CN102729350B - 用在切割晶片的开方机上的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用在切割晶片的开方机上的冷却系统，其包括供水水源、将水喷洒到待冷却区域的喷洒单元、在所述供水水源和所述喷洒单元之间的进水连接管、将从所述待冷却区域流下的废水收集在一起的收集单元、将废水排出的水道，以及在所述收集单元与所述水道之间的排水连接管，其中，水依次经过所述供水水源、进水连接管、喷洒单元、收集单元并从所述水道排出。应用本发明的冷却系统能在大大地提高切割效率和产能并降低成本、减少操作工劳动力并提高设备的运行率。

Description

用在切割晶片的开方机上的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于切割晶片的开方机，特别地，涉及用在切割晶片的开方机上的冷却系统。

背景技术

金刚石线多线开方机切割技术是世界上比较先进的小方锭的加工技术，它的原理是通过一根高速运动的金刚石线(钻石线)对半导体等硬脆材料进行摩擦高速切割，从而达到切割效果。在整个切割过程中，金刚石线通过很多导线轮的引导，将金刚石线均匀的绕在绕线筒上，通过导向轮、切割主轴等走线机构形成可以往返的走线系统，在主轴上形成一张线切割网，而待加工半导体等硬脆材料放在切割台上锁紧，切割头通过传动机构实现进给切割，可将半导体等硬脆材料一次同时切割为几十块小方锭，金刚石线多线切割技术与传统砂浆多线切割技术相比具有效率高，产能高等优点，金刚石线开方多线切割技术是目前世界上采用最广泛的半导体等硬脆材料切割技术。

传统的金刚石线多线开方机通常至少包括机架、托盘装置、切割头给进装置、驱动装置、多个导线轮以及缠绕于所述导线轮上的金刚石线、冷却系统。参见示意图1，传统金刚石线多线开方机的冷却系统是将底座的冷却液容纳腔A中的冷却液通过泵B抽出经过过滤罐C过滤后再经过管道流到喷洒装置D对待冷却区域进行冷却，然后冷却液再流回到冷却液容纳腔A中，换言之，这是一种闭环(循环)冷却模式，因此在切割时所产生的大量硬脆材料粉末例如硅粉会混合在冷却液中。虽然过滤罐中具有过滤袋，但其过滤功能不可能很强，因为如果过滤功能太强就使得冷却液的流动大大地受阻而无法工作，故过滤袋在实际使用中的作用很小。这样，切割过程中硅粉会随冷却液经泵一起打出再次喷洒在硅碇上并一起回流到冷却液容纳腔中，在此过程中，硅粉会粘附到金刚石线及设备驱动轮上。硅粉的大量粘附变硬，使得设备驱动轮不能正常工作，导致开方机异常断线、成本的升高及合格率的降低，实为不容忽视的一大问题。

更具体地说，当应用这种循环冷却系统时，其冷却液是工业用水和切削液的混合液，且该混合液在冷却液容纳腔、过滤罐和管道之间数次地循环，即冷却液被循环地使用，故在实际应用中冷却液中充斥了大量的硅屑。这些硅屑很容易就将管道阻塞，这样，就必须花费人力对管道进行清洁。另外，飞溅到切割主轴上的硅屑动辄就使其不能运转，最严重的在于对金刚石线的耗损。当硅粉非常严重地干涉到金刚石线的运动时，金刚石线就很容易断开而需要重新布线，而熟悉本领域的技术人员应当知道若重新布线则对金刚石线基本上就会有300-500m的耗损，即使以当前的金刚石线的市场价格2.5元/米来计算的话，由于经常断线而导致的耗损成本也是相当庞大的数目。另外，实际上，以这种冷却系统进行循环式利用，冷却液基本上用3次后就需要再次更换，现有技术中使用的混合液是由水和切削液按照一定比例(98：2)混合而成的，实际使用中，切割完一块硅锭(850×850×275mm³)至少需要3.86公斤的型号为GREATOP^R的ALPHACOOLGP-1切削液或约2.3公斤的型号为MB^R的TP718切削液，分别以当前的市场价大约在37元/公斤、60元/公斤来计算也相当昂贵。

