CN104781045B - 钢丝锯装置及切断加工方法 - Google Patents

Abstract

钢丝锯装置(1)使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件(2)上的切断用金属线(3)移动的同时，一边使切断用金属线(3)与钢丝引导部件(2)一起摆动，一边将被加工物(W)按压在切断用金属线(3)上来进行切断加工。钢丝锯装置(1)包括控制单元(8)，控制单元(8)根据切断用金属线(3)的摆动角度控制保持被加工物(W)的保持单元(51)的位置，以便被加工物(W)具有圆弧状的加工形状。

Description

钢丝锯装置及切断加工方法

技术领域

本发明涉及一种例如对硅锭(silicon ingot)等被加工物进行切断的钢丝锯装置及切断加工方法。

背景技术

以往，通常将钢丝锯装置用作从硅锭等被加工物(以下，称为工件)切割出薄板状晶片的单元。在钢丝锯装置中，一边使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件(wire guide)上的切断用金属线移动，一边将工件按压在切断用金属线上，由此在多个部位上同时切断工件。

此外，例如在专利文献1所公开的钢丝锯装置中，利用钢丝引导部件(工作轧辊)使切断用金属线移动的同时，一边使切断用金属线与钢丝引导部件一起摆动，一边对工件进行切断加工。如果这样做，则与不使切断用金属线摆动的情况相比，工件与切断用金属线的接触距离缩短，因此能够提高磨削能力来提高切断速度，并且能够提高切屑排出性能来提高加工精度。

专利文献1：日本公开专利公报特开平01－171753号公报

发明内容

－发明所要解决的技术问题－

然而，在专利文献1所公开的钢丝锯装置中，如图6(a)和图6(b)所示，如果一边使切断用金属线102与钢丝引导部件(工作轧辊)101一起摆动，一边将工件W按压在切断用金属线102上，则工件W的加工形状大致呈“V”字形。其结果是，伴随着今后工件的大口径化，工件W与切断用金属线102的接触距离变长，因此磨削能力降低而导致切断速度变小，并且切屑排出性能恶化而导致加工精度恶化。此外，在切断用金属线102的摆动角度增大时，磨削能力的降低会引起切断用金属线102产生弯曲。尤其是，在想要通过使支承工件W的工作台等支承部件的移动速度增大来使工件W的切断速度增大的情况下，会存在切断用金属线102的弯曲程度进一步加深而产生断线的可能性。

本发明是鉴于所述问题而完成的。其目的在于：在使用摆动型钢丝锯装置进行的切断加工中，能够一边使切断用金属线的断线率降低，一边使工件的切断速度增大。

－用以解决技术问题的技术方案－

为了解决上述问题，本发明所涉及的钢丝锯装置是一种如下所述的钢丝锯装置：上述钢丝锯装置使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件上的切断用金属线移动的同时，一边使上述切断用金属线与上述钢丝引导部件一起摆动，一边将被加工物按压在上述切断用金属线上来对上述被加工物进行切断加工，上述钢丝锯装置包括控制单元，上述控制单元根据上述切断用金属线的摆动角度来控制保持上述被加工物的保持单元的位置，以便上述被加工物具有圆弧状的加工形状。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，根据切断用金属线的摆动角度来控制保持被加工物的保持单元的位置，以便被加工物具有圆弧状的加工形状。换言之，将保持被加工物的保持单元的位置控制成如下：摆动的切断用金属线所延伸的方向总是成为被加工物的加工形状亦即圆弧的切线方向。因此，能够一边使切断用金属线与被加工物点接触，亦即一边使切断用金属线与被加工物的接触距离最小化，一边进行切断加工，因此能够提高磨削能力来使切断速度增大，并且能够提高切屑排出性能来提高加工精度。并且，由于能够一边使切断用金属线与被加工物点接触，一边进行切断加工，因此能够不受切断用金属线的摆动角度的影响而将切断用金属线的弯曲程度控制得较小，因此能够使切断用金属线的断线率降低。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，如果上述切断用金属线一边与具有上述圆弧状的加工形状的上述被加工物点接触一边摆动，则能够可靠地得到上述效果。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，假设上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述被加工物的最大切断长度为L、上述圆弧状的加工形状的半径为A的情况下，如果A≥L/(2×sinθ)，则即使在切断用金属线的摆动角度增大的情况下，也能够防止切断用金属线与被加工物线接触。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，可以使上述圆弧状的加工形状的半径随着对上述被加工物的切断加工的进行而逐渐减小，或者，还可以在刚开始对上述被加工物进行切断加工之后，不让上述切断用金属线摆动。如果这样做，则刚开始切断加工之后能够高效地对被加工物的切断长度较短的被加工物，例如圆柱状被加工物进行切断。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，假设上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述钢丝引导部件的半径为r、上述圆弧状的加工形状的半径为A、上述保持单元的基准位置为P0、上述保持单元的控制位置为P的情况下，如果P＝P0－((r+A)/cosθ－(r+A))，则当摆动中心位于将各钢丝引导部件中心连接的线段的中点上的情况下，能够可靠地得到上述效果。

