La présente invention concerne un dispositif de sciage d'une pièce en matériau dur ou fragile qui comprend une nappe de fils susceptible de se déplacer selon un mouvement continu ou alternatif en appui contre une pièce à scier définissant ainsi une zone de sciage étant constituée d'un ensemble de cylindres placés parallèlement.
Ces cylindres, appelés guide-fils, sont gravés avec des gorges définissant l'intervalle entre les fils de la nappe, soit l'épaisseur des pièces à scier.
Le fil est soit recouvert d'un abrasif fixe ou soit alimenté de manière continue avec un abrasif libre généralement en suspension dans un liquide. Le fil sert donc de transporteur aux particules d'abrasif qui, elles, effectuent le travail de sciage.
On superpose au mouvement alternatif un déplacement lent continu ou par à coups servant au renouvellement du fil afin d'éviter que le fil ne s'use jusqu'à rupture. Dans le cas d'un mouvement continu, ce renouvellement se fait de manière naturelle.
L'abrasif entraîné par le fil va s'user le long du chemin de sciage et donc modifier la largeur du trait de scie. Cette usure va, en conséquence, entraîner une variation de l'épaisseur des tranches. Les résultats de sciage ainsi que les tolérances obtenues seront dépendantes de la pénétration de l'abrasif entre le fil et la pièce à scier ainsi que de son usure le long du chemin de sciage. Cette usure de l'abrasif va dépendre du type d'abrasif et de la longueur sciée ou engagée. Elle dépendra également de la quantité de matière enlevée par unité de longueur.
Lors de la découpe de pièces de forme non rectangulaire ou carrée, la longueur sciée par la nappe de fils ou longueur engagée varie en fonction de la profondeur de sciage. L'usure de l'abrasif va donc varier en fonction de la hauteur sciée induisant dans la forme de la pièce une variation d'épaisseur qui est fonction de la hauteur. Cette variation d'épaisseur peut être suffisamment importante pour que les tolérances données par l'utilisateur soient dépassées.
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 le silicium poly- ou monocristallin ou les nouveaux 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 du fil au cours du sciage ainsi que de l'usure de l'abrasif. Cette usure, si elle n'est pas contrôlée, peut mettre en cause la totalité du procédé. Cette technique de sciage requiert donc un contrôle permettant de minimiser l'influence de cette usure en cours de sciage. En effet, une variation même faible résultera en des tranches ayant une forme de lentille convexe ou concave dépendant de la variation de la section de la pièce à scier.
Les exigences des applications en électronique, par exemples liées aux dimensions grandissantes des pièces à scier, nécessitent que même les plus petites variations doivent être évitées. Il ne suffira donc plus d'alimenter en abrasif de manière constante mais de contrôler son apport le long du chemin de sciage par de l'abrasif neuf afin de minimiser l'effet de son usure. Pour ce faire, Il faudra induire un mouvement de retour de la table afin de dégager le fil de la surface en cours de sciage. Ce dégagement de petite amplitude permettra à de l'abrasif neuf de pénétrer plus profondément à l'intérieur de la pièce à scier. Le mouvement relatif de la pièce à scier par rapport à la nappe de fils sera un mouvement d'avance avec en superposition un mouvement d'aller-et-retour.
La fréquence de ce mouvement ainsi que son amplitude sont déterminés par la longueur en cours de sciage et seront donc une fonction de la forme de la pièce à scier. Cette manière de faire a en plus l'avantage d'avoir un effet de débourage du fil améliorant ainsi son efficacité de sciage.
Le but de l'invention consiste à remédier aux inconvénients précités en permettant au dispositif de sciage de varier le taux de renouvellement de l'abrasif le long du chemin de sciage par un mouvement de retrait relatif de la pièce à scier par rapport à la nappe de fils. Pour réaliser cette fonction, on pourra le faire soit de manière électronique à partir d'une commande numérique en introduisant dans celle-ci les équations de la fonction de la forme de la pièce à scier, soit le réaliser avec un système de copiage ayant pour modèle une forme identique à la pièce à scier. Cette fonction agira, soit sur le déplacement de la table-support de la pièce à scier si le mouvement d'avance est généré par celle-ci, soit sur le déplacement de la nappe de fils si le mouvement d'avance est généré par celle-ci.