因此，提供一种新的冷却系统，以避免以上所述的缺点，实为相关领域业者目前迫切需要解决的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种用在切割晶片的开方机上的冷却系统，其包括供水水源、将水喷洒到待冷却区域的喷洒单元、在所述供水水源和所述喷洒单元之间的进水连接管、将从所述待冷却区域流下的废水收集在一起的收集单元、将废水排出的水道，以及在所述收集单元与所述水道之间的排水连接管，其中，水依次经过所述供水水源、进水连接管、喷洒单元、收集单元并从所述水道排出。

这种新的应用于切割晶片的开方机上的冷却系统，将常规的循环式冷却系统(即闭环式冷却系统)改为开环式冷却系统，即水依次通过供水水源、进水连接管、喷洒单元、收集单元、排水连接管和水道而最终排出该开方机从而完成对待冷却区域的冷却过程。

由于采用了开环式冷却系统，本发明的冷却系统不再需要冷却液容纳腔，冷却液可以经过进水连接管和喷洒单元喷洒在待切割硬脆材料上，废液再通过收集单元和排水连接管直接排放到下水道中。在该过程中，切割时产生的大量的硬脆材料粉末例如硅粉将直接随水从管道中冲走，而不会粘附到金刚石线及设备驱动轮上。

较优地，所述晶片为硅、锗、石英、石英玻璃或陶瓷其中之一者，所述的开方机为金刚石线多线开方机。

可选择地，所述供水水源为自来水供水水源或工业用水供水水源。

较优地所述喷洒单元设置于所述待冷却区域的上方周边和/或上方中央。

更优地，设置于所述冷却区域上方周边的喷洒单元为周边喷洒单元，所述周边喷洒单元包括喷管管路和喷嘴，其中，所述喷管管路是由四根喷管构成的方形喷管，且在所述方形喷管管路上间隔地设有多个喷嘴。

更优地，所述方形喷管的四个角部分别具有进水孔，所述进水连接管具有相应于所述进水孔的两条支路，其中所述两条支路的每一路连接三通管的一个孔，所述三通管的另外两个孔分别与所述进水孔相连通。

较优地，设置于所述冷却区域上方中央的喷洒单元为中央喷洒单元，所述中央喷洒单元为花洒式结构。

更优地，所述中央喷洒单元的两端具有两个进水孔，所述进水连接管具有相应于所述进水孔的两条支路，其中每一支路与所述进水孔的每一个相连通。

较优地，所述进水连接管上还设置有流量计。

较优地，所述水的流量为500-6000L/h，优选500-1200L/h。

较优地，所述进水连接管上还设置有流量调节开关，其为自动或手动调节。

较优地，所述进水连接管上还设置有压力表。

较优地，所述冷却系统还包括用于控制水的物理参数的控制单元，所述物理参数至少包括流量和压力其中之一者。

通过利用本发明的冷却系统，金刚石线开方机切割得到的硬脆材料例如硅棒的合格率能达到98％以上。

如上所述，由于本发明的冷却系统采用开环式冷却模式，因此省却了冷却液容纳腔等构件，并且由于本发明的冷却系统中使用廉价工业用水，故大大降低了成本；另外，金刚石线出现断线的几率变得非常低，且切割主轴不会由于被喷溅的硅粉而卡死停转。因此本发明金刚石线开方机可以大大提高了切割效率和产能、提高设备的运行率。

