Pour que le dispositif de sciage présente une insensibilité encore plus grande aux écarts de température qui ne peuvent être corrigés par un dispositif complémentaire de contrôle de la température (par exemple, un système de refroidissement des cylindres et de leurs paliers de roulements), d'autres organes du dispositif de sciage selon l'invention peuvent être réalisés partiellement ou totalement en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à 5.10<-><6> DEG K<-><1>. Il s'agit plus particulièrement des pièces mécaniques formant l'ensemble de la zone de sciage, et notamment les boîtes à roulement supportant les parties fixes des cylindres guide-fils, le support de glissière de la table portant la pièce à scier, etc.
Comme matériau ayant un faible coefficient de dilatation, on peut choisir par exemple un alliage métallique à haute teneur en nickel, par exemple de l'Invar< TM > (environ 36% Ni et 64% Fe), dont le coefficient de dilatation est de l'ordre de 1.10<-><6>.
L'invention sera maintenant décrite plus en détails en référence aux dessins annexés.
La fig. 1 illustre schématiquement et en perspective le principe du dispositif de sciage selon l'invention.
La fig. 2 est une vue de côté partiellement en coupe d'une forme d'exécution du dispositif selon l'invention.
La fig. 3 est une vue en coupe d'un cylindre guidefils muni d'un système de refroidissement.
En référence tout d'abord au schéma de la fig. 1, le dispositif de sciage comporte une nappe de fils métalliques 1 montée déplaçable linéairement selon la flèche A entre deux cylindres guide-fils 2,2', l'un d'eux ou un autre cylindre (non montré), étant entraîné en rotation pour faire avancer la nappe de fils 1. La pièce à scier 3 est supportée par une table mobile 4, celle-ci pouvant être déplacée perpendiculairement à la nappe 1 selon les flèches B, de telle sorte que ladite pièce 3 soit découpée par les fils de la nappe 1. Au moins les cylindres guidefils 2,2 min sont réalisés en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation, par exemple en Invar< TM >; la table-support 4 peut être avantageusement réalisée en un tel matériau, de même que ses moyens d'avance.
La fig. 2, illustrant un tel dispositif un peu plus en détails, montre que tant la table-support 4 que les cylindres guide-fils 2,2 min , de même que le ou les cylindre(s) guide-fils 2 min min (non montré(s) sur la fig. 1), peuvent être montés sur un bâti 5. Les cylindres guide-fils 2, 2 min , 2 min min sont de préférence montés sur le bâti 5 par l'entremise de paliers fixes 6, 7. Pour obtenir une indépendance optimale par rapport aux écarts de température, les paliers fixes 6, 7, ainsi que le bâti 5 ou du moins certaines parties de celui-ci, peuvent être réalisés en un matériau ayant un faible coefficient de dilatation du type Invar.
Comme représenté sur la fig. 3, chaque cylindre guide-fils 2 peut être en outre muni d'un dispositif de contrôle interne de la température, par exemple constitué d'un circuit de refroidissement comportant une entrée de fluide 8 circulant dans un orifice axial 9 pratiqué dans le cylindre.
Le fil de sciage formant la nappe de fils entre les cylindres guide-fils est de préférence constituée d'acier à ressort d'un diamètre compris entre 0,1 et 0,2 mm, afin de scier des blocs de matériaux durs (tels que silicium, céramique, composés III-V, GGG, saphir, etc) en tranches de 0,1 à 5 mm d'épaisseur environ.
Le dispositif selon l'invention permet ainsi grâce à l'utilisation dans sa réalisation de matériaux à faible coefficient de dilatation pour la fabrication des pièces mécaniques qui positionnent le lingot à scier par rapport à la nappe de fils avec une très grande précision, sans qu'un contrôle sophistiqué de température ou de positionnement soit nécessaire.
Bien entendu, d'autres types de matériaux que ceux mentionnés à titre d'exemple peuvent être envisagés qui par leur coefficient de dilatation donnent des résultats similaires. Quant à la régulation de température elle-même, une circulation d'un fluide maintenu à une température constante peut suffire; suivant les cas, si la zone de sciage a une température constante ou qui varie peu au cours du temps, une régulation externe peut ne pas s'avérer nécessaire.
The present invention relates to a device for sawing a part made of a hard and / or brittle material by relative displacement of this part and of a ply formed of parallel metal wires, this ply being mounted linearly movable in a continuous or reciprocating movement between at least two wire guide cylinders, one of which is rotated. These wire guide cylinders are engraved with grooves thus defining the interval between the wires of the sheet, and thereby the thickness of the slices to be sawed in said piece. Such a device can be used for example for sawing thin slices of pure silicon intended to serve as supports for electronic components.
We know that during the rotation of a mechanical element, the working temperature of said element may not be constant, but vary over time depending on the work required and due to friction and heat generated in the bearings or parts surrounding. If the position of this element is critical vis-à-vis the work required, not only the natural temperature of the element will be important, but the variations of the surroundings will also play a role on its spatial position. These temperature variations therefore cause thermal expansions, which, in certain cases, can influence the result of the operations to be carried out. It then becomes necessary to compensate for this expansion by controlling the position carried out by a compensation system or to minimize the effect of temperature on this position.
