CN112917721A - 一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及线切割技术领域，特别涉及一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯及其应用，本发明所述线锯芯部为金属丝，线锯表面是由金属镀层固结的金刚石颗粒，所述线锯由弯折部组成，该弯折部的正投影为周期性的波形曲线，该波形曲线中的一个周期性波包含一个或多个波峰或波谷，周期性波的波长为L，最高波峰和最低波谷间的高度为波高H，线锯芯部的直径为线径D，线锯正投影的波形曲线的轴向长度为S，线锯本身的长度为S’，限定波长L与线径D、波高H与线径D的关系，限定施加的张力在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时的结构延伸率

Description

一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯及其应用

技术领域

本发明涉及线切割技术领域，特别涉及一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯及其应用。

背景技术

在光伏、半导体、LED等行业中，利用多线切割工艺，将硬脆材料如硅锭、蓝宝石等材料切割分片，是目前最常用最高效的工艺。其大体的工艺过程如下：

1)构建一组两个或三个导轮；

2)在导论上涂覆高分子材料，并在上面开微槽；

3)将单根金刚石线锯绕在导轮的微槽上，并从导轮的一侧绕到另一侧，最终形成线网；

4)硅锭、蓝宝石等被切割的材料固定在线网上方，并一定的速度缓慢下落，与运动的线网逐步接触，从而被线网切割；

5)硅锭、蓝宝石等被切割时，线网走线方向，在硅锭、蓝宝石等材料两侧布置有喷射冷却液的喷口，线网运动时带着冷却液进行切割；

金刚石线锯在切割硅锭、蓝宝石等材料时，实际上是线锯上的金刚石颗粒在一定压力作用下，与硅锭、蓝宝石接触，通过钢线运动，摩擦、挤压材料表面使之局部破碎、剥落，从而产生切割效果。而金刚石颗粒与被切割材料的摩擦、挤压，会产生大量的热量，如果不能很好的将热量传导出去，摩擦、挤压产生的高温，会使线锯上的金属镀层松软，金刚石颗粒脱落，从而无法切割。同时，破碎、剥落的碎屑要及时从切缝中带出来，不然，大量碎屑会裹住线锯上的金刚石颗粒，使其失去切割能力。

普通的直线型金刚石线锯，都只能靠直线表面的吸附作用，来携带冷却液进入线缝，和把硅粉碎屑带出线缝，这样的携带能力是不足的，从而导致在切割过程中时常会有各种质量缺陷的产生，如线痕等问题，也导致继续缩短单位切割时间，提高切割效率变得困难。

发明内容

本发明旨在提供一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯及其应用，本发明通过将线锯制作成具有弯折部的形状，并在合适张力作用下，依然保持一定的结构延伸率，从而提高携带冷却液的能力，提高从切缝中带出碎屑的能力，改善切割环境，提高切割效率。

为了实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯，所述线锯芯部为金属丝，所述线锯表面是由金属镀层固结的金刚石颗粒，所述线锯由弯折部组成，该弯折部的正投影为周期性的波形曲线，该波形曲线中的一个周期性波包含一个或多个波峰或波谷，周期性波的波长为L，最高波峰和最低波谷间的高度为波高H，线锯芯部直径为线径D，线锯正投影的波形曲线的轴向长度为S，线锯本身的长度为S’，波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于5，小于等于100；波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于0.5，小于等于15；线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率

大于等于0.005％，小于等于0.5％。

上述所述的波形曲线的轴向长度S也就是波形曲线两端的直线距离；线锯本身的长度S’指的是线锯实物的本身的长度，而非线锯投影的曲线的实际长度。当然上述所述的线锯芯部为金属丝，此处的金属丝可以为单根金属丝，也可以为多根金属丝，多根金属丝可以绞合为金属绳后作为线锯芯部再进行镀层固结金刚石颗粒。

当然，上述所述的弯折部可以是周期性的弯折，也可以不是周期性的弯折，但其投影仍然是周期性的波形曲线，例如线锯先进行二维弯折，二维弯折中部分弯折大，部分弯折小，然后再将大的弯折部垂直弯折一次形成三维弯折部，且控制两次弯折的操作手段，使二维弯折和三维弯折部分的投影相同。

优选的，所述线锯沿轴向由周期性弯折部组成。

优选的，所述波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于25，小于等于60。

优选的，所述波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于1，小于等于10。

优选的，所述线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率

大于等于0.049％，小于等于0.08％。本发明中所有涉及数值范围的均包括端值，如线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍，包括0.3倍和0.9倍的取值。

优选的，所述波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于25，小于等于60；和/或所述波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于1，小于等于10；和/或所述线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率