附图说明

图1是现有技术中开方机的冷却系统的示意图；

图2是本发明开方机的冷却系统的示意图；

图3是本发明开方机的冷却系统的正视平面图，其中移除了与冷却系统无关的构件；

图4是本发明开方机的冷却系统的喷洒单元的分解图；

图5是本发明开方机的冷却系统中的喷管管路和喷嘴的剖面图。

具体实施方式

参见图2和图3，本发明的冷却系统是用于切割硬脆材料1的金刚石线开方机上的，这种开方机一般均包括机架2、设置于机架上用于承载硬脆材料1的托盘装置3、设置于机架上用于切割硬脆材料的切割头给进装置、用于驱动切割头给进装置的驱动装置、多个导线轮以及缠绕于导线轮上的金刚石线、冷却液供应系统、与冷却液供应系统连接的喷洒头。

图2为本发明的冷却系统的示意图，其中该冷却系统10包括以下构件，包括供水水源11、喷洒单元12、进水连接管13、收集单元14和水道15以及排水连接管16。其中，供水水源11可选用自来水供水水源、工业用水供水水源或者工厂回收用水水源等。较优地，供水水源选用工业用水供水水源。

结合图3，进水连接管13由刚性诸如钢制成的进水连接管段和柔性诸如塑胶制成的进水连接管段组合而成，其中，金属制成的进水连接管段上安设有流量计17、流量控制阀18以及压力表19，该流量计17通过两段的法兰盘分别与上下法拉盘相互固定在一起，柔性进水连接管段分为四条支路，具体地，结合喷洒单元12在下面详述。在本发明中，流量控制阀18是手动，然而，可以理解其也可以是被自动控制的。本领域技术人员还应当可以理解，进水连接管13的管段是刚性还是柔性的特征并不是必需的，流量计17、流量控制阀18和压力表19也不是必需的。

图4示出了喷洒单元12的分解图，喷洒单元12具有周边喷洒单元121和中央喷洒单元122，其分别设置于待冷却区域即硅锭的上方周边和上方中央。其中，周边喷洒单元121包括喷管管路123和喷嘴124，喷管管路123是由四根喷管构成的方形喷管，喷嘴124在方形喷管管路123上等间隔地设置，而该间隔与待切割硅片的间距相对应，或者换言之该间隔使得喷嘴124与金刚石线相互对应，从而当切割操作时，金刚石线上的硅粉屑以及由金刚石线在硅锭上所切割出的细槽内的硅屑也很容易被清洗掉。方形喷管的四个角部分别具有方形喷管进水孔125，进水连接管13具有相应于方形喷管进水孔125的两条方形喷管支路131、132，其中两条方形喷管支路的每一路连接到三通管135的一个孔，三通管135的另外两个孔分别与方形喷管角部的方形喷管进水孔125相连通。中央喷洒单元122为花洒式结构，即类似于淋浴用的花洒式喷头的结构，具体地，该中央喷洒单元122的两端具有两个中央喷洒单元进水孔126，进水连接管13具有相应于中央喷洒单元进水孔126的两条中央喷洒单元支路133、134，其中每一中央喷洒单元支路与每一中央喷洒单元进水孔126相连通。

其中，上述的关于喷洒单元121的实施方式仅是一种较佳的方式，可选择地，也可以仅选用周边喷洒单元121或仅选用中央喷洒单元122。另外，也可以采用类似于金刚石线网的整体网式喷洒单元，将中央喷洒单元放大到能够覆盖整体的加工区域或者在周边喷洒单元的基础上再在同一水平面上设置有十字交叉的数个喷管，但是由于在本发明中没有外加压力增加装置，即，仅靠供水水源的水压，故，当采用整体的网式喷洒单元的同时也可能会存在压力不足的问题。可选择地，可以并不将进水连接管分成四路，而是分成更多路如六路，其中的四路分别连接到周边喷洒单元的四个角部的方形喷管进水孔125上，其中的两路连接到中央喷洒单元的两端的中央喷洒单元进水孔126上，也可以将进水连接管分成少于四路，如两路或者三路，原理相同，在此不再赘述。

