CN103302754B - 金刚石线锯切割方法及切割设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石线锯切割方法及设备，是用环形金刚石线锯对晶锭工件进行切割，所述环形金刚石线锯环绕于若干水平导轮上并用张紧机构张紧，在导轮之一的主动轮带动下环形金刚石线锯高速运转，环形金刚石线锯在升降机构带动下向下进给切割晶锭工件和向上退刀；所述环形金刚石线锯在切割过程中，所述晶锭工件由旋转机构带动绕自身轴单向旋转。本发明的环形金刚石线锯具有较高的线速度，工件单向连续旋转时金刚石线锯与晶锭工件之间为点接触式切割，金刚石颗粒可以更容易压入被切割材料中，因此具有普通金刚石线切割约10倍的切割效率。
Description
（一）技术领域：
本发明涉及对单晶硅晶体、蓝宝石晶体及脆硬材料的切割方法及设备，具体是一种金刚石线锯切割方法及切割设备。
（二）背景技术：
硅及蓝宝石晶体被广泛应用于衬底材料，随着应用的深入，制作的晶体直径越来越大，现有技术已经可以生产直径400毫米或者更大的硅或蓝宝石晶锭。晶锭生产出来后首先经过去掉头部和尾部的裁切，然后再将晶锭切割成晶片以备制作芯片等用途。
对晶锭裁切的常规方法有如下几种，各有利弊。
1、使用金刚石带锯对晶锭进行裁切。
由于金刚石带锯本身固有的特点，使得锯缝较宽并且切割表面留下明显的切痕，而这些切痕必须经过其他工序加工磨掉。
2、采用金刚石内圆锯片对晶锭进行裁切。
但随着晶锭直径的增大，内圆锯片必须是晶锭直径的三倍才能将晶锭完全切断,而锯片直径增大，厚度也会增加，锯片摆动也会增加，导致切缝变宽切割面出现波浪纹。
3、应用游离磨料线锯对晶锭进行裁切。
此技术是将数百公里的钢丝缠绕在轮轴上，切割时，将碳化硅或碳化硼磨料悬浊液浇注到钢丝上。最大问题是钢丝的断开，并且换线也耗费大量的时间；随着晶锭直径的增大，钢丝穿过整个晶锭时所受的力将增加，钢丝直径随之增加，切缝也会变宽；游离磨料切割完成整个晶锭需要很长时间，甚至几十个小时，并且对环境造成污染。
4、运用金刚石线对晶锭进行裁切。使用高强度的钢丝做基体材料，将金刚石均匀地固结在其上，金刚石颗粒的粒度在20微米～120微米，但由于技术本身的限制，切割速度仍然较低。
（三）发明内容：
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种快速高效、切割质量好的金刚石线锯切割方法及切割设备。
本发明金刚石线锯切割方法，是用环形金刚石线锯对晶锭工件进行切割，与现有技术不同的是所述环形金刚石线锯为环形金刚石线环绕于若干水平导轮上并用张紧机构张紧，在导轮之一的主动轮带动下环形金刚石线锯高速运转，环形金刚石线锯在升降机构带动下向下进给切割晶锭工件，切割完毕环形金刚石线锯向上退刀；在环形金刚石线锯的切割过程中，所述晶锭工件由旋转机构带动绕自身轴单向旋转，保证切割时环形金刚石线锯与晶锭工件的点接触，以提高切割效率。
所述旋转机构设于水平移动的工作台上，切割时工作台进入环形金刚石线锯下方的切割区域，退刀时工作台退出切割区域。
与本发明金刚石线锯切割方法对应的金刚石线锯切割设备,包括环形金刚石线锯、线锯运行机构和线锯进给装置、以及承载晶锭工件的工作台，与现有技术不同的是所述线锯运行机构包括水平设置的若干导轮和张紧机构，其中一个导轮设为主动轮，所述环形金刚石线锯为环形金刚石线环绕于导轮上并由张紧机构张紧；所述线锯进给装置包括带动线锯运行机构沿立柱或垂直导轨上下运动的升降机构；所述晶锭工件用旋转机构装夹，所述旋转机构设于工作台上，所述工作台设于水平导轨上并连接水平进给机构。
所述升降机构的一种结构包括升降电机、相互配合的升降丝杆和升降螺母，所述升降丝杆平行于立柱或垂直导轨设置，升降丝杆轴端连接升降电机的输出轴，所述升降螺母与线锯运行机构连接，升降丝杆的旋转带动升降螺母运动，进而带动线锯运行机构整体升降。
