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Gegenstand der Erfindung ist eine Drahtführungsrolle für eine Drahtsäge.
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Drahtsägen werden verwendet zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, insbesondere von einem Werkstück bestehend aus Halbleitermaterial, wobei das Werkstück und ein Drahtgatter der Drahtsäge mit Hilfe einer Vorschubeinrichtung eine senkrecht zur Längsachse des Werkstücks gerichtete Relativbewegung ausführen, durch die das Werkstück durch das Drahtgatter geführt wird.
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Halbleiterscheiben wie kreisförmige, monokristalline Siliciumwafer sowie quadratische oder pseudo-quadratische und mono- oder polykristalline Solarwafer aus Silicium werden in der Regel dadurch hergestellt, dass ein mono- oder polykristallines Werkstück aus dem Halbleitermaterial mit Hilfe einer Drahtsäge in einem Arbeitsgang gleichzeitig in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben oder Solarwafer aufgetrennt wird.
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Zu den wesentlichen Komponenten dieser Drahtsägen gehören ein Maschinenrahmen, eine Vorschubeinrichtung und ein Sägewerkzeug, das aus einem Gatter aus parallelen Drahtabschnitten besteht. Das Werkstück wird auf einer sog. Sägeleiste fixiert, in der Regel durch Aufkitten oder Aufkleben. Die Sägeleiste wird wiederum auf einer Montageplatte befestigt, um das Werkstück in der Drahtsäge einzuspannen.
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In der Regel wird das Drahtgatter der Drahtsäge von einer Vielzahl paralleler Drahtabschnitte gebildet, die zwischen mindestens zwei Drahtführungsrollen aufgespannt werden, wobei die Drahtführungsrollen drehbar gelagert sind und von denen mindestens eine angetrieben ist. Die Drahtabschnitte gehören in der Regel zu einem einzigen, endlichen Draht, der spiralförmig um das Rollensystem geführt ist und von einer Vorratsrolle auf eine Aufnahmerolle abgespult wird.
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Während des Sägevorgangs bewirkt die Vorschubeinrichtung eine gegeneinander gerichtete Relativbewegung der Drahtabschnitte und des Werkstücks. Als Folge dieser Vorschubbewegung arbeitet sich der mit einer Sägesuspension beaufschlagte Draht unter Bildung von parallelen Sägespalten durch das Werkstück. Die Sägesuspension, die auch als „Slurry” bezeichnet wird, enthält Hartstoffpartikel, beispielsweise aus Siliciumcarbid, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind. Es kann auch ein Sägedraht mit fest gebundenem Korn verwendet werden. In diesem Fall ist keine Beaufschlagung mit einer Sägesuspension nötig. Es muss lediglich ein flüssiges Kühlschmiermittel (z. B. Wasser) zugegeben werden, das Draht und Werkstück vor Überhitzung schützt und gleichzeitig Werkstückspäne aus den Schneidspalten abtransportiert.
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Die Herstellung von Wafern aus Halbleitermaterial stellt hohe Anforderungen an das Sägeverfahren. Das Sägeverfahren hat in der Regel zum Ziel, dass jeder gesägte Wafer zwei Flächen aufweist, die möglichst eben sind und sich parallel gegenüber liegen.
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Die Drahtführungsrollen sind üblicherweise mit einem Belag (z. B. PU) versehen. Außerdem weisen sie eine Vielzahl von Rillen auf, durch die der Sägedraht geführt und wodurch das Drahtgatter der Drahtsäge gebildet wird, siehe z. B.
De 10 2007 019 566 A1 .
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Beim Drahtsägeprozess entstehen allerdings unerwünschte geometrische Effekte in der Nähe des Einsägebereichs, sogenannte Einsägewellen.
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Dies lässt sich durch Änderung der thermischen Bedingungen während des Sägeprozesses, insbesondere einer rapiden Änderung zu Beginn des Sägens erklären. Die Temperaturerhöhung führt zu ungleichen Längenausdehnungen von Werkstück und Werkzeug.