在本发明所涉及的钢丝锯装置中，如果上述切断用金属线为固定磨粒金属线，则能够对例如由蓝宝石、碳化硅(SiC)等难切削材料构成的被加工物进行切断。

本发明所涉及的切断加工方法是一种如下所述的切断加工方法：在上述切断加工方法中，使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件上的切断用金属线移动的同时，一边使上述切断用金属线与上述钢丝引导部件一起摆动，一边将被加工物按压在上述切断用金属线上来对上述被加工物进行切断加工，在上述切断加工方法中，根据上述切断用金属线的摆动角度来对保持上述被加工物的保持单元的位置进行控制，以便上述被加工物具有圆弧状的加工形状。

在本发明所涉及的切断加工方法中，根据切断用金属线的摆动角度来对保持被加工物的保持单元的位置进行控制，以便被加工物具有圆弧状的加工形状。换言之，将保持被加工物的保持单元的位置控制成如下：摆动的切断用金属线所延伸的方向总是成为被加工物的加工形状亦即圆弧的切线方向。因此，能够一边使切断用金属线与被加工物点接触，亦即一边使切断用金属线与被加工物的接触距离最小化，一边进行切断加工，因此能够提高磨削能力来使切断速度增大，并且能够提高切屑排出性能来提高加工精度。并且，由于能够一边使切断用金属线与被加工物点接触，一边进行切断加工，因此能够不受切断用金属线的摆动角度的影响而将切断用金属线的弯曲程度控制得较小，因此能够使切断用金属线的断线率降低。

在本发明所涉及的切断加工方法中，如果上述切断用金属线一边与具有上述圆弧状的加工形状的上述被加工物点接触一边摆动，则能够可靠地得到上述效果。

在本发明所涉及的切断加工方法中，假设上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述被加工物的最大切断长度为L、上述圆弧状的加工形状的半径为A的情况下，如果A≥L/(2×sinθ)，则即使在切断用金属线的摆动角度增大的情况下，也能够防止切断用金属线与被加工物线接触。

在本发明所涉及的切断加工方法中，可以使上述圆弧状的加工形状的半径随着对上述被加工物的切断加工的进行而逐渐减小，或者，还可以在刚开始对上述被加工物进行切断加工之后，不让上述切断用金属线摆动。如果这样做，则刚开始切断加工之后能够高效地对被加工物的切断长度较短的被加工物，例如圆柱状被加工物进行切断。

在本发明所涉及的切断加工方法中，假设上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述钢丝引导部件的半径为r、上述圆弧状的加工形状的半径为A、上述保持单元的基准位置为P0、上述保持单元的控制位置为P的情况下，如果P＝P0－((r+A)/cosθ－(r+A))，则当摆动中心位于将各钢丝引导部件中心连接的线段的中点上的情况下，能够可靠地得到上述效果。

在本发明所涉及的切断加工方法中，如果上述切断用金属线为固定磨粒金属线，则能够对例如由蓝宝石、碳化硅(SiC)等难切削材料构成的被加工物进行切断。

－发明的效果－

根据本发明的钢丝锯装置，在使用摆动型钢丝锯装置进行的切断加工中，既能够使切断用金属线的断线率降低，又能够使工件的切断速度增大。因此，既能够减少加工成本，又能够缩短加工时间来提高生产率。

