CN115609770A - 一种超声空化辅助线锯切割加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声空化辅助线锯切割加工装置及方法，涉及硬脆材料切割领域，其中装置包括：锯丝进给单元，用于带动锯丝向下做进给运动；金刚石线锯单元，具有锯丝且用于驱动锯丝做切割运动；横向超声振动单元，用于对锯丝施加超声振动；液体槽，盛装有液体介质；以及工件回转单元，设置于液体槽的外侧，用于安装工件并带动工件做回转运动；其中，工件在加工时穿至液体槽的内部，并浸没在液体介质中。本发明利用超声空化辅助线锯切割，较大地降低了切削温度和切削力，提高了工件加工过程中的排屑能力，改善了工件表面加工质量和锯丝切割性能，并且锯丝振动产生的超声空化气泡直接作用于切割区域的工件表面，进一步地增强了空化效应的效果。
Description
技术领域
本发明涉及硬脆材料切割领域，具体涉及一种超声空化辅助线锯切割加工装置及方法。
背景技术
在半导体行业飞速发展的今天，单晶硅作为一种重要的半导体材料，广泛应用于芯片、太阳能电池、大功率晶体管等产品。单晶硅作为芯片的衬底材料，在制备过程中需要将单晶硅棒切割成为所需形状，在加工单晶硅时，工序一般为“锯切-粗研-精研-抛光”。其中，金刚石线锯切割单晶硅片作为半导体制造技术中的第一步，也是最关键的一步工艺，其切片质量直接影响着芯片制造的质量和成本。由于单晶硅属于半导体材料，如果采用电火花对其进行加工，效率较低。因此，单晶硅的切割加工通常采用线锯切割等机械加工方式。金刚石线锯具有可自由改变切割方向、材料损失少、加工获得的零件翘曲度小等优点被广泛应用于单晶硅的加工。
现有技术中，常见的线锯加工方法有传统线锯切割加工方法和超声辅助线锯切割方法。
传统线锯切割方法的原理如图5所示，锯丝2以Vs的速度走丝，同时以Vw的速度向下进给，对单晶硅棒1进行切割。这种方法优点是加工难度低、效率较高，但其存在加工质量较差、切削温度高、以及加工过程中排屑困难导致锯切力较大等缺点。
超声辅助线锯切割方法是一种在传统线锯切割方式的基础上施加超声激励以达到改善对硬脆材料的加工性能的复合加工方法，其原理如图6所示，经多个导向轮4导向的锯丝2以Vs的速度走丝和Vw的速度向下进给对单晶硅棒1进行切割的同时，在超声导轮3超声激励的作用下做振幅为A且频率为f的横向振动。这种方法相较于传统线锯切割方法改善了加工工件表面质量，但是改善效果不甚明显。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种超声空化辅助线锯切割加工装置及方法，以较大地改善工件表面加工质量及减小锯切力。
本发明提供了一种超声空化辅助线锯切割加工装置，具有这样的特征，包括：锯丝进给单元，用于带动下述金刚石线锯单元向下做进给运动；金刚石线锯单元，具有锯丝且用于驱动锯丝做切割运动；横向超声振动单元，用于对锯丝施加超声振动，并且由锯丝进给单元带动与金刚石线锯单元一起升降；液体槽，盛装有液体介质且设置于金刚石线锯单元和横向超声振动单元的下方；以及工件回转单元，设置于液体槽的外侧，用于安装工件并带动工件做回转运动；其中，工件在加工时穿至液体槽的内部，并浸没在液体介质中
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：液体槽的侧壁上开设有供工件穿过的通孔，并且该通孔处设有用于防止液体介质泄漏的橡胶层，液体槽的侧壁上还开设有从上边沿向下延伸且供锯丝通过的切缝。
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：还包括：机床基座，具有多根相平行且用于承载和安装液体槽的型材；其中，液体槽的底部设有多根相平行的型材，液体槽底部的型材水平垂直地设置在机床基座的型材的上面，并与机床基座的型材通过角接件和紧固件相连接。
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：金刚石线锯单元还包括卷丝装置、两个张紧轮、以及两个导向轮，两个张紧轮在水平方向分布，两个导向轮在水平方向分布且分别位于两个张紧轮的下方，锯丝绕在卷丝装置、两个张紧轮、两个导向轮上并形成闭合环，锯丝的位于两个导向轮之间的居中部分为切割工件的切割段。