所述水平进给机构的一种结构包括进给电机、相互配合的进给丝杆和进给螺母，所述进给丝杆平行于水平导轨设置，进给丝杆轴端连接进给电机的输出轴，所述进给螺母与工作台连接，进给丝杆的旋转带动进给螺母运动，进而带动工作台进出切割区域。
所述主动轮的驱动可采用皮带轮传动机构或齿轮传动机构。
所述旋转机构为相对同轴设置的夹盘和卡盘，所述夹盘通过旋转盘连接旋转电机的输出轴，旋转盘的转动通过夹盘带动晶锭工件旋转。
所述夹盘和旋转盘之间的间隙为可调节的0.1mm～2mm，以此调整晶锭工件端面的角度，从而保证以晶锭工件的某晶面作为基准面进行切割。
所述张紧机构包括张紧轮和以砝码配重的重锤，所述重锤通过拉线拉紧张紧轮，所述拉线环绕于定滑轮组上。
本发明的优点：
1、本发明采用环形金刚石线锯切割，环形金刚石线锯在运动的同时，向工件进给，而被切割工件在切割工作台上绕自身轴向旋转，切割时环形金刚石线锯与工件一直处于点接触切割，而不是直线接触切割，特别是切割脆硬材料时，可获得较快切割效率及精确度。
2、使用本发明技术可切割直径300mm～400mm直径的单晶硅锭、或大直径的蓝宝石晶锭，并且切割缝小于1mm。3、本发明可获得更快的切割效率（环形金刚石线锯具有较高的线速度，约30m∕秒～40m∕秒），具有普通金刚石线切割约10倍的切割效率，且工作方式简单快捷，更有效的节省成本。
（四）附图说明：
图1为本发明切割方法的工作原理图。
图2为本发明切割设备一种实施方式的主视图。
图3为图2实施方式的侧视图。
图号标识：1、金刚石线锯；2、晶锭工件；3、导轮；4、张紧轮；5、工作台；6、垂直导轨；7、水平导轨；8、升降电机；9、升降丝杆；10、皮带轮传动机构；11、进给电机；12、进给丝杆；13、进给螺母；14、夹盘；15、卡盘；16、旋转电机；17、重锤；18、拉线；19、旋转盘、20、底座；21、横梁；22、斜拉杆；23、滑块；24、桁架；25、升降架。
（五）具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明金刚石线锯切割设备，包括环形金刚石线锯1（是用电镀或树脂涂覆的方式将金刚石固结在环形钢丝表面而形成的金刚石线）、线锯运行机构和线锯进给装置、承载晶锭工件2的工作台5以及工作台水平进给机构、底座20和机架。
所述机架由两条垂直导轨6和横梁21构成，所述垂直导轨6固定直立于底座20上，所述横梁21横跨于两垂直导轨6上并固定，并用斜拉杆22辅助定位；两垂直导轨6配合有滑块23，两滑块23之间连接桁架24，所述桁架24上安装一升降架25，如图2、图3所示。
所述线锯运行机构设于升降架25上，包括左、右两个水平导轮3和上面中间的一个水平张紧轮4，其中一个导轮3设为主动轮，由电机通过皮带轮传动机构10带动；环形封闭的金刚石线锯1环绕于左、右导轮3和张紧轮4上，所述张紧轮4通过拉线18向上张紧金刚石线锯1，所述拉线18通过两个定滑轮连接一侧的重锤17（由砝码配重），如图1、图2所示。
所述线锯进给装置包括由升降电机8、相互配合的升降丝杆9和升降螺母构成的升降机构，两升降电机8于横梁21上安装，位置对应于各垂直导轨6，两条升降丝杆9平行于对应的垂直导轨6设置，各升降丝杆9的顶部轴端连接对应的升降电机8的输出轴，所述升降螺母固设于桁架24，如图2、图3所示。
所述工作台5通过水平导轨7设于底座20上，所述水平导轨7延伸至升降机构底部的切割区域，工作台5的水平进给机构包括进给电机11、相互配合的进给丝杆12和进给螺母13，所述进给丝杆12平行于水平导轨7设置，进给丝杆12的轴端连接进给电机11的输出轴，所述进给螺母13固连于工作台5；工作台5上安装带动晶锭工件2水平转动的旋转机构，所述旋转机构为相对同轴设置的夹盘14和卡盘15，所述夹盘14连接旋转盘19，所述旋转盘19连接旋转电机16的输出轴，夹盘14与旋转盘19之间具有0.1mm～2mm的间隙调节量，晶锭工件2一端由夹盘14夹紧，另一端于卡盘15处吸紧使其处于自由状态，如图3所示。