附图说明

图1是表示实施方式所涉及的钢丝锯装置的整体构成的图。

图2是表示实施方式所涉及的切断加工方法中工件移动轴X与切断用金属线的摆动情况的关系的图。

图3是表示实施方式所涉及的切断加工方法中加工圆弧与切断用金属线的摆动情况的关系的图。

图4是示意性地表示实施方式所涉及的切断加工方法中切断用金属线与加工圆弧的接触状态伴随着摆动角度的变化而发生变化的情况的图。

图5是表示实施方式所涉及的切断加工方法中摆动角度和工作台位置随时间发生变化的一个例子的图。

图6(a)是表示现有钢丝锯装置所存在的问题的图，图6(b)是放大表示图6(a)的主要部分的图。

具体实施方式

下面，参照附图对一实施方式所涉及的钢丝锯装置及切断加工方法进行说明。

图1是表示本实施方式所涉及的钢丝锯装置的整体构成的图。图1所示的钢丝锯装置1用于在多个部位同时将被加工物(以下，称为工件W)切断成薄板状晶片，上述被加工物是指用于制造例如半导体装置、太阳电池等的硅锭等被加工物。

如图1所示，钢丝锯装置1包括形成有通孔12的侧壁板10，旋转轴心沿水平方向延伸的摆动圆板91以自如地转动的方式安装在该侧壁板10的通孔12中。在摆动圆板91的侧壁板10的正面侧安装有钢丝引导部件支撑部4，钢丝引导部件支撑部4的上方是开放的，并且侧视时其大致成“U”字形。在摆动圆板91的侧壁板10的背面侧安装有被进行伺服电机控制并且旋转轴心沿水平方向延伸的两个钢丝引导部件驱动电动机20。在侧壁板10的背面的钢丝引导部件驱动电动机20的一侧安装有驱动摆动圆板91使其摆动的摆动驱动电动机92。摆动驱动电动机92通过未图示的同步带等来将旋转力传递给摆动圆板91，从而使摆动圆板91绕其轴心在规定的角度范围内摆动。

在钢丝引导部件支撑部4上以自如地旋转的方式安装有并排布置的两个钢丝引导部件2。各钢丝引导部件2的旋转轴与各钢丝引导部件驱动电动机20的输出轴连结，各钢丝引导部件2在各钢丝引导部件驱动电动机20的驱动下旋转，从而各钢丝引导部件2绕其水平轴心旋转。另外，摆动圆板91的轴心(以下，有时还称为摆动中心)位于将各钢丝引导部件2的中心(旋转轴)连接的线段的中点上。

用于切断工件W的一根金属线(以下，称为切割用金属线3)在各钢丝引导部件2的水平轴心方向上相隔规定间距，并且以螺旋状卷绕在各钢丝引导部件2上。切断用金属线3的一端侧位于一钢丝引导部件2的外侧，其被多个圆盘状带轮P引导并且延伸至金属线供给装置6。金属线供给装置6包括卷绕有切断用金属线3的新线部分的供给侧绕线骨架61和驱动该供给侧绕线骨架61使其旋转的辅助电动机62，由此将切断用金属线3传送给钢丝引导部件2。切断用金属线3的另一端侧位于另一钢丝引导部件2的外侧，其被多个圆盘状带轮P引导并且延伸至金属线卷取装置7。金属线卷取装置7包括：将从钢丝引导部件2传送过来的切断用金属线3卷取的卷取侧绕线骨架71；以及驱动该卷取侧绕线骨架71使其旋转的辅助电动机72。另外，为了控制切断用金属线3的张力，在布置于各钢丝引导部件2的外侧的一个圆盘状带轮P上安装有张力臂11。

在本实施方式的钢丝锯装置1中，利用钢丝引导部件驱动电动机20和辅助电动机62、72的驱动而进行旋转，由此对切断用金属线3交替地重复进行如上所述的传送和比该传送的长度短规定长度的卷取动作。由此，从金属线供给装置6侧依次送出切断用金属线3的新线部分，并将其向金属线卷取装置7侧传送。

