CN106182466A - 线导体放电加工用于切割半/非导体的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种导线放电加工方法，包括：(a)提供一非导体或弱导体物件，包含一待切割面；(b)提供一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；(c)提供一导电媒介，沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及(d)于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面，其中该导电媒介为熔化残渣，且镀附于待切割面后形成表面合金化，并成为一闭回路可以驱使该切割导线或刀具放电以进行切割。
Description
技术领域
本发明相关于一种导线放电加工装置及其方法，尤其是一种应用于非导体或弱导体的导线放电加工装置及其方法，其中弱导体指热电不良导体。
背景技术
现有关于非导体或弱电导体的切削加工技术，乃依赖传统磨料式的线带切削加工，其产生的切削应力会造成工件破裂与尺寸变异，造成许多负面影响，例如切削件的厚度限制及精度影响，此外，加工效率及材料移除率皆因而降低，当应用于半导体的切削作业上更牵涉耗料选用及制造成本的负担。
另有在抛光的单晶硅平板上镀上一层导电树脂，并在水中进行粗加工，最后在油液中进行精加工；然而，其制程导电效率与传统线锯无法比较。
亦有开发出切削硅晶圆的线切割放电加工机，以0.2mm(200μm)切线径切六吋的多晶硅晶圆，但其实验结果显示并无优于线锯制程。
亦有在多硅晶的线切割放电加工做一系列的特性研究，包含操作的电压与电流、线导体张力与进给速度。
此外，亦有在分层碳纤维迭层复合材料的线放电加工切削中，利用上下夹板的导电性及放电产生的高温特性，成功的切割碳纤维(CFRP)。
然而，由于传统对于热电不良导体的切削制程，具有一定的困难度且切削的形状不够精细完整。因此，本案开发出一种以热为切削能的制程，足以改善生产效率及降低制程成本。
职是之故，申请人鉴于现有技术中所产生的缺失，经过悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终构思出本案「线导体放电加工用于切割半/非导体的装置及其方法」，能够克服上述缺点，以下为本案的简要说明。
发明内容
本发明将两金属板贴合于欲加工的热电不良导体的上方及下方，利用高电压的热效应使上下金属板熔化产生熔渣作为导电或导热媒介，并且经由金属线丝引导熔渣附着在欲加工的热电不良导体表面，进而构成一电路的封闭回路。再利用高电流短时脉冲产生连续的放电加工，藉由放电瞬间产生的高温熔化热电不良导体，以进行热电不良导体的切削制程。且该制程并无残留应力与切削厚度的限制，亦无须将物体浸泡于电解液以进行电镀等浸浴作业，同时兼具节能的效果。
根据本发明的第一构想，提供一种导线放电加工方法，该方法包括：(a)提供一非导体或弱导体物件，包含一待切割面；(b)提供一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；(c)提供一导电媒介，沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及(d)于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
根据本发明的第二构想，提供一种导线放电加工装置，用以导线放电加工一非导体或弱导体物件，其中该物件具一待切割面，该装置包括：一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；一导电媒介供应源，提供一导电媒介，其中该导电媒介沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及一电流源，于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的示意流程图。
图2至图7为本发明一较佳实施例的示意图。
图8为本发明一较佳实施例的一态样。
图9为本发明另一较佳实施例导线放电加工的配置与安排的示意图。
【符号说明】
101、206︰非导体或弱导体物件
102︰待切割面
103：切割导线或刀具
104、207︰线导体
105、209︰第一轴
106、210︰第二轴
107：导电媒介
108：导电媒介供应源
109、202︰第一金属板
110、203︰第二金属板
111：金属熔渣
112：导电夹具
113：电流源
114、115：放电效应
116、208：切削液
117：第一方向
118：第二方向
119：第三方向
204︰第三金属板
205︰第四金属板
具体实施方式
