CN104309013B

CN104309013B - 超硬材料切割方法及切割装置

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Publication number: CN104309013B
Application number: CN201410558635.3A
Authority: CN
Inventors: 高鹏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: CN104309013A

Abstract

一种超硬材料切割方法及装置，其特征是将至少两片无锯齿锯片平行装夹成一体，使其在被切割材料上作往复运动，同时在切割过程中向切割锯片上连续喷射带有切割磨料的切割液，切割磨料在切割液的带动下流向切割锯片刃口部位；锯片往复运动过程中，刃口部位所粘附的切割磨料将被切割材料摩擦撞击而导致细小颗粒从被切割材料上逐渐脱落，进而实现切割目的。本发明具有切割效率高，成本低的优点。

Description

超硬材料切割方法及切割装置

技术领域

本发明涉及一种超材料的高效批量切割方法及装置，尤其是一种能大幅度提高硅、碳化硅、蓝宝石、日用陶瓷制品、金属陶瓷复合材料或其他陶瓷材料片材切割效率和精度的超硬材料切割方法及装置，具体地说是一种超硬材料切割方法及切割装置。

背景技术

目前在对高硬度材料如硅、碳化硅、蓝宝石、日用陶瓷制品、金属陶瓷复合材料或其他陶瓷材料进行单片式切割时常用的有水刀切割，等离子切割，激光切割，圆锯片切割，带锯切割，电火花放电线切割等方式，对于硅片切割而言，目前最有效的方法是采用传统多线切割技术，其原理见图1。缠绕切割线的辊轮带动钢线运动，在被喷上含有切割磨料的切割液后，钢线带动切割磨料对硅片进行切割。目前蓝宝石切割大多是采用摆动式多线切割原理，见图2，缠绕切割线的三根辊轮固定在同一个圆盘上，在辊轮带动金刚石切割线运动的同时，圆盘做一定角度的摆动运动。摆动切割技术彻底解决了传统多线切割技术（上述的硅片切割技术）应用于蓝宝石等超硬超耐磨材料切割时所存在的跳线、断线等瓶颈，获得了成功并迅速占据主导地位。

在摆动式切割技术成功应用蓝宝石切割后，相关研究人员于2008年开始并在持续推进该技术在硅片切割行业的使用。但直至今日仍然未获成功。原因在于，硅相比于蓝宝石更脆，摆动切割更容易造成缺角、崩边、线痕等质量缺陷。同时，出于成本考虑，硅片切割采用更细的金刚石线；更脆的硅会被切下更大颗粒的硅粉，把金刚石线夹在硅片之间造成断线。这些问题至今未有很好地解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有的硅、蓝宝石等超硬材料所采用的线切割方法存在的效率低、能耗高、污染大、加工成本高的问题，发明一种能大幅度提高切割效率、降低能耗、降低成本、绿色环保的超硬材料切割方法及切割装置。

本发明的技术方案之一是：

一种超硬材料切割方法，其特征是将至少两片无锯齿锯片平行装夹成一体，使其在被切割材料上作往复运动，同时在切割过程中向切割锯片上连续喷射带有切割磨料的切割液，切割磨料在切割液的带动下流向切割锯片刃口部位；锯片往复运动过程中，刃口部位所粘附的切割磨料将被切割材料摩擦撞击而导致细小颗粒从被切割材料上逐渐脱落，进而实现切割目的。

所述的锯片的数量为2-20000片。

所述的锯片的形状为矩形。

所述的锯片为纯金属、合金或含有金属成份的金属陶瓷复合材料，当使用金属陶瓷复合材料作为锯片时，如果其中的陶瓷颗粒的硬度大于被切割材料，则在切割时无需向切割锯片上喷射带有切割磨料的切割液；所述的切割磨料为碳化硅粉末、氧化铝粉末、金刚石粉末和氮化硼粉末中的一种或几种的组合。

所述的切割液的成分为水。

本发明的技术方案之二是：

一种超硬材料切割装置，其特征是它由至少两片锯片1、锯片夹具2、和锯片张紧支架3组成，锯片夹具2装夹在锯片1的两端以使各锯片1之间平行并保持设定的距离，锯片之间的间隙用以供切割液通过，锯片张紧支架3与锯片两端的锯片夹具2相连并向两端的锯片夹具2施加一个张力从而使锯片1的两端各受到一个向外的张力使锯片保持张紧状态以提高切割效果；锯片的形状优选为矩形。