在将各钢丝引导部件2的中心(旋转轴)连接的线段上的中点(即摆动中心)的上方设置有大致呈长方体形状的工件保持部件51，工件保持部件51以与卷绕在各钢丝引导部件2上的切断用金属线3相对的方式设置。工件保持部件51的下端把持工件W，另一方面，在工件保持部件51的上端安装有被进行伺服电机控制的工件升降电动机52。

在本实施方式中，如果在使切断用金属线3移动的状态下驱动工件升降电动机52使其旋转，则工件保持部件51利用未图示的滚珠螺杆机构下降，从而工件W被按压在切断用金属线3上，由此在多个部位上同时切割出晶片。

此外，如图1所示，钢丝引导部件驱动电动机20、工件升降电动机52、辅助电动机62、辅助电动机72以及摆动驱动电动机92与对这些电动机进行控制的控制装置8连接。控制装置8包括中央处理器(CPU)和存储有控制程序的存储器等，在此未图示。控制装置8控制钢丝引导部件驱动电动机20、辅助电动机62以及辅助电动机72，以便一边交替地重复进行切断用金属线3的传送动作和卷取动作，一边依次送出切断用金属线3的新线部分。此外，控制装置8控制工件升降电动机52以便工件保持部件51进行上升和下降，并且控制摆动驱动电动机92以便切断用金属线3与各钢丝引导部件2一起摆动。

本实施方式的特征如下：控制装置8根据切断用金属线3的摆动角度来控制工件保持部件51的位置，以便工件W的加工形状成为圆弧状。换言之，控制装置8将工件保持部件51的位置控制成：摆动的切断用金属线3所延伸的方向总是成为工件W的加工形状亦即圆弧的切线方向。由此，能够一边使切断用金属线3与工件W点接触，亦即一边使切断用金属线3与工件W的接触距离最小化，一边进行切断加工，因此能够提高磨削能力来使切断速度增大，并且能够提高切屑排出性能来提高加工精度。并且，由于能够一边使切断用金属线3与工件W点接触，一边进行切断加工，因此能够不受切断用金属线3的摆动角度的影响而将切断用金属线3的弯曲控制得较小，因此能够使切断用金属线3的断线率降低。

因此，根据本实施方式，在使用摆动型钢丝锯装置进行的切断加工中，能够一边减少加工成本，一边缩短加工时间来提高生产率。

下面，以摆动圆板91的轴心(摆动中心)位于将各钢丝引导部件2的中心(旋转轴)连接的线段上的中点上的情况为例，并参照图2～图5来说明由控制装置8对工件保持部件51进行的位置控制。

图2是表示将摆动中心和工件W(工件保持部件51)的中心连接的线(以下，称为工件移动轴X)与切断用金属线3的摆动情况的关系的图。在此，假设钢丝引导部件2的半径为r、切断用金属线3的摆动角度(在本实施方式中，是指连接各钢丝引导部件2的中心(旋转轴)的线与水平方向所形成的角度：下同)为θ，则如图2所示，以摆动角度θ＝0°时的位置为基准(0)，工件移动轴X与切断用金属线3相交的点的位置C1用C1＝(r/cosθ)－r表示。

图3是表示工件W的加工形状亦即圆弧(以下，称为加工圆弧)与切断用金属线3的摆动情况的关系的图。在此，假设加工圆弧的半径为A，则如图3所示，以摆动角度θ＝0°时的位置为基准(0)，加工圆弧与切断用金属线3点接触的位置(工件移动轴X方向的位置)C2用C2＝(A/cosθ)－A表示。

因此，假设工件保持部件51的基准位置为P0、为了使工件W具有圆弧状的加工形状而将基准位置P0与偏差量相加而得的工件保持部件51的控制位置为P，则P能够用下述式表示。

P＝P0－C1－C2

＝P0－((r/cosθ)－r)－((A/cosθ)－A))

＝P0－((r+A)/cosθ－(r+A))