大于等于0.049％，小于等于0.08％。

优选的，所述线径D在0.02mm～0.4mm之间。

优选的，所述线径D在0.03mm～0.08mm之间。

优选的，所述金属丝选自钢丝，钨或其合金丝，钼或其合金丝。

优选的，所述金属丝选自钢丝，所述钢丝为含碳量在0.65％～1.1％的冷拉钢丝。

优选的，所述金属镀层选自镍或其合金，铜或其合金，锌或其合金，钛或其合金。

优选的，所述线锯沿轴向在三维空间中弯折。

优选的，所述波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于25，小于等于60；所述波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于1，小于等于10；所述线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率φ＝(S’-S)/S大于等于0.049％，小于等于0.08％；所述线径D在0.03mm～0.08mm之间；所述金属丝选自含碳量在0.65％～1.1％的冷拉钢丝；所述线锯沿轴向在三维空间中弯折。

本发明所述的高效的切割脆性材料用的金刚石线锯的应用，所述金刚石线锯用于切割硅材、蓝宝石、脆性磁材、陶瓷材料、硬质合金。

有益效果：

限定波长L与线锯芯部直径，也即线径D的关系为：(L-D)/D要在5到100之间，(L-D)/D如果小于5，波长过短，无法做出有效的弯折部分；而如果(L-D)/D要大于100，则单位弯折部分过长，浪费有效弯折部分的携带能力。因此，(L-D)/D要在5到100之间是为了保证弯折部分有足够的凹陷空间来携带冷却液或者碎屑。本发明更加优选的方案是，波长L与线径D之间的关系为(L-D)/D要在25到60之间。

线锯的弯折部分的正投影波高H与线锯芯部直径也即线径D的关系为：(H-D)/D要在0.5到15之间。如果(H-D)/D小于0.5，线锯过于平直，无法有效携带冷却液进入切缝，也无法从切缝中有效带出碎屑。如果(H-D)/D大于15，弯折过大，线锯容易折断，无法切割；因此本发明更优选的(H-D)/D要在1到10之间；

金刚石线锯通常在有张力的条件下工作，因此，在有张力条件下依然保持有足够的结构变形是必要的，因此本发明金刚石线锯限定在外加张力P是其破断力的0.3倍到0.9倍时，其结构延伸率

要在百分之0.005到0.5之间，更优选的在0.049到0.08之间，从而保障本发明金刚石线锯的优异效果；

在线锯芯部的选择上，本发明通过多次实验发现含碳量在0.65％到1.1％的冷拉钢丝，金属镀层选自镍或其合金作为线芯切割时效果更好，并发现线径在0.02mm～0.4mm是较为合适的；

三维空间中弯折得到的线锯可以从360度的方向上带入冷却液和带出碎屑，效果更好。

综上所述，本发明提供的解决方案，是在直线型的金刚石线锯上通过弯折工艺，制作出具有周期性的弯折部分。通过这些弯折部分增大携带冷却液和硅粉碎屑的能力，从而可以大大改善切割产品的表面质量，也可以大大缩短切割时间，提高切割效率。

附图说明

图1本发明二维弯折金刚石线锯示意图。

图2本发明三维弯折金刚石线锯及其投影示意图。

图3本发明金刚石线锯的投影具有多波峰或波谷的形状示意图。

1-线锯芯部；2-金属镀层；3-金刚石颗粒

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中所有涉及的数值范围，意图包含数值范围的两个端值。

本发明中所述的正投影，指的是弯折的金刚石线锯在某些平面上可以形成周期性的波形曲线，其中同时具有最大波高和最长波长的周期性的波形曲线的平面上的投影为正投影。

下面结合实施例对本发明进行详细说明，以方便本领域技术人员理解本发明。

下述实施例中所述高效的金刚石线锯的芯部是金属丝。当金属丝是钢丝时，是由含碳量在0.65％到1.1％的碳钢，经过粗拉，热处理，再冷拉等工艺过程拉制成的直线钢丝。当金属丝材质为钨丝或者钼丝时，是由粗的钨丝或者钼丝，经过冷拉，温拉或者热拉，再冷拉等工艺过程拉制成的直丝。

在一定张力的牵引下，金属直丝通过一组两个互相咬合的齿轮组来变形。两个齿轮之间的咬合间距是可调控的。这样通过咬合齿轮后的金属丝会变成具有周期性的波浪形状，如图1所示。该波浪形状的金属丝的正投影就是具有周期性的波形曲线，因为二维弯折，因此该波浪形状的金属丝与其正投影的波长和波高是相同的。

将该波浪形状的金属丝上到金刚石线锯制造设备，制成波浪形的金刚石线锯。金刚石线锯制备时，金属镀层根据实际需要，可以制成镍合金，铜合金，锌合金或者钛合金。不同的金属镀层，有不同的结合力，对金刚石颗粒的固结力不同，可以适应不同的切割应用情况。