本发明的技术方案之三是：

一种超硬材料切割方法，其特征是采用刃面自组装技术：首先，在无锯齿直刃锯片刃口部分涂覆一层高于被切割材料硬度的初始磨料颗粒，利用初始磨料颗粒将被切割材料研磨切割掉下小颗粒粉末；再采用局部瞬时高能量激发，将锯片刃口局部区域熔化，使被切割材料切割掉下的小颗粒粉末粘结并全熔或产熔渗进锯片刃口内部，从而形成硬度等于或高于被切割材料硬度的金属陶瓷刃口结构，进而实现连续切割，整个切割过程中，被切割材料和锯片之间用离子水持续喷淋，起润滑、冷却和导电作用。

所述的被切割材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅；氧化铝陶瓷、人造蓝宝石（人造三氧化二铝单晶）或刚玉（天然氧化铝单晶）。

所述的局部瞬时高能量激发采用高频脉冲电源，将电压施加在锯片与被切割材料之间；利用电火花放电技术实现切割锯片刃面局部瞬时熔化；脉冲电源参数选择：电压：10～220V；脉冲宽度：100μs～1000μs；占空比：10%～50%；锯片形状优选为矩形，尺寸为：长度10～100cm；宽度0.5～50cm；厚度0.05～0.3mm，最佳厚度为0.05～0.1mm。

所述的锯片的数量为单片或为图3、4所示的由多片并行排列组成，锯片为纯金属、金属合金或者金属陶瓷复合材料；用于硅材料切割的锯片，至少含有碳元素，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片内的碳元素和被切下来的硅颗粒会形成硬度高于硅的碳化硅，粘结并全熔渗或半熔渗进锯片刃口内部；用于氧化铝材料切割的锯片，至少含有碳元素、金属镁和金属铝，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片刃口内液态金属镁提供的保护性氛围下被切割下来的氧化铝颗粒会与含碳元素的铝熔液相结合全熔渗或半熔渗进入锯片刃口内部，形成韧性、硬度高于被切割材料的氧化铝——碳——铝金属陶瓷复合材料刃口微观结构；锯片侧面涂覆有一层绝缘涂层，以防止在切割过程中锯片侧面和被切割材料之间发生放电现象。

所述的离子水是向纯水内添加离子化合物构成离子熔液；离子化合物为盐酸、硫化氢、硫酸、硝酸、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化镁、硫酸镁、硝酸镁、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、磷酸钾、磷酸钠或磷酸铵中的一种或多种；离子化合物占纯水的质量百分比为：0.1～5%。

本发明的有益效果：

1、用低速运动的矩形锯片代替高速运动的线锯，可以有效减弱切割过程中目标材料振动导致的破碎；锯片相较于线锯可以承受更高的拉力而不会断裂，进而降低切割锯片抖动而造成的切割不良；被切割材料被保护于两片切割锯片之间，不易造成碎裂破损。

硅片多线切割技术碎片率：<0.3‰；

本发明的切割技术碎片率：<0.1‰。

2、以片锯代替线锯，减少切割磨料、化学切割液消耗

硅片多线切割技术钢线消耗率约为：4.4g/片（按切割8英寸硅片计）；

本发明的切割锯片消耗率：<1.2g/片（按切割8英寸硅片计）。

多线切割技术必须使用化学试剂配成的切割液，而本发明的切割方法不使用高污染化学切割液，只用水或离子水进行润滑、冷却兼导电。

3、节能

多线切割技术是依靠丝线高速（大于9米/秒）运动进行切割，不但需要大量的电力进行驱动，而且丝线与被切材料高速摩擦还产生大量热量并需进行冷却。而本发明采用的是慢速高效切割（锯片最大运动速度小于1米/秒），大幅降低电力消耗。