在此，当假设不对本实施方式的工件保持部件51进行位置控制的情况下，如果工件保持部件51例如以恒定速度V0进行下降，则在加工时间为t的情况下基准位置P0用P0＝V0×t来表示。另外，在图1所示的钢丝锯装置1的情况下，基准位置P0、控制位置P以及速度V0分别将向下方向设为正方向。

图4是示意性地表示假设钢丝引导部件2的半径r为111mm、加工圆弧半径A为1000mm时对本实施方式的工件保持部件51进行位置控制的情况下，切断用金属线3与加工圆弧的接触状态伴随着摆动角度θ的变化而发生变化的情况。如图4所示，在摆动角度θ的最大值例如为10°的情况下，如果圆弧角度(工件移动轴X与切断用金属线3的法线方向所形成的角度)超过10°，则切断用金属线3与工件W就会线接触。因此，为了在即使摆动角度θ增大的情况下也要维持切断用金属线3与工件W点接触的状态，加工圆弧半径A应该满足A≥L/(2×sinθ)，其中，L是指工件W的最大切断长度(在本实施方式中，是指工件W在工件移动轴X的法线方向上的最大尺寸)。

图5表示假设钢丝引导部件2的半径r为111mm、加工圆弧半径A为1000mm时对本实施方式的工件保持部件51进行位置控制的情况下，摆动角度θ和工件保持部件51的位置(在图中是工作台位置)随时间推移的变化情况的一个例子。另外，在图5中，作为比较例而示出了在没有对本实施方式的工件保持部件51进行位置控制的情况下工作台位置随时间推移的变化情况。如图5所示，相对于比较例中工作台位置单调地变化(即工件保持部件51以恒定速度下降)，在本实施方式中，根据摆动角度θ来精密地进行工作台位置控制(即工件保持部件51的上升和下降)。与通过比较例的切断加工而得到的晶片进行比较，在通过本实施方式的切断加工而得到的晶片中，弯曲精度和表面粗糙度分别改善了60％左右和30％左右。此外，与比较例的切断加工进行比较，则在本实施方式的切断加工下切断用金属线3的断线率降低了30％左右。

可适用本发明的钢丝锯装置并不限于图1所示的钢丝锯装置1，而是能够广泛地适用于如下所述的类型的钢丝锯装置：该钢丝锯装置使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件上的切断用金属线移动的同时，一边使切断用金属线与钢丝引导部件一起摆动一边将被加工物按压在切断用金属线上来进行切断加工。例如，在图1所示的钢丝锯装置1上安装有两个钢丝引导部件2，而本发明还能够适用于包括三个以上的钢丝引导部件的钢丝锯装置。此外，在图1所示的钢丝锯装置1中，还可以一边向切断用金属线供给含磨粒的浆料(slurry)一边进行切断加工。

此外，在图1所示的钢丝锯装置1中，使摆动圆板91的轴心(摆动中心)位于将各钢丝引导部件2的中心(旋转轴)连接的线上的中点上，然而摆动中心的布置位置并没有特别限制，例如，还可以使摆动中心位于工件移动轴X上的任意点上，但需要根据摆动中心的布置位置来改变工件保持部件51的控制位置P的计算式。此外，在本实施方式中，假设工件保持部件51以恒定速度下降的情况来设定了工件保持部件51的基准位置P0，然而基准位置P0的设定方法并没有特别限制，例如，还可以假设工件保持部件51的速度根据工件W的切断加工的进行情况而非连续地变化的情况，来设定基准位置P0。

此外，可适用本发明的工件W的形状(加工前的形状)并没有特别限制，本发明还能够广泛地适用于对具有例如圆柱状、长方体状等多种形状的工件W的处理。在此，为了高效地对刚开始切断加工之后的工件W的切断长度(在本实施方式中，是指工件移动轴X的法线方向上的工件W的尺寸)较短的被加工物例如圆柱状被加工物进行切断，还可以使加工圆弧半径A随着对工件W进行切断加工而逐渐减小。或者，还可以在刚开始对工件W进行切断加工之后使切断用金属线不摆动。此外，工件W的材质并不局限于硅等，但当工件W例如由蓝宝石、碳化硅(SiC)等难切削材料形成的情况下，优选将固定磨粒金属线用作切断用金属线。在将固定磨粒金属线用作切断用金属线的情况下，可以一边供给冷却用水等一边进行切断加工，以冷却用水等来代替含磨粒的浆料。

