CN104647618A - 一种用于多线切割的异构固结磨料锯线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异构的固结磨料锯线，适用于采用多线切割方法加工晶硅、碳化硅、水晶、蓝宝石等硬质材料。所述锯线采用截面为圆形或近似圆形的金属丝为母线，通过在切割磨料固结层之间合理设置应力释放间隙，降低了切割磨料固结层在切割过程中因锯线弯转而产生的应力集中。本发明通过缓解切割磨料固结层内的应力集中，显著降低了现有锯线技术中切割磨料固结层开裂和伴随而生的切割磨料颗粒脱落拨出的风险，有助于降低固结磨料线锯的断线率。

Description

一种用于多线切割的异构固结磨料锯线

技术领域

本发明涉及一种用于多线切割的异构固结磨料锯线，适用于使用多线切割方法加工晶硅、碳化硅、水晶、蓝宝石等硬质材料，具体地说是一种具有规律性变化的固结磨料段和间隙段的异构锯线。

背景技术

在使用多线切割机来加工晶体硅、蓝宝石、碳化硅以及其它高硬度固体的薄片时，主要有两种工艺路线。一种是使用表面光滑的锯线与分散在液体里的游离磨料；另外一种是使用将磨料颗粒固定在锯线上的固结锯线，固结锯线中比较有代表性的是金刚石锯线。与使用游离磨料的工艺路线相比较，固结锯线在切割成本和环境保护等方面，具有较大的优势。

目前使用的固结磨料锯线，磨料通常是通过电镀金属或树脂结合层，固结粘附于钢线的表面。通常磨料颗粒均匀或相对均匀分布于锯线表面，其固结材料则是呈现连续分布于锯线基底钢线的表面。两类锯线，尤其是电镀法生产的锯线，已经广泛应用于晶体硅的开方、蓝宝石/单晶硅的多线切割等领域。

在多线切割操作中，锯线反复缠绕于导线轮上，锯线需要承受一定的张力。从目前的工业应用情况来分析，布线产生的张力强度一般在0.5-2GPa范围。而带有磨料颗粒的固结层可以被视为是带有大量缺陷的连续薄层，在高的拉伸张力作用下，很容易在缺陷点，即磨料嵌入处产生开裂。这种类型的失效，一般可以通过预加张力等加工手段进行缓解。

锯线在导轮上的弯转也产生应力。以两个导轮一组的情况为例，每次经过导轮，锯线就会被弯曲180°。相应地，锯线在接触导轮的一侧和远离导轮的一侧，就会产生伸长量的差异。这种伸长量的差异数值取决于锯线的线径以及导线轮的直径之比。以晶体硅切割中通常使用的200-375mm直径的导线轮，0.1mm直径的碳钢材质基底钢线来进行估算，则基底钢线在导轮上缠绕时产生的变形量在0.001-0.0006，相应的应力在锯线轴心平均后，在59-100MPa范围，容易在有缺陷的固结层中造成开裂。并且，这种因为锯线弯曲产生的应力无法通过预加张力的方式来消除。

另外，对于锯线这种连续的多层结构，每次弯曲都会产生一定程度的层间应力集中。对于锯线上的固结磨料层来说，其与钢线基底的结合界面需要能够承受这个应力产生的剪切力。通常在应力均匀分布的情况下，结合界面的材质和其与钢线基底的结合强度是可以承受这个应力和剪切力的，但是磨料颗粒的植入同样造成结合层上产生很多缺陷点，在弯曲产生的剪切应力作用下，易造成结合层的破坏。

