CN1638904A - 锯线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于切割硬脆材料例如单晶硅的锯线，它包括含有粘结树脂和磨料的磨料混合物(2)以及由抗断裂纤维(1)构成的多丝，其中纤维优选基本上相互平行排列并由磨料混合物(2)所包裹，纤维(1)之间的空隙填充有磨料混合物(2)，其特征在于，粘结树脂不含有聚四氟乙烯和/或磨料混合物(2)中的磨料的量从锯线的表面向其内部逐渐减少。

Description

锯线

本发明涉及一种锯线、制造该锯线的方法以及其在切割硬材料如单晶硅方面的应用。

脆硬材料的薄片在许多技术领域被广泛应用。最重要的例子是在半导体技术中所述的硅晶片的应用。这种薄片通常由相应材料的块锭或单晶通过切割或切断过程得到。通常该切割或切断过程是在磨料存在下使用钢锯线进行。通常该磨料在切割过程中以松散的悬浮状态撒在锯线上，以便可以切割材料。这样的一种装置例如已经由US-4187828所公开。这种传统方法的缺点是在操作过程中锯线易损坏，通常只能使用一次。另外，在使用松散的悬浮磨料时还会形成少量不能回收的废料。

因此，人们试图通过直接将磨料涂在其表面上使锯线更耐用。EP-A-0982094就描述了这样一种锯线，其中钢锯线经粘附性的中间层与金属粘结相相粘合，该金属粘结相中嵌有磨料例如钻石粒。US-4485757描述了一种类似的钢丝锯。但是这种锯丝的制造成本很高。此外，它们常常会有氢脆问题，从而造成自发破裂。

JP-A-207598描述了一种由一种钢琴丝和磨料颗粒构成的锯线，其中砂粒借助于一种特定的粘合剂固定在钢琴丝表面上。由于添加了如金属颗粒添加剂，这种粘合剂可抗外部影响。US-5313742描述了切割轮，该轮为全锻型结构，其中间不切割的部分厚度较大，外面的切割范围厚度较小，因此具有高强度。该切割轮由掺有磨料颗粒的粘结树脂构成。

然而，上述切割工具在用于切割硬脆材料时并不能最好地满足对其所提出的要求。恰恰对昂贵的材料如单晶硅，切割宽度应当很小，以便将切割损失减少到最低程度。当然，通过在锯线上涂敷磨料会增大切割工具的直径，从而增大切割宽度。使用松散悬浮形式的磨料时必须以约1000m/min的高切割速度操作，以便使得磨料一起运动而形成切口。这会导致温度急剧升高，并在切割过程中不得不进行水冷。使用钻石作为磨料时，由于该材料的导热性能极好，水冷会产生局部高温，从而对切割工具产生明显应力，引起磨损加快。如果磨料固定在切割工具的表面上，则切割工具在磨掉该表面层后即报废，这在上述条件下切割硬脆材料时发生得很快。

含有纤维材料芯及浇注该纤维材料的聚合物基质的复合材料基本上也是已知的。例如US-5068142即描述了这种在结构织物中使用的纤维增强的复合材料，例如用于防止塌方。该复合材料由多种纤维构成，其总厚度为几毫米或以上。

WO 93/18891描述了一种用于表面抛光的刷子，该刷子由一种内含磨料颗粒的热塑性聚合物构成。但是该说明书明确指出，这里所述的结构与在预成型芯料上涂敷以填充有磨料的热塑性弹性体的结构不同，特别是在抗拉强度方面。但未提及构成的丝可以用于切割硬脆材料。

JP-A-10-151559描述了一种在水冷条件下适合用于多次切割的钢丝锯。该锯由一种多丝线构成，其表面和内部配有磨料。磨料是借助于一种基于聚四氟乙烯为必要组分的特殊粘结树脂与多丝相粘合。磨料/粘合剂混合物以分散体形式涂敷在多丝上。这要求其后进行蒸发，从而产生了气泡。因此，得不到精确圆柱形状的锯丝。此外，由于生态学和毒理学方面的原因，使用含氟的粘合剂是令人担忧的。

FR-A-1142604原则上描述了将塑料用作锯丝材料的可使用性。但在该说明书中仅仅详细说明了一种具有最多3条塑料纤维的锯丝。但是没有公开对本发明锯的应用所需的多丝。