Dans le cas où la longueur engagée est faible, la fréquence et l'amplitude de retour de la pièce à scier par rapport au fil sera faible alors que dans le cas de grandes longueurs engagées, la vitesse ou le taux de renouvellement sera important. Cette manière de procéder permet de compenser l'effet de l'usure de l'abrasif sur la géométrie des pièces à scier puisque le contrôle de la pénétration de l'abrasif va minimiser son usure.
Le dispositif de sciage avec contrôle de l'usure de l'abrasif par la superposition d'un mouvement alternatif au mouvement d'avance, objet de la présente invention, comprend donc un ensemble permettant de faire varier au cours du sciage la profondeur de pénétration de l'abrasif en fonction de la hauteur sciée et de la forme de la pièces à scier. Cet ensemble peut être de nature électronique effectuant des calculs numériques pour déterminer en chaque point les valeurs de la fréquence et de l'amplitude du mouvement alternatif relatif entre la table-support de la pièces à scier et la nappe de fil, ou de nature mécanique effectuant la même fonction. L'utilisation de ce type de dispositif permet de réaliser des pièces de précision accrue.
Les dessins annexés illustrent schématiquement et à titre d'exemple le dispositif en accord avec l'invention.
La fig. 1 illustre en perspective le principe d'application de la présente invention. La table-support 3 met en appui la pièce à scier 1 contre la nappe de fils 2 supportée par les cylindres guide-fils 8. La longueur engagée 4 varie avec la hauteur sciée 5.
La fig. 2 représente schématiquement le principe du procédé. La nappe de fils 2 lors d'un sciage en continu en appui sur toute la longueur 4 ainsi que sa position lors du mouvement alternatif montre que l'espace libéré 6 laisse pénétrer l'abrasif plus profondément avec une longueur à scier plus courte 7.
Le fil de sciage formant la nappe de fil entre les cylindres guide-fils est constituée d'acier à ressort d'un diamètre compris entre 0,1 et 0,2 mm afin de scier des blocs de matériaux durs ou exotiques (tels que silicium, céramique, composés III-V, GGG, saphir, etc.) en tranches de 0,1 à 5 mm d'épaisseur environ.
Le dispositif permet, par l'utilisation d'un système de contrôle de l'usure de l'abrasif tel que décrit, de réaliser des pièces dont les variations d'épaisseur sont réduites de manière importante. Par exemple un gain de 10 mu m peut facilement être réalisé.
Naturellement d'autres types d'ensemble peuvent être réalisé pour atteindre le même but notamment le mouvement alternatif ainsi que sa fréquence pourraient être asservis à un système de mesure direct de l'usure de l'abrasif, par exemple par un système optique détectant l'épaisseur des tranches à la sortie du fil ou une mesure mécanique.
The present invention relates to a device for sawing a piece of hard or fragile material which comprises a sheet of wires capable of moving in a continuous or reciprocating movement in abutment against a piece to be sawed, thus defining a sawing zone consisting of a set of cylinders placed in parallel.
These cylinders, called wire guides, are engraved with grooves defining the interval between the wires of the ply, ie the thickness of the parts to be sawn.
The wire is either covered with a fixed abrasive or is fed continuously with a free abrasive generally suspended in a liquid. The wire therefore serves as a carrier for the abrasive particles which, themselves, perform the sawing work.
Superimposed on the reciprocating movement is a continuous slow or jerky movement used to renew the wire in order to prevent the wire from wearing out until it breaks. In the case of a continuous movement, this renewal takes place naturally.
The abrasive entrained by the wire will wear along the sawing path and therefore modify the width of the saw cut. This wear will, consequently, cause a variation in the thickness of the wafers. The sawing results as well as the tolerances obtained will depend on the penetration of the abrasive between the wire and the workpiece as well as on its wear along the sawing path. This wear of the abrasive will depend on the type of abrasive and the sawn or engaged length. It will also depend on the amount of material removed per unit of length.