本案将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得本领域技术人员可以据以完成之，然本案的实施并非可由下列实施案例而被限制其实施型态。其中相同的标号始终代表相同的组件。
本发明所提供的导线放电加工方法的一较佳实施例的示意流程图如图1所示。
本发明是一种应用于非导体或弱导体的导线放电加工方法，主要包括以下步骤：
步骤S1：如图2所示，首先提供一非导体或弱导体物件101作为加工工件，其中弱导体是指热电不良导体，其包含一待切割面102，其中非导体或弱导体物件101的材料可使用硅(Silicon)、单晶硅(a-Silicon)、多晶硅(Poly-Silicon)或是碳化硅(SiC)等非导体或弱导体材质。
步骤S2：如图2所示，提供一切割导线或刀具103，具有一切割刀缘可沿着待切割面102切割非导体或弱导体物件101，其中切割导线或刀具103包含一线导体104、第一轴105及相对于第一轴105的第二轴106，线导体104可呈一环形配置为绕设于第一轴105与第二轴106，因此，可藉由转动第一轴105或第二轴106以带动线导体104做顺时针或逆时针的旋转，其中线导体104的材质可使用含铜、锌、钼合金等元素的工业用线，且所有工业用线都可以实施。
步骤S3：如图2所示，提供一导电媒介107，其导电媒介是指任何能导电的物质，其中导电媒介107是由一导电媒介供应源108提供而来的，其导电媒介供应源是指任何能提供或产生导电媒介的物质，本实施例中的导电媒介供应源108以两片金属板(即第一金属板109及第二金属板110)为例，分别贴合于非导体或弱导体物件101的上方与下方表面，其导电媒介107为金属熔渣111，其中两片金属板可为相同或不同的材质，且本发明的导电媒介供应源108并不限于两片金属板，亦可于非导体或弱导体物件101的上方与下方表面使用至少一片以上金属板，且金属板的材质可使用含铝、锌、锡等元素的工业用金属，且所有工业用金属都可以实施。此外，本发明所使用的金属形状并不受限，只要于导线放电加工的过程中，金属能与非导体或弱导体物件101接触形成闭回路即可。
接下来，使用一导电夹具112将上下两片金属板与夹于其中的非导体或弱导体物件101固定住，电流源113分别与上方的第一金属板109及线导体104电连接，电流源113的第一电极直接或间接(例如通过导电夹具112)与第一金属板109及第二金属板110电连接，且电流源113的第二电极与线导体104电连接，该第一电极与第二电极分别为正负极其中之一，正负极的连接方向视第一金属板109与线导体104的材质而定。
如图2及图3所示，将线导体104往靠近上下两片金属板109与110以及非导体或弱导体物件101的第一方向117移动，以电流(较佳为～20A)、电压(较佳为～100V)的条件诱发放电效应114，以对上下两片金属板进行放电，使金属板109与110熔化产生金属熔渣111，并附着于线导体104上，再藉由线导体104顺时针或逆时针的交替旋转，将附着于线导体104上的金属熔渣111镀附、焊合于非导体或弱导体物件101的待切割面102上或进一步渗入待切割面102中形成合金化，造成一导通电回路，始可进行放电。在此放电熔化上下两片金属板109与110的过程中，线导体104不断靠近上下两片金属板109与110，直到线导体104过度接触上下两片金属板109与110后产生短路，使得放电中止(如图4所示)，此时，将线导体104以第二方向118移动以退回预先设定与上下两片金属板109与110的间距(如图5所示)。此外，此步骤中所使用的电流、电压的条件依上下两片金属板与非导体或弱导体物件101的材质种类而可做适度调整。
步骤S4：如图6所示，将线导体104再次以靠近上下两片金属板109与110与非导体或弱导体物件101的第一方向117移动时，以电流(较佳为～5A)、电压(较佳为～200V)的条件，并调整电压及电流的脉宽及间距与放电波形，以高电流短时脉冲(较佳放电时间为～5μs，较佳休息时间为～20μs)对已附上金属熔渣111的非导体或弱导体物件101进行绵密的连续放电，并藉由放电效应115产生高温，以熔化非导体或弱导体物件101的待切割面102。在此放电切割非导体或弱导体物件101的过程中，线导体104不断靠近非导体或弱导体物件101，直到线导体104过度接触非导体或弱导体物件101后产生短路，使得放电中止(如图7所示)，此时，将线导体104再次以第二方向118移动以退回预先设定的间距。此外，此步骤中所使用的电流、电压、放电时间与休息时间的条件依两片金属板与非导体或弱导体物件101的材质种类而可做适度调整。