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Im Stand der Technik wird versucht, durch Kühl- oder Heizkreise die Temperaturschwankungen während des Sägevorgangs zu minimieren.
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Aus
DE 10 2006 060 358 A1 ist eine Drahtsägevorrichtung mit einem mit einer Sägesuspension gefüllten Reservoir bekannt, wobei das Reservoir derart angeordnet und derart befüllt ist, dass während des Zerspanungsvorgangs jeweils wenigstens der im Eingriff befindliche Teil des Sägedrahts in die Sägesuspension des Reservoirs eintaucht. Dadurch soll eine gleichmäßige Temperierung des Werkstücks gewährleistet sein.
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Aus
DE 198 41 492 A1 ist vorgesehen, eine Kühlflüssigkeit unter dem Drahtgatter bereitzustellen, in die der Sägedraht beim Abtrennen der Scheibe eintaucht.
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Der Stand der Technik versucht also die beschriebenen Probleme z. B. durch zusätzliche Einbauten bzw. Kühlsysteme in den Griff zu bekommen.
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Allerdings unterliegen thermische Komponenten einer gewissen energetischen Trägheit, so dass die ungleichen Längenausdehnungen von Werkstück und Werkzeug mit solchem Mitteln nicht in geeignetem Maß kompensiert werden können.
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Es ist bekannt, dass es bei der Exposition von ferro- und ferrimagnetischen Nanopartikeln mit magnetischen Wechselfeldern aufgrund verschiedener magnetischer Verlustmechanismen zu einer Temperaturerhöhung in den Partikeln kommt. Dieser Effekt wird bislang u. a. für medizinische Zwecke genutzt.
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Beispielsweise ist bekannt, nanokristalline magnetische Partikel, bestehend aus einem magnetischen Eisenoxidkern aus Fe3O4, γ-Fe2O3 oder deren Mischungen und einer an diesen Kern chemisorbierten Hülle, sowie deren kolloid-disperse wässrige Lösung, in der medizinischen Diagnostik und Therapie anzuwenden.
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Weiterhin haben magnetische Substanzen auch als Kontrastmittel für die Kernspintomographie Eingang in die medizinische Anwendung gefunden. Für die Leberdiagnostik werden magnetische Eisenoxid-Partikel benutzt. Es handelt sich dabei zumeist um ferrimagnetische Eisenoxide (z. B. Magnetite), Nanopartikel, die zur Ausbildung stabiler wässriger Sole mit einer Hülle umgeben werden.
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US 4,731,239 beansprucht die Verwendung ferro-, para- und diamagnetischer Partikel aus Eisenhydroxid, Eisenoxid und Eisendextran für diagnostische Zwecke.
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In
US 4,767,611 ,
4,758,429 ,
4,735,796 wird auf die Diagnose und Therapie mit Hilfe der erwähnten Eisendextran oder Eisen-Transferrin-Dextran-Partikel und alternierender elektromagnetischer Felder abgestellt. Die Partikel können zum Zielort über Antigene, Antikörper, Enzyme oder prosthetische Gruppen geleitet werden.
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Neben der Anwendung in der Diagnostik spielen ferro- und ferrimagnetische Partikel bei der in vitro Separationstechnik und als ”Thermoseeds” in der lokalen Hyperthermie eine Rolle.
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Verfahren zur Magnetitherstellungen und Magnetitanwendungen sind im Stand der Technik beschrieben:
US 4,101,435 beschreibt beispielsweise einen Eisenoxid-Dextran-Komplex und seine Herstellung.
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US 4,267,234 bezieht sich auf magnetische Polyglutaraldehyd-Mikropartikel, die durch eine Suspensionspolymerisation in Gegenwart magnetischer Partikel hergestellt werden.
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In
US 4,247,406 werden Mikropartikel aus einer Aminosäure-Polymermatrix hergestellt, in die magnetische Teilchen eingebettet sind.