其中，本发明的较佳实施方式中的冷却系统采用硅锭作为开方机的加工材料，本领域技术人员可以理解的是其他的诸如锗、石英、石英玻璃或陶瓷等材料均可作为开方机的加工材料。

收集单元14为位于开方机壳体底部内的空腔，当开方机上放置有硅锭，该收集单元14恰好位于硅锭的下方。该收集单元14内形成有倾斜面，其底部还设有排液口，可选择地，可以在该排液口上附设过滤件从而将废水中的硅屑先行过滤。当喷洒单元12将水喷洒到硅锭上，水就会携带硅屑等颗粒物汇流入到该收集单元14内部。在机械加工领域内，这种收集单元对于本领域技术人员来说是很容易理解的，故在此不再赘述。

在本发明中，水道15即为下水道，排水连接管16将收集单元14的孔与水道15连通。较优地，在排水连接管连接到水道15的一侧可附设有过滤件从而将废水中的硅屑先行过滤。更优地，可以在下水道的另一端统一设置废水收集处理系统从而统一收集废水并统一处理。需要注意的是，关于统一安设废水收集处理系统并不是本发明的重点，故，在此不再赘述。

另外，本领域技术人员应当可以理解上述的收集单元14和排水连接管16亦可以直接由收集排出装置来替代，即兼有收集容纳功能和排出功能的装置，换言之，这里所述的收集排出装置包括收集单元、排水连接管和水道的连接装置但不限于这种装置，例如，这种收集排出装置甚至可以设计成将上述收集单元的排液口对准下面的下水道而省略掉排水连接管。

在本发明另一种实施方式中，压力、流量等参数可以直接由控制单元来自动控制，该控制单元为电脑终端、压力控制阀、流量控制阀等的综合体，电脑终端可以读出压力控制阀和流量控制阀的压力数和流量数，也可以藉由操作员来向电脑写入压力数和流量数等以此来控制管道中水的物理参数。

结合金刚石线开方机介绍本发明的冷却系统的工作过程：

先建立好切割线网，将粘好的工件通过叉车放在专用硅碇上料小车，上料小车和机床连接后，将硅碇推进切割室定位板上，手动锁紧硅碇托盘固定装置，确认切割各导轮槽距及技术参数正确无误，设定硅碇切割高度，打开工业用水供水水源11的出水阀(或者打开进水连接管13上的流量调节阀)，工业用水通过进水连接管13上压力表19、流量计17和喷洒单元12喷洒在硅碇上，通过开方机底座中的收集单元14将带有硅屑的废水收集的同时通过排水连接管16排出到水道15中，启动切割模式，切割头、收放线轮驱动伺服电机带动钢线进行往复切割运动，进给伺服电机通过减速器驱动滚珠丝杠移动切割头进行进给，从而进行工件切割状态，待切割完成后切割头自动返回参考点，表示切割结束，关闭阀门，把上料小车和机床连接后，将工件拉出到上料小车上，通过叉车将工件送到工件清洗区，进行清洗，清洗完毕后送检验车间检测，最后进入下道工序。

相比于传统的冷却系统，本发明的冷却系统省略了冷却液容纳腔、泵体、过滤罐和过滤袋等装置，也不需要使用比较昂贵的切削液，另外，采用单向的开环冷却方式，这样不仅使得整个冷却系统的成本大大降低，并且被水冲洗下来的硅屑不会重新回流到加工工件上或飞溅到切割主轴内也不会在收集单元中大量地堆积从而影响管道的畅通。尤其在防止金刚石线由于切割缝隙内的硅屑的堆积而断开的方面，本发明克服了本领域技术人员的偏见，即，本领域的技术人员一般均会认为用水清洁和冷却硅锭肯定不如用水和切削液的混合液，而且切削液具有比水更大的粘性，相比于水更易于将硅屑粘附在金刚石线上。采用本发明后，金刚石线的断线率非常低。因此本发明的冷却系统大大降低成本的同时提高了切割效率，有效地克服现有技术中的种种缺点。

Claims (9)