接下来，不断地重复步骤S3至步骤S4，即可完成非导体或弱导体物件101的切割制程。于步骤S3、步骤S4及重复步骤S3至步骤S4的过程中，将需要配合喷洒一切削液116(如图2至图7所示)，以排除施加该电流时所产生的氧化熔渣，以避免不预期的短路，并藉由调整切削液116的流动与供给，以保持待切割面102时时畅通并填满切削液116以排渣。此外，为避免本实施例中金属熔渣111供应不足而影响放电效果时，可增加金属板109与110的厚度。此外，在上述步骤的切割过程中，若线导体104是以垂直地面的方式以第一方向117靠近上下两片金属板109与110与非导体或弱导体物件101，则切割出的形状为一平面；若其线导体104靠近的过程中是先以垂直地面的方式以第一方向117靠近，并于切割的同时以第三方向119移动第一轴105，使线导体104与地面不再垂直，则可切割出平面以外的形状(参见图8)。因此，本实施例可藉由变换第一轴105或第二轴106的移动方向以经由放电效应将非导体或弱导体物件101切割出所欲的形状。此外，其他相关元件如导电夹具、电流源、切削液等如同图2至图7所载，因此，并未标示于图8中。
由上述本发明一较佳实施例可知，本发明的放电作用引发了下列三个效果：
1.放电作用将金属板熔化产生的金属熔渣附着于线导体104上，再经由线导体104与非导体或弱导体物件101的接触，将金属焊合在非导体或弱导体物件的待切割面上，形成一导通电回路。
2.放电作用将金属板熔化后，溅散出微小的金属颗粒，此金属颗粒随切削液116流动到非导体或弱导体物件101的待切割面，并在待切割面102上产生连续放电。
3.此放电作用无需浸泡于切削液中，只需于放电切削加工面保持一个开放系统，一方面利于排渣，再者可以帮助金属熔层的流动。
本发明所提供的导线放电加工方法的另一较佳实施例的示意图如图9所示，其中显示了本发明导线放电加工制程的配置与安排，本实施例的导电媒介供应源201使用四片金属板(第一金属板202、第二金属板203、第三金属板204及第四金属板205)为例，其中第一金属板202及第二金属板203贴合于非导体或弱导体物件206的上方表面，第三金属板204及第四金属板205贴合于非导体或弱导体物件206的下方表面，其中四片金属板可为相同、不同或部分相同的材质。此外，本实施例的金属板所使用的数量、材质种类、形状，及放电加工方法如同前述实施例所载，且本实施例的其他相关元件如导电夹具、电流源等如同前述实施例所载，因此，并未标示于图9中。图9中，显示了线导体207经由前述实施例所载的导线放电加工方法，利用放电效应产生高温以熔化非导体或弱导体物件206的加工切削过程，其线导体的材质如同前述实施例所载，其中切削液208的喷洒可确保切削面的畅通，并排除因高温产生的氧化熔渣，以避免不预期的短路。
本发明所提供的导线放电加工装置的一较佳实施例的示意图如图2所示，该导线放电加工装置用以导线放电加工一非导体或弱导体物件101，其中弱导体是指热电不良导体，其包含一待切割面102。本发明的导线放电加工装置包括了：切割导线或刀具103、导电媒介供应源108、导电夹具112、电流源113以及切削液116。切割导线或刀具103具有一切割刀缘以沿待切割面102切割非导体或弱导体物件101；导电媒介供应源108可提供导电媒介107，其中导电媒介107可沿切割刀缘附着于待切割面102上；导电夹具112被配置以固定导电媒介供应源108及非导体或弱导体物件101；电流源113包括一第一电极及一第二电极，电流源113的第一电极直接或间接(例如通过导电夹具112)与导电媒介供应源108电连接，且电流源113的第二电极与切割导线或刀具103电连接，使电流源113可于切割导线或刀具103与附着有导电媒介107的待切割面102之间施加一电流，以便熔化待切割面102；切削液116配置为喷洒于切割导线或刀具103与导电媒介供应源108、待切割面102之间，用以排除施加电流时所产生的氧化熔渣，以及降低切割导线或刀具温度，并藉由调整切削液116的流动与供给，以保持待切割面102时时畅通并填满切削液116以排渣。
其中非导体或弱导体物件101具有与待切割面102相邻的表面，且导电媒介供应源108可使用两片金属板(即第一金属板109及第二金属板110)，配置于表面上，导电媒介107为金属熔渣111，藉由在切割导线或刀具103与两片金属板108之间施加一电压，以便两片金属板108熔化且释出金属熔渣111附着于切割导线或刀具103上，其中切割导线或刀具103包含一线导体104、第一轴105及相对于第一轴105的第二轴106，线导体104呈一环形配置为绕设于第一轴105与第二轴106，以便转动第一轴105或第二轴以带动线导体104做顺时针或逆时针的旋转，使附着于线导体104的金属熔渣111附着于待切割面102上，并按上述方法步骤S1～S4进行加工。此外，本实施例中非导体或弱导体物件101的材料可使用硅(Silicon)、单晶硅(a-Silicon)、多晶硅(Poly-Silicon)或是碳化硅(SiC)等非导体或弱导体材质，线导体104的材质可使用含铜、锌、钼合金等元素的工业用线，且所有工业用线都可以实施，且两片金属板可为相同或不同的材质，且本发明的导电媒介供应源108并不限于两片金属板，亦可于非导体或弱导体物件101的上方与下方表面使用至少一片以上金属板(例如在图9所绘示的上方与下方表面各配置两片金属板)，且金属板的材质可使用含铝、锌、锡等元素的工业用金属，且所有工业用金属都可以实施。此外，本发明所使用的金属形状并不受限，只要于放电加工的过程中，金属能与非导体或弱导体物件101接触形成闭回路即可。