因此，本发明的目的是提供一种切割工具，它可以克服现有技术的上述缺点。

本发明的目的由以下的锯线达到，该锯线包括含有粘结树脂和磨料的磨料混合物以及由抗断裂纤维构成的多丝，其中纤维优选基本上相互平行排列并由磨料混合物所包裹，纤维之间的空隙填充有磨料混合物，其特征在于，粘结树脂不含有聚四氟乙烯。

本发明的另一方面涉及一种锯线，它包括含有粘结树脂和磨料的磨料混合物以及由抗断裂纤维构成的多丝，其中纤维优选基本上相互平行排列并由磨料混合物所包裹，纤维之间的空隙填充有磨料混合物，其特征在于，磨料混合物中的磨料的量从锯线的表面向其内部逐渐减少。换句话说，在该锯线中，表面上的磨料颗粒比内部多。本发明所说的磨料逐渐减少是指磨料的量从锯线表面到内部基本上呈连续减少。制造过程可能产生连续性的少许偏差，例如偏差约10％。本发明最好使得锯线从表面到内部每隔30μm其磨料的量减少2-60％，优选5-40％，特别优选5-20％。在本发明的这一方面，其粘结树脂也优选不含聚四氟乙烯。

按照本发明的一个优选的实施方案，锯线的厚度等于或小于350μm。

按照本发明的一个优选的实施方案，锯线的厚度为125-300μm。

本发明所说的多丝是指一种由多根单丝纤维构成的复合材料。

出人意料地发现，本发明的锯线非常适合于切割硬脆材料。通过使用如200-1000根纤维、优选200-800根纤维这样比较少量的纤维，复合材料的直径约为125-350μm，因此使得切割宽度小于或等于350μm。现有技术中的切割工具仅仅在金属丝的表面存在一层含磨料的层，该表面磨掉后即行报废，与此相反，本发明的锯线在单个纤维之间也存在磨料混合物。因此，在操作过程中锯线的表面磨损后，磨损线内部的新的磨料就显漏出来了，可以代替原来位于表面的已经通过磨损而失去的磨料。因此，用本发明的锯线切割硬脆材料可以达到明显高的耐用度。

另外，用本发明的锯线可以在低的切割速度下切割硬脆材料。由此可以减少切割工具由于在切割期间出现高温所造成的应力。再者，有可能细心地进行仅有少量切割损失的精确切割。不需要加入松散的悬浮状磨料。

与JP-A-10151559的锯线不同的是，本发明的锯线不限于含聚四氟乙烯作为必要组分的粘结树脂，从而没有与此相关的生态学和毒理学缺点。

另外，本发明还可以得到一种具有精确的圆柱形的锯线。因此，本发明的锯线具有明显好的切割性能。

如后面所详细描述的那样，本发明的锯线可以简单而经济的方式制造。

下面借助于说明性的而非限制的附图进一步解释本发明。其中：

图1表示本发明锯线的横截面。

如图1所示，本发明的锯线包括由抗断裂纤维(1)构成的多丝，该纤维基本上相互平行地嵌入在磨料混合物(2)中，并通过磨料混合物(2)相互隔开。本发明的锯线包括200-1000根、优选200-800根单丝纤维(1)。由此产生等于或小于350μm、优选125-300μm的锯线厚度。该纤维优选具有基本上圆的横截面，但在本发明中其它的形式也是同样可能的。

纤维(1)可以由用于制备纤维增强材料常用的材料制造。例如可以是由间-和/或对芳族聚酰胺(芳香族聚酰胺)、超高硬聚乙烯、高取向性聚酯、聚酯、聚酰胺构成的纤维，碳纤维或玻璃纤维以及多股绞线。本发明优选使用杜邦公司Nomex^品牌和Teijin公司Teijinconex^品牌的间芳族酰胺构成的纤维，和/或杜邦公司Kevlar^品牌、Twaron公司Twaron^品牌和Teijin公司Technora^品牌的对芳族酰胺构成的纤维，和/或Toyobo公司Dyneema^品牌的超高硬聚乙烯纤维。本发明特别优选使用Toyobo公司Zylon^品牌的对聚亚苯基-2，6-苯并二噁唑(benzobisoxazol)。但是，本发明也可以使用所有上述材料的组合作为本发明锯线的纤维材料。

纤维(1)必须具有满足硬脆材料切割过程所要求的抗断裂强度。因此，本发明所说的抗断裂纤维是指抗拉强度大于25cN/tex或大于300Mpa的纤维。前面所述的纤维材料满足该要求。