－产业实用性－

本发明的钢丝锯装置对于切断例如硅锭等被加工物的钢丝锯装置及切断加工方法有用。

－符号说明－

1 钢丝锯装置

2 钢丝引导部件

3 切断用金属线

4 钢丝引导部件支撑部

6 金属线供给装置

7 金属线卷取装置

8 控制装置

10 侧壁板

11 张力臂

12 通孔

20 钢丝引导部件驱动电动机

51 工件保持部

52 工件升降电动机

61 供给侧绕线骨架

62 辅助电动机

71 卷取侧绕线骨架

72 辅助电动机

91 摆动圆板

92 摆动驱动电动机

P 带轮

W 工件

Claims (12)

1.一种钢丝锯装置，其特征在于：

上述钢丝锯装置使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件上的切断用金属线移动的同时，一边使上述切断用金属线与上述钢丝引导部件一起摆动，一边将被加工物按压在上述切断用金属线上来对上述被加工物进行切断加工，

上述钢丝锯装置包括控制单元，上述控制单元根据上述切断用金属线的摆动角度来控制保持上述被加工物的保持单元的位置，以便上述被加工物具有圆弧状的加工形状，

上述切断用金属线一边与具有上述圆弧状的加工形状的上述被加工物点接触一边摆动。

2.根据权利要求1所述的钢丝锯装置，其特征在于：

在上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述被加工物的最大切断长度为L、上述圆弧状的加工形状的半径为A的情况下，A≥L/(2×sinθ)。

3.根据权利要求1或2所述的钢丝锯装置，其特征在于：

使上述圆弧状的加工形状的半径随着对上述被加工物的切断加工的进行而逐渐减小。

4.根据权利要求1或2所述的钢丝锯装置，其特征在于：

刚开始对上述被加工物进行切断加工之后，不让上述切断用金属线摆动。

5.根据权利要求1或2所述的钢丝锯装置，其特征在于：

在上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述钢丝引导部件的半径为r、上述圆弧状的加工形状的半径为A、上述保持单元的基准位置为P0、上述保持单元的控制位置为P的情况下，P＝P0－((r+A)/cosθ－(r+A))。

6.根据权利要求1或2所述的钢丝锯装置，其特征在于：

上述切断用金属线为固定磨粒金属线。

7.一种切断加工方法，其特征在于：

在上述切断加工方法中，使以螺旋状卷绕在多个钢丝引导部件上的切断用金属线移动的同时，一边使上述切断用金属线与上述钢丝引导部件一起摆动，一边将被加工物按压在上述切断用金属线上来对上述被加工物进行切断加工，

在上述切断加工方法中，根据上述切断用金属线的摆动角度来对保持上述被加工物的保持单元的位置进行控制，以便上述被加工物具有圆弧状的加工形状，

上述切断用金属线一边与具有上述圆弧状的加工形状的上述被加工物点接触一边摆动。

8.根据权利要求7所述的切断加工方法，其特征在于：

在上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述被加工物的最大切断长度为L、上述圆弧状的加工形状的半径为A的情况下，A≥L/(2×sinθ)。

9.根据权利要求7或8所述的切断加工方法，其特征在于：

使上述圆弧状的加工形状的半径随着对上述被加工物的切断加工的进行而逐渐减小。

10.根据权利要求7或8所述的切断加工方法，其特征在于：

刚开始对上述被加工物进行切断加工之后，不让上述切断用金属线摆动。

11.根据权利要求7或8所述的切断加工方法，其特征在于：

在上述切断用金属线的摆动角度为θ、上述钢丝引导部件的半径为r、上述圆弧状的加工形状的半径为A、上述保持单元的基准位置为P0、上述保持单元的控制位置为P的情况下，P＝P0－((r+A)/cosθ－(r+A))。

12.根据权利要求7或8所述的切断加工方法，其特征在于：

上述切断用金属线为固定磨粒金属线。