例如，选择牌号SWRH65A，含碳量0.65％的碳钢，拉制成直径0.08mm的钢丝。选择齿间距L等于7.28mm的齿轮作为变形齿轮组的齿轮。调整齿轮组的两个齿轮的间距，使钢丝穿过齿轮组的间隙。钢丝走线速度设定为200m/min到300m/min。牵引张力是钢丝破断力的0.3倍到0.9倍时，钢丝穿过齿轮组后即可形成有周期的波浪形状。微调齿轮间距，直到形成的波高H等于0.48mm。

将该直径为0.08mm的波浪钢丝上到金刚石线锯生产线，金属镀层为镍合金，通过镍金属镀层将金刚石颗粒固结在钢丝表面上。固结金刚石颗粒时，确保生产的张力在0.3倍到0.9倍的钢丝的破断力。不能太高，以便保持钢丝的波浪形状不被破坏。这样，生产下来的波浪形的金刚石线锯，其钢丝芯股上的周期性波浪形状得以保留。该波浪形的金刚石线锯，波长L是7.28mm，波高H是0.48mm。(L-D)与D的比值为90。(H-D)与D的比值是5。金刚石线锯轴向上的长度S，其所包络的线锯长度S’，(S’-S)与S的比值为0.01。这样的金刚石线锯，在一个波长L的范围内，可以周期性的形成约0.4mm高，7.28mm长的一个凹陷空间。而该凹陷结构，在金刚石线锯切割硬脆材料时，可以充分的裹挟冷却液进到切缝中，从而起到很好的冷却作用。而在金刚石线锯从切缝中出来时，该凹陷可以有效地把切割下来的碎屑带出来，从而减少碎屑对切割过程的不利影响。

上述通过一组齿轮变形得到的金刚石线锯为二维弯折的金刚石线锯。如图1所示，该金刚石线锯包括线锯芯部1，金属镀层2和金刚石颗粒3，波浪形状的金刚石线锯的正投影波长为L，由齿轮的齿间距决定。正投影的波高为H，由咬合齿轮之间的间距决定。L和H的大小，根据需要，通过设定齿间距和调整齿轮之间的距离来实现。

如前所述，钢丝的变形是在一组两个相互咬合的齿轮组中变形的。该变形也可以是在两组齿轮组作用下完成。钢丝从一组齿轮组中变形后，进入另一组齿轮组再一次变形。该变形过程可以在第一组齿轮组变形平面的垂直方向上，也可以有一定的角度。或者该齿轮组可以绕着自身的中心轴线旋转。这样变形后的钢丝在空间的三个维度上都可以有变形。但不论哪种方式形成的变形的钢丝，总能够保证，其在某一个平面的投影是有周期性的波浪形。这样得到的金刚石线锯即为三维弯折的金刚石线锯，其示例性结构如图2所示。

当然，在制备三维弯折的金刚石线锯时还可以调整第二组齿轮间距，使钢丝上形成的第二组波的波高与第一组不同，其在平面上的投影可以形成如图3所示，其一根钢丝上的投影的一个周期波内具有不同波高的两组波形。

当然，如果想形成图3所示的投影，也可以是二维弯折的金刚石线锯，只需要调整齿间距和两组齿轮间的距离即可得到。

生产金刚石线锯时，张力控制很重要，必须保持在0.3倍到0.9倍钢丝破断力，不能太高。这样能够保证制成的金刚石线锯，能够保留钢丝芯股的结构特征，即在某一个平面上的投影，具有周期性的波浪形，并且其波长是L，最大的波高是H。

金刚石线锯的芯股金属丝是钨丝或者钼丝时，制成工艺不变。

其他具体实施案例列于表1中：

表1具体实施例

上述实施例1-10均为二维弯折，而实施例11为三维弯折，具体弯折方法为钢丝从一组齿轮组中变形后，进入另一组相同的齿轮组再一次变形。该变形过程是在第一组齿轮组变形平面的垂直方向上，从而形成实施例11中的三维弯折的金刚石线锯。

实施例12

对上表中实施例1-实施例11所制备的金刚石线锯分别进行切割实验。

切割对象为硅棒，硅棒规格是G1，硅棒长度800mm，片厚175um，放线张力为金刚石线锯破断力的60％，冷却液流量是150到200l/min，走线速度是30m/s，加速度5到6m/s。

然后对切割后的一次良率、A率、线痕和TTV进行统计或检验。

硅棒切割完成后，实验结果如下：

表2实施例1-11的实验对比结果

注：

1)线痕是指沿着线纹方向表面凸起和凹陷的高低差，一般大于13um为线痕片。上述表格中线痕(％)指的是切割完成后，大于13um的线痕片的数量/所有硅片的比例。如实施例1中线痕(％)为0.31，指的是如果能切割出10000硅片，则线痕片为31片。