由于使用本发明锯线切割硬脆材料时所要求的切割速度低，也可以使用由于使用时会出现高温而对传统切割工具不适合的材料来制造锯线。

如图1可以看到的那样，纤维(1)基本上相互平行地嵌入在磨料混合物(2)中。磨料混合物(2)含有粘结树脂和磨料。本发明的粘结树脂可以是固体树脂或液体树脂。它们可以是已知的热塑性或热固性聚合物或者这些材料的组合，但在生态学和毒理学特别有害的含氟粘合剂除外。热塑性塑料可以例举聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺、聚苯醚、聚苯硫、聚芳基醚酮、聚醚醚酮，或者热固性塑料例如是可硬化的酚树脂、可硬化的酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、DAP树脂(聚对苯二甲酸二烯丙酯)、MF模塑材料如蜜胺甲醛模塑材料、可硬化的蜜胺苯酚甲醛(MPF)模塑材料或可交联的聚胺酯。热塑性塑料优选聚对苯二甲酸二乙酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯或聚酰胺，热固性塑料优选可硬化的酚树脂、环氧树脂、可硬化的酚醛树脂、MF模塑材料如蜜胺甲醛模塑材料和可硬化的蜜胺苯酚甲醛(MPF)模塑材料。本发明特别优选热固性材料。本发明也可以使用上述物质的混合物作为粘结树脂。

粘结树脂含有分散形式的磨料。本发明优选的磨料为细粒的钻石、碳化硅(SiC)、Al₂O₃、以及所谓的超级磨料如立方体氮化硼(c-BN)、TiC、ZrC、HfC，这些碳化物的混合物、TiN、ZrN、HfN、或者这些氮化物的混合物。本发明优选使用细粒的钻石作为磨料。磨料颗粒的大小优选1-25μm，特别优选5-20μm。本发明也可以使用上述物质的混合物作为磨料颗粒。

以磨料混合物的总重量计，本发明的磨料混合物含有0.1-60重量％，优选20-40重量％的磨料。

按照所需的不同应用，纤维与磨料混合物的重量比为4∶1至1∶4。本领域技术人员可以按照所要求的锯线的性能毫无困难地使得该重量比最佳化。

另外，磨料混合物还可以含有传统的添加物如隔离剂、润滑剂、填料、颜料、粘合助剂、稳定剂、抑制剂或加速剂体系。这些添加物是专业人员基本公知的，可以由他们根据锯线的要求毫无困难地选择。

如果所选择的涂敷工艺不许可逐个添加各组分，则可以以专业人员公知的简易方式通过例如在球磨机中混合各组分来制备该磨料混合物。

如前所述，本发明的锯线可以用简单的方式制造。纤维可以买到，并制成200-1000股，优选200-800股的纤维束。接着用磨料混合物涂敷或填充纤维束。

所述涂敷或填充例如可以通过溶融涂层法进行。将待涂敷或待填充的纤维拉过一种溶融物，然后再冷却，所述溶融物中包含所述粘合剂树脂。

涂敷或填充纤维的另一种方法是湿浸渍法。将纤维束放在所称的“粗纱支架(Roving-Gestell)”上，以300-400m./min的速度松绕。对松绕的纤维拉过液体浸渍池，浸渍池中除了粘结树脂以外还含有磨料，必要时还含有其它添加物。接着通过蒸发去除溶剂，这在具有不同温度区的“冷却塔”中通过上下拉动涂敷过的纤维来完成。

在该工艺的另一个方案中，该松绕的纤维借助于喷涂装置用磨料混合物涂敷或填充。必要时在压力下使溶解的磨料混合物从位于纤维上方的可旋转的装置喷射到纤维上。在待涂敷纤维的下方是收集容器，将没有涂敷到纤维上面的磨料混合物收集在容器中，并再送到纤维上方的可旋转装置中，以重新使用。溶剂的脱除类似于上述。

另外，也可以通过一种干涂工艺进行纤维束的涂敷和/或填充。这种方法例如已由EP-A-0680813所描述，将与此有关的内容引入本文作为参考。类似于湿浸渍法，将纤维束从“粗纱支架”上松绕。优选使其首先以400-600m/min的速度通过一个装置使其带电。这有利于磨料混合物粘附在纤维上。接着使其通过一个流化烧结池，成品磨料混合物以粉末状位于该烧结池中。空气或者一种惰性气体通过池底的孔吹进流化烧结池，由此形成沸腾状的粉末池。粉末粘附在通过流化烧结池拉动的纤维上。接着加热得到的已涂敷的纤维。优选通过红外光线照射来实现。这时位于纤维上的粘结树脂至少部分地液化，由此可以调节要涂敷到纤维上的磨料混合物的量。纤维束可以通过在炉子里继续加热并接着穿过调径孔来调节其外径。