实施例
1.一种导线放电加工方法，包括：(a)提供一非导体或弱导体物件，包含一待切割面；(b)提供一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；(c)提供一导电媒介，沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及(d)于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
2.如实施例1所述的导线放电加工方法，更包括步骤(e)：重复步骤(c)-(d)。
3.如实施例1或2所述的导线放电加工方法，其中该物件具有与该待切割面相邻的一表面，且步骤(c)更包括(c1)提供一导电媒介供应源，该导电媒介供应源是一金属板，配置于该表面上。
4如实施例1～3其中之一所述的导线放电加工方法，其中该导电媒介是一金属熔渣，步骤(c)更包括：(c2)将该切割导线或刀具往靠近该金属板的边缘及该待切割面的一第一方向移动，并在该切割导线或刀具与该导电媒介供应源之间施加一电压，以便该金属板熔化且释出该金属熔渣，及使该金属熔渣附着于该待切割面上；以及(c3)该切割导线或刀具接触该导电媒介供应源的边缘与该待切割面后，将该切割导线或刀具往远离该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第二方向移动。
如本发明的实施例3～6其中之一所述的导线放电加工方法，其中步骤(c2)释出的该金属熔渣附着于该切割导线或刀具，该切割导线或刀具包含一线导体，步骤(c2)包括：(c21)提供一第一轴与相对于该第一轴的一第二轴，其中该线导体呈一环形配置为绕设于该第一轴与该第二轴；(c22)转动该第一轴与该第二轴其中之一以带动该线导体，使附着于该线导体的该金属熔渣附着于该待切割面上。
本发明的实施例8
如本发明的实施例3～7其中之一所述的导线放电加工方法，其中步骤(d)更包括：(d1)将该切割导线或刀具往靠近该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第一方向移动，且施加该电流至该切割导线或刀具与该导电媒介供应源的边缘及该待切割面接触；以及(d2)将该切割导线或刀具往远离该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第二方向移动。
本发明的实施例9
如本发明的实施例3～8其中之一所述的导线放电加工方法，其中在步骤(c)中该导电媒介更渗入于该待切割面中。
本发明的实施例10
如本发明的实施例3～9其中之一所述的导线放电加工方法，其中在步骤(e)中更包含喷洒一切削液以排除施加该电流时所产生的氧化熔渣。
本发明的实施例11
一种导线放电加工装置，用以导线放电加工一非导体或弱导体物件，其中该物件具一待切割面，包括：一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；一导电媒介供应源，提供一导电媒介，其中该导电媒介沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及一电流源，于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
本发明的实施例12
如本发明的实施例11所述的导线放电加工装置，其中该物件具有与该待切割面相邻的一表面，该导电媒介供应源是一金属板，配置于该表面上，该导电媒介是一金属熔渣，且在该切割导线或刀具与该金属板之间施加一电压，以便该金属板熔化且释出该金属熔渣附着于该切割导线或刀具。
本发明的实施例13
如本发明的实施例11或12所述的导线放电加工装置，其中该切割导线或刀具更包括一线导体、一第一轴与相对于该第一轴的一第二轴，该线导体呈一环形配置为绕设于该第一轴与该第二轴，以便转动该第一轴与该第二轴其中之一以带动该线导体，使附着于该线导体的该金属熔渣附着于该待切割面上。
本发明的实施例14
如本发明的实施例11～13其中之一所述的导线放电加工装置，更包括一导电夹具，其中该电流源更包括一第一电极及一第二电极，该导电夹具被配置以固定该导电媒介供应源及该物件，该第一电极与该导电媒介供应源电连接，且该第二电极与该切割导线或刀具电连接。
由上述实施例可知，本发明的导线放电加工装置及其方法，乃利用上下金属板熔化后附着在线导体上，藉由线导体碰触非导体或弱电导体材料而移转到该非导体或弱电导体加工件表面，之后再利用线导体接触此已附上金属的非导体或弱电导体而产生一电路回路，进而诱发放电效应，产生高温，熔化加工件表面。本制程可克服传统磨料式的线带切削加工的下列缺点：切削应力易导致工件破裂与尺寸变异、切削工件具有厚度限制、切削的精准度不佳、加工效率及材料移除率过低、于半导体的切削作业上牵涉耗料选用不易及制造成本过高等缺点。