However, due to the complexity of the surrounding system, strict control of the temperature of the critical element may not be sufficient and control of the position of the element may then be necessary. This type of control is all the more necessary as the precision of the desired positioning is great or as the dimension of the element is important. However, its implementation is complex and is not always practical.
Temperature control devices are already known especially in the machining of high precision parts or positioning in robotics where either a shower or an internal circulation is used. However, these use cooling systems based on a control of the temperature of the fluid or of the environment which requires stability only for a relatively short period. However, sawing thin slices can last several hours or even days depending on the hardness of the material. Wire 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 GaAs, InP, GGG or also quartz, synthetic sapphire, even ceramic.
The high price of these materials makes wire sawing more attractive compared to other techniques such as diamond disc sawing.
The precision of the workpieces, which is very important for electronic applications, depends on the position of the wires during sawing, as well as on the support elements of the workpiece, therefore on the position of the wire guide cylinders relative to the workpiece. This position will depend on the temperature of the wire guide cylinders and their environment, as well as that of the ingot support elements, namely the table, the drive means, etc.
This sawing technique therefore requires perfect control of the position of the wire guide cylinders relative to the workpiece and vice versa. Indeed, even a slow movement will result in ripples or warping of the surface of the sawn edges.
The requirements of electronic applications, for example linked to the increasing dimensions of ingots, require that even small variations must be avoided. It will therefore no longer be sufficient to control only the temperature of any coolant, but in addition to minimize the effect of the temperature on the positioning of the workpiece. In addition, the bearings supporting the heavily loaded wire guides generate heat which, added to the energy produced during sawing by diffusing into the neighboring parts, contributes to the imprecision of the cut. To minimize this effect, it will therefore be necessary to use, for the manufacture of important elements of the sawing process, materials as insensitive as possible to practically inevitable temperature variations.
The object of the present invention to overcome the aforementioned drawbacks of known devices is to provide such a device which is able to accept temperature variations without these affecting the precision of sawing and the quality of the sawn parts. .
In the sawing device according to the invention, which aims to achieve the above object, at least the wire guide cylinders are made of a material having a coefficient of expansion less than 5.10 <-> <6> DEG K <-> < 1>.
In order for the sawing device to be even more insensitive to temperature variations which cannot be corrected by an additional temperature control device (for example, a system for cooling the cylinders and their rolling bearings), other members of the sawing device according to the invention can be made partially or completely from a material having a coefficient of expansion less than 5.10 <-> <6> DEG K <-> <1>. These are more particularly the mechanical parts forming the entire sawing zone, and in particular the rolling boxes supporting the fixed parts of the wire guide cylinders, the slide support of the table carrying the part to be sawn, etc.
As a material having a low coefficient of expansion, it is possible to choose, for example, a metal alloy with a high nickel content, for example Invar <TM> (approximately 36% Ni and 64% Fe), the coefficient of expansion of which is the order of 1.10 <-> <6>.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 illustrates schematically and in perspective the principle of the sawing device according to the invention.
Fig. 2 is a side view partially in section of an embodiment of the device according to the invention.
Fig. 3 is a sectional view of a thread guide cylinder provided with a cooling system.
First of all with reference to the diagram in FIG. 1, the sawing device comprises a sheet of metal wires 1 mounted linearly displaceable according to arrow A between two wire guide cylinders 2,2 ′, one of them or another cylinder (not shown), being driven in rotation to advance the ply of wires 1. The piece to be sawed 3 is supported by a movable table 4, which can be moved perpendicularly to the ply 1 according to the arrows B, so that said piece 3 is cut by the wires of the ply 1. At least the thread guide cylinders 2.2 min are made of a material having a low coefficient of expansion, for example of Invar <TM>; the support table 4 can advantageously be made of such a material, as well as its advance means.
Fig. 2, illustrating such a device in a little more detail, shows that both the support table 4 and the wire guide cylinders 2.2 min, as well as the wire guide cylinder (s) 2 min min (not shown (s) in fig. 1), can be mounted on a frame 5. The wire guide cylinders 2, 2 min, 2 min min are preferably mounted on the frame 5 by means of fixed bearings 6, 7. To obtain optimum independence from temperature differences, the fixed bearings 6, 7, as well as the frame 5 or at least some parts of it, can be made of a material having a low coefficient of expansion of the Invar type.
As shown in fig. 3, each wire guide cylinder 2 can also be provided with an internal temperature control device, for example consisting of a cooling circuit comprising a fluid inlet 8 circulating in an axial orifice 9 formed in the cylinder.
The saw wire forming the sheet of wires between the wire guide cylinders is preferably made of spring steel with a diameter between 0.1 and 0.2 mm, in order to saw blocks of hard materials (such as silicon, ceramic, III-V compounds, GGG, sapphire, etc.) in slices approximately 0.1 to 5 mm thick.
The device according to the invention thus allows, thanks to the use in its production of materials with a low coefficient of expansion for the manufacture of mechanical parts which position the ingot to be sawed with respect to the ply of wires with very high precision, without '' sophisticated temperature or positioning control is required.
Of course, other types of material than those mentioned by way of example can be envisaged which, by their coefficient of expansion, give similar results. As for the temperature regulation itself, a circulation of a fluid maintained at a constant temperature may suffice; depending on the case, if the sawing area has a constant temperature or one that varies little over time, external regulation may not be necessary.