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：横向超声振动单元包括超声波发生器、换能器、变幅杆、超声导轮、以及辅助导轮，超声波发生器与换能器电连接，换能器、变幅杆、超声导轮从上至下依次连接，超声导轮与锯丝的靠近切割段的部分接触以传递超声振动，辅助导轮接触锯丝且与超声导轮关于锯丝的切割段对称布置。
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：工件回转单元包括回转工作台，工件为单晶硅棒且通过粘接的方式安装在回转工作台上。
在本发明提供的超声空化辅助线锯切割加工装置中，还可以具有这样的特征：还包括：锯切力测试单元，用于检测锯丝在加工过程中的锯切力；振动测试单元，用于检测锯丝在加工过程中的振动参数。
进一步地，锯切力测试单元包括依次电连接的测力仪、电荷放大器、数据采集器、以及计算机，测力仪与工件回转单元连接且用于采集工件被切割时的压力信号。
进一步地，振动测试单元，包括依次电连接的测量头、振动测量仪、以及数字示波器，DWS电容式位移传感器的测量头靠近锯丝的切割段部分且用于采集锯丝的振动信号。
本发明还提供了一种超声空化辅助线锯切割加工方法，使用上述的超声空化辅助线锯切割加工装置，包括以下步骤：工件浸没在液体槽的液体介质中，并由工件回转单元带动做回转运动，同时锯丝在金刚石线锯单元的驱动下做切割运动、在锯丝进给单元的带动下向下做进给运动，对工件进行切割加工，同时横向超声振动单元对锯丝施加超声振动，使锯丝的超声振动在液体介质中产生空化效应，利用空化效应辅助去除工件表面的材料，并加速排出附着在锯丝上的切屑。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的超声空化辅助线锯切割加工装置及方法，因为包括锯丝进给单元、金刚石线锯单元、横向超声振动单元、液体槽、以及工件回转单元，在加工时，工件浸没在液体槽的液体介质中，并由工件回转单元带动做回转运动，同时锯丝在金刚石线锯单元的驱动下做切割运动、在锯丝进给单元的带动下向下做进给运动，对工件进行切割加工，同时横向超声振动单元对锯丝直接施加超声振动，使锯丝的超声振动在液体介质中产生空化效应，利用空化效应辅助去除工件表面的材料，并加速排出附着在锯丝上的切屑，所以，本发明利用超声空化辅助线锯切割，较大地降低了切削温度和切削力，较大地提高了工件加工过程中的排屑能力，较大地改善了工件表面加工质量和锯丝切割性能，并且锯丝振动产生的超声空化气泡直接作用于切割区域的工件表面，进一步地增强了空化效应的效果。
附图说明
图1是本发明的实施例中超声空化辅助线锯切割加工装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例中横向超声振动单元、液体槽、工件回转单元的结构示意图；
图3是本发明的实施例中使用超声空化辅助线锯切割方法加工单晶硅棒的原理示意图；
图4是本发明的实施例中超声空化辅助线锯切割加工单晶硅棒的作用机制图；
图5是使用传统线锯切割方法加工单晶硅棒的原理示意图；
图6是使用超声辅助线锯切割方法加工单晶硅棒的原理示意图。
附图标记说明：
1单晶硅棒；2锯丝；3超声导轮；4导向轮；10锯丝进给单元；20金刚石线锯单元；21锯丝；211金刚石磨粒；22卷丝装置；23张紧轮；24导向轮；30横向超声振动单元；31超声波发生器；32换能器；33变幅杆；34超声导轮；35辅助导轮；40液体槽；41通孔；42切缝；43型材；50工件回转单元；51回转工作台；60锯切力测试单元；61测力仪；62电荷放大器和数据采集器；63计算机；70振动测试单元；71测量头；72振动测量仪；73数字示波器；A气泡溃灭；B微射流；C切屑。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
实施例