综上所述，从目前使用固结磨料锯线的生产实际来看，磨料颗粒的拨出和固结层的破坏，是影响其应用的两种主要失效形式，一旦发生，通常结果就是损失当次切割的所有晶片及耗材。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服或缓解现有固结磨料技术中，因锯线弯转产生应力造成磨料固结层失效，进而导致锯线上的磨料颗粒易拨出脱落，产生用户端应用风险的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于多线切割的异构固结磨料锯线，（a）母线为截面圆形或近似圆形的金属丝，直径在0.05mm-0.50mm之间，所述母线为用于固定切割磨料的基底金属丝；（b）母线表面规律性地覆盖有用于固定切割磨料的磨料固结层，所述磨料固结层为金属电镀层和/或合金层；所述磨料固结层为环绕所述锯线轴线的环状、近似环状或螺旋状中的一种或几种；（c）未覆盖所述磨料固结层的部分为应力释放间隙，所述应力释放间隙的长度L1大于相邻最长的磨料固结层长度L2的3%，所述应力释放间隙长度L1和磨料固结层的长度L2均为沿母线轴线方向的长度，相邻磨料固结层长度可以相同，也可以不同。

当锯线围绕导轮弯转时，锯线的外侧因弯转而产生拉应力，拉应力接近/超过某一阈值时，就会导致镀层开裂，陡增其上磨料在接下来进入切割状态时的脱落和被拔出的风险，且导轮直径越小，该种风险越大。考虑到目前市场上的固结磨料线锯的导轮直径一般在200mm-400mm之间，以此为导轮直径的参考区间且不考虑导轮材质变形和表面形变，对上述拉应力的情况做有限元分析，分析中假定固结层采用常用的镍基镀层，厚度为20um，复合磨料后的总体杨氏弹性模量在280-350GPa之间；母线线径100um，杨氏弹性模量200GPa，分析结果表明，要使得每个固结磨料层长度上的曲率下降10%，只需在每段固结层之间，留出长度为固结磨料层长度的5%的应力释放间隙，且该曲率的下降只和母线力学性质、复合了磨料颗粒的固结磨料层的力学性质、固结磨料层厚度与母线线径比率有关。进一步假设磨料固结层上的缺陷基本上为V形缺陷，如果将曲率下降10%，弯转产生的拉应力就会下降10%，对于由硬质材料构成的磨料固结层而言，对比没有应力释放间隔的情况，上述拉应力的降低意味着固结层开裂风险的显著降低，连带显著降低固结层上的磨料颗粒在切割过程中脱落/被拨出风险。实际应用中，可以针对锯线失效的情况，依照本发明的原理调整固结磨料段与间隙的长度比，在最大化切割加工能力的同时，降低失效发生的概率。

进一步地，考虑到切割中使用的导线轮槽材质具有比锯线材料低得多的弹性模量（一般导轮槽所用的聚胺脂的杨氏弹性模量小于90GPa），在锯线的支撑材料具有较低的弹性模量前提下，本发明的分段设计，与通常的连续结构相比，将会进一步降低锯线上的应力。将导轮槽的杨氏弹性模量按90GPa加入到上述有限元计算中，结果表明，使每一固结磨料段长度上的弯曲量下降10%所需的最小间隙长度，下降为3%的固结磨料段长度。

所述应力释放间隙由母线构成，或者由母线和母线表面外加电镀层和/或合金层构成，所述外加电镀层和/或合金层的杨氏模量远小于磨料固结层的杨氏模量。

母线自身带有镀层，不影响上述设计机理，因此母线可以为表面自带有镀层的金属丝。

与此同时，应力释放间隙的长度亦不可过长，以保证应力释放间隙两端的磨料固结层的固结材料不会发生和切割对象之间的直接磨擦。这是因为固结层材料的莫氏硬度通常远低于切割对象，一旦发生直接磨擦，很容易造成磨料固结层两端损坏，尤其是固结磨料锯线的应用多为往复切割（以常规的固结磨料锯线用于晶硅切割为例，同一段锯线通常会在工件中往复工作数百次或更多），若因应力释放间隙设计过长而导致磨料固结层在切割中的某个时刻开始损坏，则固结层的损坏部分实际等同于进一步加大了应力释放间隙的长度，导致此后的固结磨料层边缘损坏进一步加速，如此循环而产生“雪崩”效应。为防止上述情况发生，应力释放间隙的长度L1的取值上限取决于磨料在固结层上的平均突起高度h（也即切割磨料的平均粒径减去磨料固结层的平均厚度），切割过程中的线网线弓高度H和被加工工件的工作面长度I。从工作面的几何构型得出，