按照WO 99/36239(其相关内容引入本文作为参考)描述的优选方案，磨料混合物的各组分可经干法涂敷工艺中也可不经预先混合而涂敷到纤维束上。为此将各组分加入到流化烧结池中。在那里例如借助于转子、搅拌器、用超声波和/或电磁波进行混合或者充分混合。混合过程必须进行到各组分在流化烧结池中的脱混基本上被制止或消除的程度。进一步的处理与上述干法涂敷工艺类似。

本发明可以精确地调节磨线的外形以及磨料颗粒的分布，方法是首先在上述干法涂敷工艺的第一步骤中仅用粘结树脂或者用粘结树脂和少量磨料颗粒的混合物涂敷纤维束。然后将这样得到的中间产品精整成确定的尺寸，因为涂敷的粘结树脂还没有固化。在第二工艺步骤中使得到的精整过的中间产品重新穿过仅含有磨料颗粒或者存在少量粘结树脂的流化烧结池。由于涂到纤维束上的粘结树脂还没有固化和仍然湿润，所以在第二工艺步骤中涂敷的磨料颗粒就可以进入粘结树脂中。通过改变工艺条件可以影响磨料颗粒在所形成的磨料混合物中的分布。然而，在上述两步制造工艺中较大部分的磨料颗粒通常保留在得到的锯线的表面。

在上述方法中，“少量粘结树脂或磨料颗粒”是指相对于其余的组份粘结树脂或磨料颗粒来说，在相应流化烧结池中存在的相应组分的数量最高为5重量％。

按照本发明的另一种实施方案，借助于双流体池用干法涂敷工艺制造锯条线。这里将纤维束送入第一池中，用粘合剂，优选一种低粘度粘合剂涂敷纤维束。本发明所述的低粘度粘合剂是指一种粘度低于500mPas，优选粘度范围为100-500mPas，特别优选其范围为100-200mPas的树脂。接着将涂敷的线优选从池中垂直拉出，加捻并重新闭合。涂敷的线经过转向辊导入双流体池的第二池中，在此重新至少部分地打开。本发明意义上的部分打开是指不完全打开纺线，各打开度在0和100％之间，优选50-99％之间。形成线的多丝的加捻和重新打开例如可以通过控制所置转向辊的差动速度来进行。磨料和少量粘合剂的混合物存在第二池中。在第二池中优选形成磨料和粘结树脂组合物的静止状态，由此可保证多丝的确定的涂敷。在第二池中用磨料和少量粘合剂涂敷线。其中磨料大部分保留在锯线的表面上。然而，在该工艺装置中，磨料也进入锯线的内部，由此如前所述，磨料在磨料混合物中形成一种梯度。

在上述方法中，“少量粘合剂”指相对于磨料组分来说，在相应流化烧结池中存在的相应组分的量最高为5重量％。

通过上述干法涂敷工艺，可以不加限制地将前面提到的粘结树脂用来制造本发明的锯线。与此相反，在湿法涂敷工艺中，按照所用的纤维材料，仅仅特定的粘结树脂可以用来制造锯线。

用上述干法涂敷工艺，特别是本发明的两步制造工艺，可以精确地调节要得到的锯线的尺寸。也可以制造几乎精确圆柱形的锯线。与此相反，湿法涂敷工艺制造的锯线会产生气泡，这是由于必须蒸发溶剂所引起的。因此，以此方式得不到光滑的几乎精确圆柱形外形的锯线。所以，本发明锯线的切割性能优于现有技术中的锯线。

本发明的锯线可以有利地用于切割或分割硬脆材料。切割可以按照本文应用的方法进行。有利的是，材料和锯线借助于冷却剂例如水进行冷却。

本发明的锯线特别适合用于切割或分割单晶硅，该单晶硅通常通过区域熔炼法以长条形状(锭块)制成，必须切成小片(晶片)用于半导体工业。另外，还可以切割的材料如碳化硅(用于宇航工业)、蓝宝石(用于表面玻璃或者制造蓝光二极管(blue LEDs))、石英、纯绿宝石、红宝石、陶瓷或Al₂O₃。