2)TTV是指一张硅片上厚度最大值与最小值的差，一般大于28um为TTV不良。TTV(％)指的是一张硅片上厚度最大值与最小值的差大于28um的硅片数量/所有硅片的比例。

3)A率是指A片在切割后所有产品片中的比率，而A片是指满足客户标准的硅片或硅棒，即无线痕、TTV、尺寸不良、色差、崩边、表面划痕、翘曲等质量缺陷的产品；如果其他指标满足客户标准，但仅有色差或划痕，或线痕在13～20um，则成为B片；其他则为C片，是指报废片。

由表2中数据可知，在切割单晶硅材料G1规格产品时，固定切割的基本要求，如棒长，片厚等，也固定切割的一些基本参数，如走线速度，加速度等，张力设置都为金刚石线锯的60％，在这样的实验条件下，实验结果显示，线径D落在最优范围0.03mm到0.08mm，(L-D)/D在25到60之间，(H-D)/D在1到10之间，结构延伸率(S’-S)/S在0.049到0.08之间的实施例11具有最优的结果，即实施例11的条件在最短的切割时间65min条件下，在一次良率和A率上，都有最高的良率和A率，质量问题线痕率和TTV也都是最低的。

对比例1

采用普通的直线型金刚石线锯，购买自市场型号为50线的金刚石线锯进行实验，该金刚石线锯为直线线锯，该金刚石线锯的芯股为0.052mm，所采用的材料为含碳量为0.9％的钢丝，与本发明的实例2，实例5和实例7作对比。实验过程如下：

切割材料为单晶硅材料，尺寸型号为G12，棒长900mm，片厚175um，张力为60％，冷却液流量为200到250l/min，走线速度为40m/s，加速度6到8m/s，线锯张力均设置为金刚石线锯破断力的60％。

实验结果如下：

表3实施例与商品金刚石线的切割结果对比

由表3中数据可以知道，在实验切割G12规格的单晶硅料时，对比商品线50线，相同切割材料、切割材料的数量和工艺条件下，本发明的实施例切割速度都比商品线要短，一次良率和A率要优于商品线，质量问题线痕和TTV指标明显优于商品线。其中，实施例5的实验结果最好，且这种提升效果是意想不到的效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效的切割脆性材料用的金刚石线锯，所述线锯芯部为金属丝，所述线锯表面是由金属镀层固结的金刚石颗粒，其特征在于，所述线锯由弯折部组成，所述线锯的正投影为周期性的波形曲线，该波形曲线中的一个周期性波包含一个或多个波峰或波谷，周期性波的波长为L，最高波峰和最低波谷间的高度为波高H，线锯芯部直径为线径D，线锯正投影的波形曲线的轴向长度为S，线锯本身的长度为S’，波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于5，小于等于100；波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于0.5，小于等于15；线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率

大于等于0.005％，小于等于0.5％。

2.根据权利要求1所述的金刚石线锯，其特征在于，所述线锯沿轴向由周期性的弯折部组成。

3.根据权利要求1所述的金刚石线锯，其特征在于，所述波长L与线径D之间的关系为：(L-D)/D的值大于等于25，小于等于60；和/或所述波高H与线径D之间的关系为：(H-D)/D的值大于等于1，小于等于10；和/或所述线锯上施加的张力P在线锯本身破断力的0.3到0.9倍时，线锯的结构延伸率

大于等于0.049％，小于等于0.08％。

4.根据权利要求1所述的金刚石线锯，其特征在于，所述线径D在0.02mm～0.4mm之间。

5.根据权利要求4所述的金刚石线锯，其特征在于，所述线径D在0.03mm～0.08mm之间。

6.根据权利要求1所述的金刚石线锯，其特征在于，所述金属丝选自钢丝，钨或其合金丝，钼或其合金丝。

7.根据权利要求6所述的金刚石线锯，其特征在于，所述金属丝选自钢丝，所述钢丝为含碳量在0.65％～1.1％的冷拉钢丝。

8.根据权利要求1所述的金刚石线锯，其特征在于，所述金属镀层选自镍或其合金，铜或其合金，锌或其合金，钛或其合金。

9.根据权利要求1-8任一项所述的金刚石线锯，其特征在于，所述线锯沿轴向在三维空间中弯折。

10.权利要求1-9任一项所述的高效的切割脆性材料用的金刚石线锯的应用，其特征在于，所述金刚石线锯用于切割硅材、蓝宝石、脆性磁材、陶瓷材料、硬质合金。

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