本发明金刚石线锯切割方法为：
1、切割开始。
皮带轮传动机构10带动导轮3的主动轮使环形金刚石线锯1始终朝单方向运动，在升降机构的带动下向下进给切割晶锭工件2，环形金刚石线锯1由张紧轮4施以合适的张紧力保持其平稳运行。
与此同时，水平进给机构带动工作台5进入切割区域，旋转机构同时带动晶锭工件2绕自身水平轴单向旋转，环形金刚石线锯1的运行方向与晶锭工件2轴向垂直。
2、切割结束。
升降机构带动环形金刚石线锯1向上退刀，水平进给机构带动工作台5退出切割区域。
Claims (9)
1.金刚石线锯切割方法，是用环形金刚石线锯（1）对晶锭工件（2）进行切割，其特征在于：所述环形金刚石线锯（1）为环形金刚石线环绕于若干水平导轮（3）上并用张紧机构张紧，在导轮（3）之一的主动轮带动下环形金刚石线锯高速运转，环形金刚石线锯（1）在升降机构带动下向下进给切割晶锭工件（2），切割完毕环形金刚石线锯（1）向上退刀；在环形金刚石线锯（1）的切割过程中，所述晶锭工件（2）由旋转机构带动绕自身轴单向旋转。
2.根据权利要求1所述的金刚石线锯切割方法，其特征在于：所述旋转机构设于水平移动的工作台（5）上，切割时工作台（5）进入金刚石线锯（1）下方的切割区域，退刀时工作台（5）退出切割区域。
3.金刚石线锯切割设备,包括环形金刚石线锯（1）、线锯运行机构和线锯进给装置、以及承载晶锭工件（2）的工作台（5），其特征在于:所述线锯运行机构包括水平设置的若干导轮（3）和张紧机构，其中一个导轮（3）设为主动轮，所述环形金刚石线锯（1）为环形金刚石线环绕于导轮（3）上并由张紧机构张紧；所述线锯进给装置包括带动线锯运行机构沿立柱或垂直导轨（6）上下运动的升降机构；所述晶锭工件（2）用旋转机构装夹，所述旋转机构设于工作台（5）上，所述工作台（5）设于水平导轨（7）上并连接水平进给机构。
4.根据权利要求3所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述升降机构包括升降电机（8）、相互配合的升降丝杆（9）和升降螺母，所述升降丝杆（9）平行于立柱或垂直导轨（6）设置，升降丝杆（9）轴端连接升降电机（8）的输出轴，所述升降螺母与线锯运行机构连接。
5.根据权利要求3所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述水平进给机构包括进给电机（11）、相互配合的进给丝杆（12）和进给螺母（13），所述进给丝杆（12）平行于水平导轨（7）设置，进给丝杆（12）轴端连接进给电机（11）的输出轴，所述进给螺母（13）与工作台（5）连接。
6.根据权利要求3～4中任意一项所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述主动轮的驱动为皮带轮传动机构（10）或齿轮传动机构。
7.根据权利要求3～4中任意一项所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述旋转机构为相对同轴设置的夹盘（14）和卡盘（15），所述夹盘（14）通过旋转盘（19）连接旋转电机（16）的输出轴。
8.根据权利要求7所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述夹盘（14）与旋转盘（19）之间的间隙为可调节的0.1mm～2mm。
9.根据权利要求3～4中任意一项所述的金刚石线锯切割设备，其特征在于：所述张紧机构包括张紧轮（4）和以砝码配重的重锤（17），所述重锤（17）通过拉线（18）拉紧张紧轮（4），所述拉线（18）环绕于定滑轮组上。
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