图1是超声空化辅助线锯切割加工装置的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种超声空化辅助线锯切割加工装置，主要包括锯丝进给单元10、金刚石线锯单元20、横向超声振动单元30、液体槽40、以及工件回转单元50。
锯丝进给单元10主要用于带动金刚石线锯单元20进行升降，实现锯丝向下的进给运动，它是现有金刚石线切割机床的一部分，具体功能通过升降装置实现，升降装置采用金刚石线切割机床上常用的升降装置即可。
金刚石线锯单元20安装在锯丝进给单元10的升降装置上，并由升降装置带动在竖直方向升降，金刚石线锯单元20用于驱动锯丝21做切割运动，它是现有金刚石线切割机床的一部分，包括锯丝21、卷丝装置22、张紧轮23、以及导向轮24。具体地，卷丝装置22、两个张紧轮23、两个导向轮24安装在升降装置上且位于同一竖直面上，两个张紧轮23在水平方向分布，两个导向轮24也在水平方向分布且分别位于两个张紧轮23的下方，锯丝21绕在卷丝装置22、两个张紧轮23、两个导向轮24上并形成闭合环，其中，卷丝装置22用于实现卷丝和布丝的功能，张紧轮23通过金刚石线切割机床上的张紧轮调节装置来调节位置以张紧锯丝21，导向轮24起到对锯丝21的导向作用，锯丝21采用基体为不锈钢丝的电镀金刚石线锯，锯丝21的位于两个导向轮24之间的居中部分为切割工件的切割段。
图2是横向超声振动单元30、液体槽40、工件回转单元50的结构示意图。
如图1和图2所示，横向超声振动单元30用于对锯丝21施加超声振动，主要包括超声波发生器31、换能器32、变幅杆33、以及超声导轮34。具体地，超声波发生器31用于将外接电源的电信号转变为高频高压电信号，换能器32、变幅杆33、超声导轮34从至下依次连接，其中，换能器32和变幅杆33安装在锯丝进给单元10的升降装置上，并由升降装置带动与金刚石线锯单元20一起升降，换能器32与超声波发生器31电连接且用于将超声波发生器31输出的高频高压电信号转换为机械振动，变幅杆33用于将换能器32输出的机械振动的振幅放大，超声导轮34与锯丝21的靠近切割段的部分接触以传递超声振动，超声导轮34的外壳材料采用高分子材料。
此外，横向超声振动单元30还包括辅助导轮35，辅助导轮35安装在升降装置上且与超声导轮34关于锯丝21的切割段对称布置，辅助导轮35起到辅助支撑的作用，避免锯丝21的切割段偏离位置。
如图1和图2所示，液体槽40安装在金刚石线切割机床的机床基座上且位于金刚石线锯单元20和横向超声振动单元30的下方，液体槽40为上开口的槽体，内部盛装有液体介质，液体介质用于提供产生空化效应的液体环境。在本实施例中，如图2所示，液体槽40呈长方体，液体槽40的一个侧面的上部居中处开设有供工件穿过的通孔41，与该侧面相邻的两个侧面的居中处均开设有从上边沿向下延伸且供锯丝21通过的切缝42，通孔41和切缝42设计时留有余量，能降低液体槽40的满足加工条件的安装难度；液体槽40的底部安装有至少两根平行设置的型材43，这两根型材43水平垂直地设置在机床基座的多根平行的型材43上面，并与机床基座的多根型材43通过角接件和紧固件相连接，采用这种型材连接的安装结构不仅方便安装和拆卸液体槽40，还方便调节液体槽40的位置。
如图1所示，工件回转单元50用于安装工件并带动工件做回转运动，它是现有金刚石线切割机床的一部分，具体功能通过设置在机床基座上的回转工作台51实现，回转工作台51采用金刚石线切割机床上常用的回转工作台即可。回转工作台51在机床基座上的位置可通过机床附加轴进行调节，进而能带动工件水平移动，满足加工需要。
图3是使用超声空化辅助线锯切割方法加工单晶硅棒1的原理示意图。
以单晶硅棒1作为工件为例，使用本超声空化辅助线锯切割加工装置加工单晶硅棒1之前，先在金刚石线切割机床的机床基座上安装并调整液体槽40的位置，液体槽40的位置需满足锯丝21向下进给时恰好能够通过切缝42，避免产生锯切干扰，再通过强力胶将单晶硅棒1粘接在工件回转单元50的回转工作台51上，而后通过机床附加轴移动回转工作台51，使单晶硅棒1穿过液体槽40的通孔41伸入液体槽40内，并在通孔41处粘贴用于防止液体介质泄漏的橡胶层，然后以水为液体介质，将水加入液体槽40内，并使其没过单晶硅棒1。至此，完成了加工前的准备工作。