$L1\≤\frac{h}{s\ln \left(\mathrm{arctg}\left(\frac{2H}{1}\right)\right)}.$

为了确保任何时刻导轮上都至少有一个完整的应力释放间隙段存在，以减弱磨料固结层因在导轮上弯曲而产生的应力集中，任何一段磨料固结层与应力释放间隔的组合长度均须小于导轮周长的1/4。考虑到应力释放间隔的长度至少应为相邻磨料固结层长度的3%，则任何一段磨料固结层的长度L2均须小于0.24*πD，其中D为锯线导轮的直径，π为圆周率。

与此同时，磨料固结层的长度亦不能过小。这是因为在工作过程中，固结磨料段的边缘因为在一侧没有磨料而更容易发生损伤，导致边缘磨料脱落。为防止上述边缘磨料脱落对锯线的整体切割能力产生的显著影响，一般至少需保证任何磨料固结层的长度L2均不小于100倍的切割磨料颗粒平均粒径。

为保证切割过程中锯屑的排放以及冷却液的合理流动，一般选择切割磨料颗粒在锯线表面的平均分布密度低于70%；所述平均分布密度为磨料平均粒径除以相邻切割磨料颗粒中心之间距离的平均值。

本发明的有益效果是，通过缓解切割磨料固结层内的应力集中，显著降低了现有锯线技术中切割磨料固结层容易开裂和切割磨料颗粒容易脱落拨出的风险，有助于降低固结磨料线锯的断线率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种用于多线切割的异构固结磨料锯线的结构示意图。

图2是图1的异构固结磨料锯线的剖面结构示意图。

图3是图2中A处的局部放大图。

图4是本发明的另一种异构固结磨料锯线的剖面结构示意图。

图6是本发明喷涂近似环状绝缘带的工艺过程示意图。

图7是本发明喷涂近似环状绝缘带的工艺过程示意图。

图8是本发明喷涂螺旋状绝缘带的工艺过程示意图。

图中：1、母线；2、磨料固结层；2-1、切割磨料；2-2、电镀层；2-21、镍电镀层；2-22、磷青铜合金层；3、应力释放间隙；3-1、外加电镀层；L1、应力释放间隙的长度；L2、磨料固结层的长度；4、喷嘴；5、绝缘带。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种针对350mm直径导轮设计的用于多线切割的异构固结磨料锯线。母线1表面有规律地间歇性覆盖用于固定切割磨料2-1的磨料固结层2，磨料固结层2的形状为环绕所述锯线轴线的近似环状，所述磨料固结层2为金属电镀层和合金层。母线1为直径105μm表面镀黄铜线，切割磨料2-1采用平均粒径为12μm的金刚石砂。

未覆盖所述磨料固结层2的部分为应力释放间隙3，所述应力释放间隙3仅由母线1构成；每个应力释放间隙3的长度L1相等，为2mm；每个磨料固结层2的长度L2相等，为20mm。所述应力释放间隙3的长度L1和磨料固结层2的长度L2均为沿母线轴线方向的长度。

切割磨料颗粒在锯线表面的平均分布密度低于70%；所述平均分布密度为磨料平均粒径除以相邻切割磨料颗粒中心之间距离的平均值。

如图3所示，磨料固结层2为镍电镀层2-21和磷青铜合金层2-22。

通过以下装置来制造上述的异构固结磨料锯线，依次至少包括如下部分：

（a）母线预处理装置：具有如图6、图7所示的一组喷嘴4，由3个喷嘴4环绕母线1周向构成，对经过其中的母线1表面间歇式喷涂近似环状的绝缘带5；

（b）母线上砂装置：载有一定分布密度的表面导电切割磨料的电镀装置，对经过其中的经过装置(a)预处理后的母线1，通过电镀方式固着切割磨料2-1，表面导电切割磨料即经过表面带有导电镀层预处理的切割磨料；