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Magnetische Materialien werden aufgrund ihres Verhaltens im magnetischen Feld als dia-, para- oder ferromagnetisch eingestuft. Dia- und Paramagnetismus sind atomare/molekulare Eigenschaften, sie rühren vom magnetischen Moment des Elektrons her. Der Diamagnetismus beruht auf der Orbitalbewegung der Elektronen, er wird durch das angelegte Magnetfeld induziert und die Magnetisierung ist dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ausgerichtet. Paramagnetische Substanzen zeichnen sich durch ein oder mehrere ungepaarte Elektronen aus, die Magnetisierung ist parallel zum äußeren Feld orientiert. Paramagnetische Atome/Moleküle haben damit ein permanentes magnetisches Moment, ohne äußeres Feld sind diese magnetischen Momente nicht ausgerichtet. Die Suszeptibilität ist unabhängig vom angelegten Feld und umgekehrt proportional zur Temperatur (Curie-Gesetz).
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In Festkörpern kann es zu einer starken Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen/Ionen kommen, so dass eine spontane Magnetisierung resultiert, man spricht allgemein von Ferromagnetismus mit der genaueren Klassifizierung in Ferro-, Ferri- und Antiferromagnetismus.
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Beispiele ferromagnetischer Materialien sind die Metalle Eisen, Kobalt, Nickel, viele Seltene Erden sowie deren Legierungen. Bei Verbindungen, die aus unterschiedlichen Atomsorten, aus Ionen unterschiedlicher Oxidationszahl oder aus Ionen auf unterschiedlichen Gitterplätzen aufgebaut sind, können die magnetischen Momente benachbarter Atome/Ionen antiparallel orientiert sein. Bei kompletter Aufhebung der spontanen Magnetisierung spricht man von Antiferromagnetismus, bei unvollständiger Aufhebung von Ferrimagnetismus. Ferrite mit Spinellstruktur zeigen ferrimagnetisches Verhalten. In allen drei Fällen bilden sich im Festkörper Domänen mit unterschiedlicher Orientierung der spontanen Magnetisierung aus. Ohne äußeres Feld sind die magnetischen Momente der Domänen regellos verteilt, nach außen ergibt sich kein magnetisches Gesamtmoment. Im äußeren Magnetfeld richten sich die magnetischen Momente der Domänen aus, ein Zustand, der auch nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes im Permanentmagnet erhalten bleibt. Man spricht von Remanenz.
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Für Partikel, die kleiner als Domänengröße sind, wirkt die thermische Energie einer spontanen parallelen/antiparallelen Ausrichtung der einzelnen magnetischen Momente entgegen.
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Suspensionen solcher ferro-/ferrimagnetischer Partikel mit Dimensionen kleiner als 10–50 nm verhalten sich ähnlich wie paramagnetische Materialien, sie zeigen keine Remanenz und Hysterese aber Werte für die Suszeptibilität, die an die entsprechenden Werte der Festkörper herankommen; sie werden deshalb oft auch als superparamagnetische Partikel bezeichnet. Ferrite, die als parenterale MR-Kontrastmittel eingesetzt werden, fallen in diese Kategorie.
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Bei ferromagnetischen Partikeln, deren Größe im Nanometerbereich liegt, besteht die Möglichkeit, dass sie superparamagnetisches Verhalten zeigen. Dieser größenabhängige Effekt ist temperatur- und materialabhängig.
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Nanopartikel mit superparamagnetischem Verhalten können in einem externen magnetischen Wechselfeld frequenzabhängig ummagnetisiert werden. Oberhalb der sogenannten Blockingtemperatur TB befinden sich die Nanopartikel im superparamagnetischen Zustand und es findet keine weitere Erhitzung durch Ummagnetisierungseffekte statt. Dadurch ist es möglich, in Abhängigkeit der Partikelgröße und des Materials, Nanopartikel bis zu einer gewünschten Temperatur TB zu erhitzen.