如图1和图3所示，使用本超声空化辅助线锯切割加工装置加工单晶硅棒1的加工过程为：回转工作台51带动单晶硅棒1做转速为nw的回转运动，金刚石线锯单元20的锯丝21在卷丝装置22的带动下做速度为Vs的往复运动，实现主要切割运动，同时锯丝进给单元10的升降装置带动金刚石线锯单元20做速度为Vw的向下运动，实现锯丝21的进给，横向超声振动单元30也由升降装置带动向下运动，并且在该过程中，横向超声振动单元30的超声波发生器31工作，通过换能器32和变幅杆33将高频高压电信号转换为机械振动，再通过超声导轮34将超声振动传递给锯丝21，使锯丝21产生振幅为A、频率为f的横向振动，如此，锯丝21的超声振动在水中产生空化效应，随着锯丝21的进给，实现对单晶硅棒1的切割加工。当完成一片单晶硅片的切割加工后，调节金刚石线切割机床的机床附加轴，使回转工作台51向液体槽40所在位置移动，以进行下一片单晶硅片的切割加工。
其中，需要说明的是，在加工过程中，金刚石线切割机床的切屑液一直在往液体槽40内补充，使得液体槽40内的液体介质始终保有足够的量。
图4是超声空化辅助线锯切割加工单晶硅棒1的作用机制图。
利用空化效应加工单晶硅棒1的作用机制如图4所示，锯丝21在以速度为Vw向下进给的同时，也在超声激励作用下做振幅为A、频率为f的横向振动，从而锯丝21的超声振动在液体介质中产生空化效应，锯丝21附近产生大量空化气泡。当这些空化气泡溃灭(气泡溃灭的形态可见图中A处)时，产生的微射流B和冲击波作用在单晶硅棒1的表面和锯丝21的表面，具体地，微射流B和冲击波的剪切作用使单晶硅棒1表面的因锯丝21表面金刚石磨粒211滑擦产生的细微凸起部分受到破坏而被去除，同时微射流B和冲击波的水锤作用使附着在锯丝21上的切屑C受到冲击而加速排出，如此能降低工件表面粗糙度，改善工件表面质量和锯丝切割性能。
进一步地，为了检测锯丝在加工过程中的锯切力和振动参数，如图1所示，本超声空化辅助线锯切割加工装置还包括锯切力测试单元60和振动测试单元70。
锯切力测试单元60包括依次电连接的测力仪61、电荷放大器和数据采集器62、以及计算机63，测力仪61与工件回转单元50的回转工作台51连接，用于采集工件被切割时的压力信号，测力仪61可选用Kistler测力仪。
振动测试单元70包括依次电连接的测量头71、振动测量仪72、以及数字示波器73，测量头71通过磁吸的方式安装在锯丝进给单元10的升降装置上，并且靠近锯丝21切割段以采集振动信号，振动测量仪72和数字示波器73安置在机床旁的桌上，测量头71和振动测量仪72可选用DWS电容位移传感器。
在本超声空化辅助线锯切割加工装置加工单晶硅棒1的过程中，锯切力测试单元60通电工作，测力仪61采集的压力信号通过电荷放大器和数据采集器62传递至计算机63，通过计算机63显示并记录。与此同时，锯切力测试单元60也通电工作，测量头71采集的振动信号经由振动测量仪72传递至数字示波器73，数字示波器73显示锯丝21的振动波形。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的超声空化辅助线锯切割加工装置，因为包括锯丝进给单元、金刚石线锯单元、横向超声振动单元、液体槽、以及工件回转单元，在加工时，工件浸没在液体槽的液体介质中，并由工件回转单元带动做回转运动，同时锯丝在金刚石线锯单元的驱动下做切割运动、在锯丝进给单元的带动下向下做进给运动，对工件进行切割加工，同时横向超声振动单元对锯丝直接施加超声振动，使锯丝的超声振动在液体介质中产生空化效应，利用空化效应辅助去除工件表面的材料，并加速排出附着在锯丝上的切屑，所以，本装置利用超声空化辅助线锯切割，较大地降低了切削温度和切削力，较大地提高了工件加工过程中的排屑能力，较大地改善了工件表面加工质量和锯丝切割性能，并且锯丝振动产生的超声空化气泡直接作用于切割区域的工件表面，进一步地增强了空化效应的效果。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于，包括：