When cutting pieces of non-rectangular or square shape, the length sawn by the ply of wires or engaged length varies depending on the sawing depth. The wear of the abrasive will therefore vary according to the sawn height inducing in the shape of the part a variation in thickness which is a function of the height. This variation in thickness may be large enough for the tolerances given by the user to be exceeded.
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 poly- or monocrystalline silicon or the new 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 wire during sawing as well as on the wear of the abrasive. This wear, if it is not controlled, can jeopardize the entire process. This sawing technique therefore requires control making it possible to minimize the influence of this wear during sawing. Indeed, even a small variation will result in slices having a convex or concave lens shape depending on the variation of the section of the workpiece.
The requirements of electronic applications, for example linked to the increasing dimensions of the workpieces, require that even the smallest variations must be avoided. It will therefore no longer be sufficient to constantly supply the abrasive but to control its supply along the sawing path with new abrasive in order to minimize the effect of its wear. To do this, it will be necessary to induce a return movement of the table in order to free the wire from the surface being sawed. This small amplitude clearance will allow new abrasive to penetrate deeper inside the workpiece. The relative movement of the workpiece in relation to the wire web will be a forward movement with a back and forth movement.
The frequency of this movement and its amplitude are determined by the length being sawed and will therefore be a function of the shape of the workpiece. This way of doing things has the additional advantage of having a wire stripping effect, thereby improving its sawing efficiency.
The object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks by allowing the sawing device to vary the rate of renewal of the abrasive along the sawing path by a movement of relative withdrawal of the part to be sawn with respect to the web. of sons. To achieve this function, it can be done either electronically from a digital control by introducing into it the equations of the function of the shape of the workpiece, or achieve it with a copying system having for model a shape identical to the workpiece. This function will act either on the movement of the table supporting the workpiece if the advance movement is generated by it, or on the movement of the wire table if the advance movement is generated by this -this.
In the case where the engaged length is small, the frequency and the amplitude of return of the part to be sawn with respect to the wire will be low whereas in the case of long engaged lengths, the speed or the rate of renewal will be important. This procedure compensates for the effect of abrasive wear on the geometry of the workpieces since controlling the penetration of the abrasive will minimize wear.
The sawing device with abrasive wear control by superimposing an alternating movement on the advancing movement, object of the present invention, therefore comprises an assembly making it possible to vary the depth of penetration during sawing. abrasive depending on the sawn height and the shape of the workpiece. This assembly can be of electronic nature carrying out numerical calculations to determine at each point the values of the frequency and the amplitude of the relative reciprocating movement between the support table of the workpiece to be sawn and the wire web, or of mechanical nature performing the same function. The use of this type of device makes it possible to produce parts of increased precision.
The accompanying drawings illustrate schematically and by way of example the device in accordance with the invention.
Fig. 1 illustrates in perspective the principle of application of the present invention. The support table 3 places the workpiece 1 against the wire ply 2 supported by the wire guide cylinders 8. The engaged length 4 varies with the sawn height 5.
Fig. 2 schematically represents the principle of the method. The ply of threads 2 during a continuous sawing pressing over the entire length 4 as well as its position during the reciprocating movement shows that the freed space 6 lets the abrasive penetrate more deeply with a shorter length to be sawed 7.
The saw wire forming the wire ply between the wire guide cylinders is made of spring steel with a diameter between 0.1 and 0.2 mm in order to saw blocks of hard or exotic materials (such as silicon , ceramic, III-V compounds, GGG, sapphire, etc.) in slices approximately 0.1 to 5 mm thick.
The device makes it possible, by the use of a system for controlling the wear of the abrasive as described, to produce parts whose thickness variations are reduced significantly. For example, a gain of 10 μm can easily be achieved.
Naturally, other types of assembly can be produced to achieve the same goal, in particular the reciprocating movement and its frequency could be controlled by a system for direct measurement of the wear of the abrasive, for example by an optical system detecting the thickness of the slices at the exit of the wire or a mechanical measurement.