然而，由上述实施例可推得本发明具有以下优点：
1.本发明的导线放电加工方法，并无残留应力与切削厚度的限制，亦无须将物体浸泡于电解液以进行电镀等浸浴作业，同时兼具节能的效果。
2.本发明的导线放电加工方法，是以热为切削能的制程，可改善生产效率及降低制程成本。
3.本发明的导线放电加工方法具有极高的加工精密度，该制程可切削的厚度已经克服300μm的厚度，理论上更可以达成50μm的切片厚度。
4.本发明的导线放电加工方法，经上述实施例所揭示的步骤，可快速且几乎不间断地一次完成非导体或弱电导体物件的切割，且其切割效率与效能是传统机械加工式的3倍以上。
总结而言，本案实为一难得一见，值得珍惜的难得发明，惟以上所述者，仅为本发明的最佳实施例而已，当不能以的限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。
Claims (12)
1.一种导线放电加工方法，包括：
(a)提供一非导体或弱导体物件，包含一待切割面；
(b)提供一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；
(c)提供一导电媒介，沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及
(d)于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
2.如权利要求1所述的导线放电加工方法，更包括步骤(e)：重复步骤(c)-(d)。
3.如权利要求1所述的导线放电加工方法，其中该物件具有与该待切割面相邻的一表面，且步骤(c)更包括(c1)提供一导电媒介供应源，该导电媒介供应源是一金属板，配置于该表面上。
4.如权利要求3所述的导线放电加工方法，其中该导电媒介是一金属熔渣，步骤(c)更包括：
(c2)将该切割导线或刀具往靠近该金属板的边缘及该待切割面的一第一方向移动，并在该切割导线或刀具与该导电媒介供应源之间施加一电压，以便该金属板熔化且释出该金属熔渣，及使该金属熔渣附着于该待切割面上；以及
(c3)该切割导线或刀具接触该导电媒介供应源的边缘与该待切割面后，将该切割导线或刀具往远离该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第二方向移动。
5.如权利要求4所述的导线放电加工方法，其中步骤(c2)释出的该金属熔渣附着于该切割导线或刀具，该切割导线或刀具包含一线导体、一第一轴与相对于该第一轴的一第二轴，其中该线导体呈一环形配置为绕设于该第一轴与该第二轴，步骤(c2)包括：
(c21)转动该第一轴与该第二轴其中之一以带动该线导体，使附着于该线导体的该金属熔渣附着于该待切割面上。
6.如权利要求3所述的导线放电加工方法，其中步骤(d)更包括：
(d1)将该切割导线或刀具往靠近该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第一方向移动，且施加该电流至该切割导线或刀具与该导电媒介供应源的边缘及该待切割面接触；以及
(d2)将该切割导线或刀具往远离该导电媒介供应源的边缘及该待切割面的一第二方向移动。
7.如权利要求1所述的导线放电加工方法，其中在步骤(c)中该导电媒介更渗入于该待切割面中。
8.如权利要求2所述的导线放电加工方法，其中在步骤(e)中更包含喷洒一切削液以排除施加该电流时所产生的氧化熔渣。
9.一种导线放电加工装置，用以导线放电加工一非导体或弱导体物件，其中该物件具一待切割面，包括：
一切割导线或刀具，具一切割刀缘以沿该待切割面切割该物件；
一导电媒介供应源，提供一导电媒介，其中该导电媒介沿该切割刀缘附着于该待切割面；以及
一电流源，于该切割导线或刀具与附着有该导电媒介的该待切割面之间施加一电流，以便熔化该待切割面。
10.如权利要求9所述的导线放电加工装置，其中该物件具有与该待切割面相邻的一表面，该导电媒介供应源是一金属板，配置于该表面上，该导电媒介是一金属熔渣，且在该切割导线或刀具与该金属板之间施加一电压，以便该金属板熔化且释出该金属熔渣附着于该切割导线或刀具。
11.如权利要求10所述的导线放电加工装置，其中该切割导线或刀具更包括一线导体、一第一轴与相对于该第一轴的一第二轴，该线导体呈一环形配置为绕设于该第一轴与该第二轴，以便转动该第一轴与该第二轴其中之一以带动该线导体，使附着于该线导体的该金属熔渣附着于该待切割面上。
12.如权利要求9所述的导线放电加工装置，更包括一导电夹具，其中该电流源更包括一第一电极及一第二电极，该导电夹具被配置以固定该导电媒介供应源及该物件，该第一电极与该导电媒介供应源电连接，且该第二电极与该切割导线或刀具电连接。
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