锯丝进给单元，用于带动下述金刚石线锯单元向下做进给运动；
金刚石线锯单元，具有锯丝且用于驱动所述锯丝做切割运动；
横向超声振动单元，用于对所述锯丝施加超声振动，并且由所述锯丝进给单元带动与所述金刚石线锯单元一起升降；
液体槽，盛装有液体介质且设置于所述金刚石线锯单元和所述横向超声振动单元的下方；以及
工件回转单元，设置于所述液体槽的外侧，用于安装工件并带动所述工件做回转运动；
其中，所述工件在加工时穿至所述液体槽的内部，并浸没在所述液体介质中。
2.根据权利要求1所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述液体槽的侧壁上开设有供所述工件穿过的通孔，并且该通孔处设有用于防止所述液体介质泄漏的橡胶层，
所述液体槽的侧壁上还开设有从上边沿向下延伸且供所述锯丝通过的切缝。
3.根据权利要求1所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于，还包括：
机床基座，具有多根相平行且用于承载和安装所述液体槽的型材；
其中，所述液体槽的底部设有多根相平行的型材，所述液体槽底部的型材水平垂直地设置在所述机床基座的型材的上面，并与所述机床基座的型材通过角接件和紧固件相连接。
4.根据权利要求1所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述金刚石线锯单元还包括卷丝装置、两个张紧轮、以及两个导向轮，
两个所述张紧轮在水平方向分布，
两个所述导向轮在水平方向分布且分别位于两个所述张紧轮的下方，
所述锯丝绕在所述卷丝装置、两个所述张紧轮、两个所述导向轮上并形成闭合环，所述锯丝的位于两个导向轮之间的居中部分为切割所述工件的切割段。
5.根据权利要求1所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述横向超声振动单元包括超声波发生器、换能器、变幅杆、超声导轮、以及辅助导轮，
所述超声波发生器与所述换能器电连接，
所述换能器、所述变幅杆、所述超声导轮从上至下依次连接，
所述超声导轮与所述锯丝的靠近切割段的部分接触以传递超声振动，
所述辅助导轮接触所述锯丝且与所述超声导轮关于所述锯丝的切割段对称布置。
6.根据权利要求1所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述工件回转单元包括回转工作台，
所述工件为单晶硅棒且通过粘接的方式安装在所述回转工作台上。
7.根据权利要求1～6任一项所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于，还包括：
锯切力测试单元，用于检测所述锯丝在加工过程中的锯切力；
振动测试单元，用于检测所述锯丝在加工过程中的振动参数。
8.根据权利要求7所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述锯切力测试单元包括依次电连接的测力仪、电荷放大器、数据采集器、以及计算机，
所述测力仪与所述工件回转单元连接且用于采集所述工件被切割时的压力信号。
9.根据权利要求7所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，其特征在于：
其中，所述振动测试单元，包括依次电连接的测量头、振动测量仪、以及数字示波器，
所述测量头靠近所述锯丝切割段部分且用于采集所述锯丝的振动信号。
10.一种超声空化辅助线锯切割加工方法，其特征在于，使用权利要求1～9任一项所述的超声空化辅助线锯切割加工装置，包括以下步骤：
工件浸没在液体槽的液体介质中，并由工件回转单元带动做回转运动，
同时锯丝在金刚石线锯单元的驱动下做切割运动、在锯丝进给单元的带动下向下做进给运动，对工件进行切割加工，
同时横向超声振动单元对锯丝施加超声振动，使锯丝的超声振动在液体介质中产生空化效应，利用空化效应辅助去除工件表面的材料，并加速排出附着在锯丝上的切屑。
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