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In „Magnetic properties and morphology of block copolymer templated ferrimagnetic CoFe2O4 nanoparticles”; Ahmed, S. R.; Ogale, S. B.; Kofinas, P.; Magnetics, IEEE Transactions an Volume 39, Issue 5, Sept. 2003, Seiten 2198–2200 ist beschrieben, wie CoFe2O4 Nanopartikel in eine Polymermatrix eingebracht werden. Der resultierenden Nanokompositfilm ist bei Raumtemperatur ferrimagnetisch. Die CoFe2O4 Nanopartikel sind sphärisch und weisen einen mittleren Radius von 8.7 ± 0.4 nm auf. Sie sind innerhalb der Polymermatrix gleichförmig verteilt mit einer Nanopartikeldichte von 1109 Partikel/cm2.
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Aus
DE 10037883 A1 ist ein Verfahren zum Erwärmen eines Substrats, das, bezogen auf das Gesamtgewicht des Substrats, 0,1 bis 70 Gew.-% metallische, magnetische, ferrimagnetische, ferromagnetische, antiferromagnetische oder superparamagnetische Partikel mit einer mittleren Teilchengröße zwischen 1 und 5000 nm enthält, bekannt, wobei man das Substrat einer elektromagnetischen Strahlung aussetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 300 GHz darstellt und man gleichzeitig auf das Substrat ein magnetisches Gleichfeld einwirken lässt, dessen Feldstärke mindestens doppelt so hoch ist wie die Stärke des Erdmagnetfeldes. Angewendet wird das Verfahren zum Herstellen oder Lösen von Klebeverbindungen.
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Aus
DE 10258959 A1 ist eine Kunststofffolie bekannt, insbesondere eine Klebefolie, die superparamagnetische, nanoskalige Teilchen eines Ferrits mit einem volumengemittelten Teilchendurchmesser im Bereich von 2 bis 100 nm umfasst, wobei die nanoskaligen Ferritteilchen oberflächenmodifiziert sind und das Ferrit ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird von Ferriten der allgemeinen Formel M
1-xM
xFe
2O
4 oder Li
1-xZn
2xFe
5-xO
8, wobei M ausgewählt ist unter Mg, Ca, Cu, Zn, Y, V, Mn, Fe, Ni und Co, M ausgewählt ist unter Zn und Cd, und X = 0–1 ist.
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Aus
DE 19924138 A1 sind Klebstoffzusammensetzungen bekannt, die im Bindemittelsystem nanoskalige Teilchen mit ferromagnetischen, ferrimagnetischen, superparamagnetischen oder piezoelektrischen Eigenschaften enthalten, und sich zur Verwendung bei der Herstellung lösbarer Klebeverbindungen eignen. Unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlung lassen sich derartige Klebstoffverbindungen besonders effizient so hoch erwärmen, dass eine gefügte Klebeverbindung leicht lösbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, das Problem der unterschiedlichen Längenausdehnungen von Werkstück und Werkzeug zu mindern und den Stand der Technik dadurch zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Drahtführungsrolle zur Verwendung in Drahtsägen zum gleichzeitigen Abtrennen einer Vielzahl von Scheiben von einem Werkstück, die mit einem Material einer Härte nach Shore A von wenigstens 60 und 99 beschichtet ist, das ferromagnetische, ferrimagnetische oder superparamagnetische Nanopartikel beinhaltet, und die des weiteren eine Vielzahl von Rillen beinhaltet, durch die der Sägedraht geführt wird.
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Vorzugsweise beträgt die Curietemperatur der ferro- oder ferrimagnetischen Nanopartikel 20°C bis 80°C, vorzugsweise 30–60°C und ganz besonders bevorzugt 50–60°C. Ebenso liegt die Blocking-Temperatur der im Belag vorzugsweise befindlichen superparamagnetischen Teilchen in diesem Bereich.
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Ferrite weisen je nach Zusammensetzung Curietemperaturen von 20 bis zu 500°C auf, so dass diese besonders geeignet sind, in geeigneter Zusammensetzung als Nanopartikel in den Belag der Drahtführungsrolle eingebracht zu werden.
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Ebenso eignen sich ferromagnetische Partikel von Gadoliniumlegierungen mit einer Curietemperatur von 20–80°C.