（c）镀层增厚装置：通过电镀方式，在经过装置（b）上砂后的锯线上增镀电镀层2-2，以使镀层达到设计厚度。

对于如图3所示的磨料固结层2为镍电镀层2-21、磷青铜合金层2-22的结构，磷青铜合金层2-22的形成，是在所述镀层增厚装置中增加表面加热装置，在先后电镀上铜电镀层和含微量磷的锡电镀层后，加热电镀表面，使铜电镀层、锡电镀层之间反应形成磷青铜合金层2-22。

通过以下步骤来制造上述的异构固结磨料锯线：至少包括以下步骤：

（a）母线预处理：在105μm直径的母线1表面上间歇式喷涂近似环状的长度为0.7mm的环氧树脂绝缘带5，该绝缘带5厚度很小，各实施例的图中都未画出；

（b）母线上砂：将喷涂过环氧树脂绝缘带5的钢线通过分散有12μm粒径金刚石的电镀槽，在钢线表面没有环氧树脂涂层的区域电镀排列紧密的金刚石切割磨料；

（c）镀层增厚：通过电镀方式，在经过步骤（b）上砂后的锯线上增镀电镀层2-2，以使镀层达到设计厚度。

在所述镀层增厚步骤中还可以包括表面加热的步骤，使不同镀层之间反应形成合金层。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于，针对直径为100mm的导轮设计。所述应力释放间隙3由母线1和母线1表面外加电镀层3-1构成，外加电镀层为，其杨氏模量远小于磨料固结层2的杨氏模量。每个应力释放间隙3的长度L1相等，为0.7mm；每个磨料固结层2的长度L2相等，为22mm。

本实施例的制备方法为在实施例1的方法基础上，在步骤（c）后增加一个电镀所述外加电镀层3-1的步骤。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，区别在于，磨料固结层2的形状为环绕所述锯线轴线的螺旋状。每个应力释放间隙的长度L1相等，为1.5mm；每个磨料固结层长度L2相等，为35mm。所述应力释放间隙长度L1和磨料固结层的长度L2均为沿母线轴线方向的长度。

相应地，异构固结磨料锯线制造设备中，母线预处理装置对经过其中的母线1表面喷涂螺旋状的绝缘带5，例如如图8所示，喷嘴4可以环绕母线1周向旋转，母线1匀速通过，表面即可形成的螺旋状的绝缘带5。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种用于多线切割的异构固结磨料锯线，其特征在于：（a）母线为截面圆形或近似圆形的金属丝，直径在0.05mm-0.50mm之间，所述母线为用于固定切割磨料的基底金属丝；（b）母线表面规律性地覆盖有用于固定切割磨料的磨料固结层，所述磨料固结层为金属电镀层和/或合金层；所述磨料固结层为环绕所述锯线轴线的环状、近似环状或螺旋状中的一种或几种；（c）未覆盖所述磨料固结层的部分为应力释放间隙，所述应力释放间隙的长度L1大于相邻最长的磨料固结层长度L2的3%，所述应力释放间隙长度L1和磨料固结层的长度L2均为沿母线轴线方向的长度。

2.如权利要求1所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：所述应力释放间隙仅由母线构成，或者由母线和母线表面外加电镀层和/或合金层构成，所述外加电镀层和/或合金层的杨氏模量远小于磨料固结层的杨氏模量。

3.如权利要求1或2所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：所述母线为表面自带有镀层的金属丝。

4.如权利要求1或2所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：应力释放间隙的长度其中h为切割磨料颗粒的平均粒径减去磨料固结层的平均厚度；H为切割过程中允许的最大线网线弓高度；I为被加工工件的工作面长度。

5.如权利要求1或2所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：所述磨料固结层的长度L2＜0.24*πD，其中D为锯线导轮的直径，π为圆周率。

6.如权利要求1或2所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：所述磨料固结层的长度L2大于切割磨料平均粒径的100倍。

7.如权利要求1或2所述的异构固结磨料锯线，其特征在于：切割磨料颗粒在锯线表面的平均分布密度低于70%；所述平均分布密度为磨料平均粒径除以相邻切割磨料颗粒中心之间距离的平均值。