1.一种用在切割晶片的开方机上的冷却系统，其包括供水水源、将水喷洒到待冷却区域的喷洒单元、在所述供水水源和所述喷洒单元之间的进水连接管、将从所述待冷却区域流下的水收集在一起的收集单元、将水排出的水道，以及在所述收集单元与所述水道之间的排水连接管，所述收集单元上设有排液口，其中，水依次经过所述供水水源、进水连接管、喷洒单元、收集单元并从所述水道排出，所述喷洒单元设置于所述待冷却区域的上方周边和/或上方中央，设置于所述冷却区域上方周边的喷洒单元为周边喷洒单元，所述周边喷洒单元包括喷管管路和喷嘴，其中，所述喷管管路是由四根喷管构成的方形喷管，且在所述方形喷管管路上间隔地设有多个喷嘴，设置于所述冷却区域上方中央的喷洒单元为中央喷洒单元，所述中央喷洒单元为花洒式结构，所述晶片为硅、锗、石英或陶瓷其中之一者，所述的开方机为金刚石线多线开方机，所述方形喷管的四个角部分别具有方形喷管进水孔，所述进水连接管具有相应于所述方形喷管进水孔的两条方形喷管支路，其中所述两条方形喷管支路的每一路连接三通管的一个孔，所述三通管的另外两个孔分别与所述方形喷管进水孔相连通，所述中央喷洒单元的两端具有两个中央喷洒单元进水孔，所述进水连接管具有相应于所述中央喷洒单元进水孔的两条中央喷洒单元支路，其中每一中央喷洒单元支路与所述中央喷洒单元进水孔的每一个相连通。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述供水水源为自来水供水水源或工业用水供水水源。

3.如权利要求1至2中任一所述的冷却系统，其特征在于，所述进水连接管上还设置有流量计。

4.如权利要求1至2中任一所述的冷却系统，其特征在于，所述水的流量为500-6000L/h。

5.如权利要求1至2中任一所述的冷却系统，其特征在于，所述进水连接管上还设置有流量调节开关，其为自动或手动调节。

6.如权利要求1至2中任一所述的冷却系统，其特征在于，所述进水连接管上还设置有压力表。

7.如权利要求1所述的冷却系统，所述冷却系统还包括用于控制水的物理参数的控制单元，所述物理参数至少包括流量和压力其中之一者。

8.一种用在切割晶片的开方机上的冷却系统，其主要由供水水源、喷洒装置、进水连接管、收集排出装置以及控制装置所组成；其中所述进水连接管在所述供水水源和所述喷洒装置之间设置，所述收集排出装置设置于开方机的下方壳体中，所述收集排出装置上设有排液口，所述控制装置用于控制水的物理参数，所述物理参数至少包括流量、压力参数其中之一者；水从所述供水水源经由所述进水连接管并通过所述喷洒单元喷洒到待冷却区域，再从所述待冷却区域汇流到所述收集排出装置而排出所述开方机，所述喷洒装置设置于所述待冷却区域的上方周边和/或上方中央，设置于所述冷却区域上方周边的喷洒装置为周边喷洒装置，所述周边喷洒装置包括喷管管路和喷嘴，其中，所述喷管管路是由四根喷管构成的方形喷管，且在所述方形喷管管路上间隔地设有多个喷嘴，设置于所述冷却区域上方中央的喷洒装置为中央喷洒装置，所述中央喷洒装置为花洒式结构，所述晶片为硅、锗、石英或陶瓷其中之一者，所述的开方机为金刚石线多线开方机，所述方形喷管的四个角部分别具有方形喷管进水孔，所述进水连接管具有相应于所述方形喷管进水孔的两条方形喷管支路，其中所述两条方形喷管支路的每一路连接三通管的一个孔，所述三通管的另外两个孔分别与所述方形喷管进水孔相连通，所述中央喷洒装置的两端具有两个中央喷洒单元进水孔，所述进水连接管具有相应于所述中央喷洒单元进水孔的两条中央喷洒单元支路，其中每一中央喷洒单元支路与所述中央喷洒单元进水孔的每一个相连通。

9.如权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，所述供水水源为工业用水供水水源。