硅片多线切割技术电力消耗率为：>0.5度电/片（按切割8英寸硅片计）；本发明的切割锯片消耗率：0.1～0.3度电/片（按切割8英寸硅片计）。

4、更低的切割总成本

本发明的切割技术，其切割成本只相当于多线切割技术的30%～50%。

附图说明

图1是现有的多线切割原理图。

图2是现有切割蓝宝石所采用的摆动式多线切割原理图。

图3是本发明的多片式锯片的俯视图。

图4是本发明的多片式切割装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图3-4所示。

一种超硬材料切割方法，将至少两片（可为2-20000片）无锯齿锯片平行装夹成一体，锯片的形成以矩形为最佳，但也不排除其它适用的形状，锯片与锯片之间在两端通过厚度为0.04mm～10mm的垫片4隔开，如图3所示，并通过锯片夹具2和锯片张紧支架3形成切割装置，在机床运动机构带动下作往复运动，加工时使被锯片张紧支架3张紧的锯片组在被切割材料上同时作往复运动，可同时切割出与锯片数量相等的片材（如太阳能硅片、蓝宝石衬底等），同时在切割过程中向切割锯片上连续喷射带有切割磨料的切割液，所述的切割磨料为碳化硅粉末、氧化铝粉末、金刚石粉末和氮化硼粉末中的一种或几种的组合,粒度应小于20μm。切割磨料在切割液的带动下流向切割锯片刃口部位；锯片往复运动过程中，刃口部位所粘附的切割磨料将被切割材料摩擦撞击而导致细小颗粒从被切割材料上逐渐脱落，进而实现切割目的。锯片可采用纯金属、合金或含有金属成份的金属陶瓷复合材料，当使用金属陶瓷复合材料作为锯片时，如果其中的陶瓷颗粒的硬度大于被切割材料，则在切割时无需向切割锯片上喷射带有切割磨料的切割液。使用图3、4所示的切割装置和本实施例的方法，不仅可实现对硅、蓝宝石的片材切割，得到薄片，还可用于对碳化硅、日用陶瓷制品、金属陶瓷复合材料或其他陶瓷材料进行切片加工，可一次将被切割材料切成数片片状材料。

实施例二。

如图3-4所示。

一种超硬材料切割方法，采用刃面自组装技术进行加工，刃面自组装技术是指首先，在无锯齿直刃锯片刃口部分涂覆一层高于被切割材料硬度的初始磨料颗粒（可为碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、金刚石颗粒和氮化硼颗粒中的一种或几种的组合，各颗粒的粒度应小于20μm），利用初始磨料颗粒将被切割材料研磨切割掉下小颗粒粉末；再采用局部瞬时高能量激发，将锯片刃口局部区域熔化，使被切割材料切割掉下的小颗粒粉末粘结并全熔或产熔渗进锯片刃口内部，从而形成硬度等于或高于被切割材料硬度的金属陶瓷刃口结构，进而实现连续切割，整个切割过程中，被切割材料和锯片之间用离子水持续喷淋，起润滑、冷却和导电作用。所述的局部瞬时高能量激发可采用高频脉冲电源，将电压施加在锯片与被切割材料之间，利用电火花放电技术实现切割锯片刃面局部瞬时熔化；脉冲电源参数选择：电压：10～220V；脉冲宽度：100μs～1000μs；占空比：10%～50%；锯片形状优选为矩形，尺寸为：长度10～100cm；宽度0.5～50cm；厚度0.05～0.3mm，最佳厚度为0.05～0.1mm。所述的锯片的数量可为单片，但最好采用图3、4所示的由多片并行排列组成以提高切割效率，锯片可采用纯金属、金属合金或者金属陶瓷复合材料；用于硅材料切割的锯片刀刃材料中至少含有碳元素，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片内的碳元素和被切下来的硅颗粒会形成硬度高于硅的碳化硅，粘结并全熔渗或半熔渗进锯片刃口内部；用于氧化铝材料切割的锯片，至少含有碳及金属镁和金属铝，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片刃口内液态金属镁提供的保护性氛围下被切割下来的氧化铝颗粒会与含碳铝熔液相结合，全熔渗或半熔渗进入锯片刃口内部，形成韧性、硬度高于被切割材料的氧化铝——碳——铝金属陶瓷复合材料刃口微观结构；锯片侧面涂覆有一层绝缘涂层，以防止在切割过程中锯片侧面和被切割材料之间发生放电现象。所述的离子水是向纯水内添加离子化合物构成离子熔液；离子化合物为盐酸、硫化氢、硫酸、硝酸、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化镁、硫酸镁、硝酸镁、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、磷酸钾、磷酸钠或磷酸铵中的一种或多种；离子化合物占纯水的质量百分比为：0.1～5%。

本实施例的切割方法可用于单晶硅、多晶硅、非晶硅；氧化铝陶瓷、人造蓝宝石（人造三氧化二铝单晶）或刚玉（天然氧化铝单晶）的切割加工，既可加工出符合要求的薄片状材料或在原材上加工出所需的切面。