通过使用本发明的锯线，可以用明显低于1000m/min的切割速度进行切割，而不会导致有损于操作过程的速度。用本发明的锯线即使在较低的切割速度下也可以达到较高的磨削。低的切割速度使得操作过程的高精度成为可能，并且可以使用在传统切割工具中由于切割过程引起的高温而不能使用的材料。

Claims (23)

1.一种锯线，它包括含有粘结树脂和磨料的磨料混合物以及由抗断裂纤维构成的多丝，其中纤维优选基本上相互平行排列并由磨料混合物所包裹，纤维之间的空隙填充有磨料混合物，其特征在于，粘合剂不含有聚四氟乙烯。

2.一种锯线，它包括含有粘结树脂和磨料的磨料混合物以及由抗断裂纤维构成的多丝，其中纤维优选基本上相互平行排列并由磨料混合物所包裹，纤维之间的空隙填充有磨料混合物，其特征在于，磨料混合物中的磨料的量从锯线的表面向其内部逐渐减少。

3.如权利要求1或2所述的锯线，其中锯线的厚度等于或小于350μm。

4.如权利要求1或2所述的锯线，其中锯线的厚度为125-300μm。

5.如权利要求1-4之一所述的锯线，其中纤维由选自以下的材料构成：间-和/或对芳族聚酰胺、超高硬聚乙烯、高取向性聚酯、聚酯、聚酰胺、碳纤维、对聚亚苯基-2，6-苯并二噁唑或玻璃纤维或者这些材料的组合。

6.权利要求5所述的锯线，其中纤维由间-芳族聚酰胺、对-芳族聚酰胺或超高硬聚乙烯构成。

7.权利要求5所述的锯线，其中纤维由对聚亚苯基-2，6-苯并二噁唑构成。

8.权利要求1-7之一所述的锯线，其中粘结树脂由热塑性或热固性聚合物或者这些材料的组合构成。

9.权利要求8所述的锯线，其中粘结树脂由热固性聚合物构成。

10.权利要求9所述的锯线，其中热固性聚合物选自可硬化的酚树脂、环氧树脂、可硬化的酚醛树脂、MF模塑材料和可硬化的蜜胺苯酚甲醛(MPF)模塑材料或者这些材料的组合。

11.权利要求8所述的锯线，其中粘结树脂由热塑性聚合物构成，该聚合物选自聚酰亚胺、聚酰胺和聚醚醚酮。

12.权利要求1-11之一所述的锯线，其中磨料选自细粒的钻石、碳化硅(SiC)、Al₂O₃、立方体氮化硼(c-BN)、TiC、ZrC、HfC，这些碳化物的混合物、TiN、ZrN、HfN，或者这些氮化物的混合物，或者这些材料的组合。

13.权利要求12所述的锯线，其中磨料是细粒的钻石。

14.一种用于制造权利要求1-13之一所述的锯线的方法，包括以下步骤：

a)提供一种由抗断裂纤维构成的多丝；

b)用包括粘结树脂和磨料的磨料混合物涂敷或填充该多丝；和

c)进一步处理所得到的多丝。

15.权利要求14所述的方法，其中通过湿法浸渍工艺或干法涂敷工艺进行步骤b)的涂敷或填充。

16.权利要求15所述的方法，其中用干法涂敷工艺通过将多丝牵引穿过流化床进行步骤b)。

17.权利要求16所述的方法，其中在两步法工艺中进行步骤b)，首先通过牵引使多丝通过含有粘结树脂和少量或不含磨料颗粒的流化床，接着精整后重新通过牵引使其穿过含有磨料颗粒和少量或不含粘结树脂的流化床。

18.权利要求16所述的方法，其中借助于双流体池进行步骤b)，包括使多丝穿过含有粘结树脂的第一池，以及使多丝通过含有磨料和少量粘结树脂的第二池。

19.权利要求18所述的方法，其中将多丝从第一池中垂直拉出、加捻、转向、至少部分地打开，接着送入第二池中。

20.一种锯线，它是由权利要求14-19之一所述的方法得到的。

21.权利要求20所述的锯条线，其特征在于，磨料中磨料颗粒的量从外向内减少。

22.权利要求1-13或20-21之一所述的锯线在切割硬脆材料中的应用。

23.权利要求22所述的应用，其中硬脆材料选自单晶硅、碳化硅、蓝宝石、石英、纯绿宝石、红宝石、陶瓷或Al₂O₃。

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