实施例三。

一种超硬材料切割装置，它由至少两片锯片1、锯片夹具2、和锯片张紧支架3组成，锯片夹具2装夹在锯片1的两端以使各锯片1之间平行并保持设定的距离，锯片之间的间隙用以供切割液通过，锯片张紧支架3与锯片两端的锯片夹具2相连并向两端的锯片夹具2施加一个张力从而使锯片1的两端各受到一个向外的张力使锯片保持张紧状态以提高切割效果；锯片的形状优选为矩形，数量为2～20000片，锯片与锯片之间在两端可通过厚度为0.04mm～10mm的垫片4隔开，结构见图3，锯片形状为矩形时，尺寸可为：长度10～100cm；宽度0.5～50cm；厚度0.05～0.3mm（最佳厚度为0.05～0.1mm）。

两端放置了分隔垫片4的多片锯片在两端通过夹具夹紧，并通过锯片张紧支架将各锯片张紧。结构示意图见图4。本实施例中所适用的锯片可以使用纯金属或合金锯片，也可以使用金属陶瓷复合材料锯片。

由纯金属或合金制成的锯片，不需要有钢锯条的锯齿结构，而只需要有平滑的刃口结构即可实现切割。只需在切割过程中向切割锯片上连续喷射带有切割磨料的切割液或通过局部瞬时高能量激发而采用刃面自组装技术进行切割。切割磨料可以是碳化硅粉末、氧化铝粉末、金刚石粉末、氮化硼粉末中的一种或几种。切割磨料在切割液的带动下流向切割锯片刃口部位。锯片往复运动过程中，刃口部位所粘附的切割磨料将被切割材料摩擦撞击而导致细小颗粒从被切割材料上逐渐脱落，进而实现切割目的。

由金属陶瓷复合材料制造的锯片，至少含有一种金属成分；含有碳化硅粉末、氧化铝粉末、金刚石粉末、氮化硼粉末中的一种或几种。金属陶瓷复合材料锯片本身具有高硬度，可以实现对小于锯片中所添加的陶瓷粉末硬度的材料进行切割。

本实施例的切割装置所适用的被切割材料有：高硬度材料硅、碳化硅、蓝宝石、日用陶瓷制品、金属陶瓷复合材料或其他陶瓷材料。

本实施例的切割装置可用于实施例一和实施例二的方法中，一次将被切割材料切成数片片状材料。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种超硬材料切割方法，其特征是采用刃面自组装技术：首先，在无锯齿锯片刃口部分涂覆一层高于被切割材料硬度的初始磨料颗粒，利用初始磨料颗粒将被切割材料研磨切割掉下小颗粒粉末；再采用局部瞬时高能量激发，将锯片刃口局部区域熔化，使被切割材料切割掉下的小颗粒粉末粘结并全熔渗或半熔渗进锯片刃口内部，从而形成硬度等于或高于被切割材料硬度的金属陶瓷刃口结构，进而实现连续切割，整个切割过程中，被切割材料和锯片之间用离子水持续喷淋，起润滑、冷却和导电作用；所述的局部瞬时高能量激发采用高频脉冲电源，将电压施加在锯片与被切割材料之间；利用电火花放电技术实现切割锯片刃面局部瞬时熔化；脉冲电源参数选择：电压：10～220V；脉冲宽度：100μs～1000μs；占空比：10%～50%；锯片形状为矩形，尺寸为：长度10～100cm；宽度0.5～50cm；厚度0.05～0.3mm，最佳厚度为0.05～0.1mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的被切割材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅；氧化铝陶瓷、人造蓝宝石或刚玉。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的锯片的数量为单片或由多片并行排列组成，锯片为纯金属、金属合金或者金属陶瓷复合材料；用于硅材料切割的锯片，至少含有碳元素，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片内的碳元素和被切下来的硅颗粒会形成硬度高于硅的碳化硅，粘结并全熔渗或半熔渗进锯片刃口内部；用于氧化铝材料切割的锯片，至少含有碳元素、金属镁和金属铝，在局部瞬时高能量激发条件下，刃口局部瞬时熔化，锯片刃口内液态金属镁提供的保护性氛围下被切割下来的氧化铝颗粒会与含碳液态铝结合全熔渗或半熔渗进入锯片刃口内部，形成韧性、硬度高于被切割材料的氧化铝——碳——铝金属陶瓷刃口微观结构；锯片侧面涂覆有一层绝缘涂层，以防止在切割过程中锯片侧面和被切割材料之间发生放电现象。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的离子水是向纯水内添加离子化合物构成离子溶液；离子化合物为盐酸、硫化氢、硫酸、硝酸、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化镁、硫酸镁、硝酸镁、氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、磷酸钾、磷酸钠或磷酸铵中的一种或多种；离子化合物占纯水的质量百分比为：0.1～5%。