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Die Wahl der Curietemperatur bzw. der Blocking-Temperatur entspricht quasi einem intrinsischen Schutz des Belags der Drahtführungsrolle gegen Temperaturerhöhungen auf mehr als 80°C, wenn die Drahtführungsrolle einem magnetischen Wechselfeld beliebiger Frequenz oder Stärke ausgesetzt wird.
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Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von zweiwertigen Metallmischoxid-Teilchen wie Mn-Zn-Ferrite (Mn
1-xZn
xFe
2O
4), Co-Zn-Ferrite (Co
1-xZn
xFe
2O
4) und Ni-Zn-Ferrite (Ni
1-xZn
xFe
2O
4). Wie sich die Curietemperatur solcher Ferrite einstellen lässt, ist in
DE10258959 A1 im Detail beschrieben, worauf hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
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Die Erfindung basiert darauf, dass auch der Belag der im Stand der Technik verwendeten Drahtführungsrollen von den thermischen Schwankungen während des Sägeprozesses betroffen ist.
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Wie bereits erwähnt, ist es üblich, Drahtführungsrollen z. B. mit Polyurethanen (PU) zu beschichten.
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Da der Längenausdehnungskoeffizient von PU etwa 120 × 10^–6 [1/K] beträgt, während der Längenausdehnungskoeffizient z. B. von Silicium 2,33 × 10^–6 [1/K] beträgt, kommt es zu einer ungleichen Längenausdehnung von Werkstück und Rollenbelag bei Erwärmung.
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Durch die erfindungsgemäße Drahtführungsrolle kann jedoch nun die Längenausdehung des Belages aktiv beeinflusst werden.
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Dazu werden ferro- oder ferrimagnetische Nanopartikel (z. B. Eisenoxid) z. B. mit Polyurethan versetzt und zur Beschichtung der Drahtführungsrolle verwendet.
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Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Drahtführungsrolle in der Drahtsäge wird der Belag bzw. die Rolle mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt. Dieses Wechselfeld führt zur Erwärmung des Polyurethans und somit zur Längenausdehnung desselbigen, jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik kontrolliert und zwar z. B. bis zu der durch die Curietemperatur festgelegten maximalen Temperatur.
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Die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes beträgt vorzugsweise 10 Hz bis 200 MHz.
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Statt eines magnetischen Wechselfeldes eignet sich auch ein elektromagnetisches Wechselfeld von Mikrowellenstrahlung der behördlich freigegebenen, verfügbaren Frequenzen im Bereich von etwa 1 GHz bis zu 200 GHz. Neben der Curietemperatur läßt sich bei Einsatz von ferromagnetischen Nanopartikeln auch die magnetische Resonanzfrequenz steuern. Dazu wird vorzusgweise ein magnetisches Gleichstrom-Magnetfeld mit Feldstärken von 0.01–1.0 Tesla zugeschaltet. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Energieeintrag in den Belag der Drahtführungsrolle verbessert wird, der Belag also schneller auf die gewünschte Temperatur (vorgegeben durch Curie- bzw. Blocking-Temperatur) ehöht und die gewünschte Längenausdehnung des Belags bewerkstelligt wird.
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Das Einbringen der magnetischen Felder erfolgt mittels üblicher Induktoren, Spulen usw.
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Steuert man die Erwärmung des Belages mit den Nanopartikeln mittels des Magnetfeldes nämlich derart, dass die Längenaussdehnung des Belages vor dem Einschnitt in den Halbleiterstab der Längenausdehnung entspricht, die sich während des Schnittes einstellt, ist es möglich die Axialauslenkung zu reduzieren und somit letztendlich die Scheibengeometrie zu verbessern.
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Da sich der Energieeintrag direkt im Belag befindet und somit nur eine lokale Erwärmung einstellt, ist eine Regelung direkt am ”point of use” möglich. tie Thermische Trägheit besteht nur im Belag und nicht im Drahtführungsrollenkörper bzw. Slurry bzw. Halbleiterstab.
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Die erfindungsgemäße Drahtführungsrolle beinhaltet einen Belag aus einem Material mit einem Härtegrad von wenigstens 60 und höchstens 99 nach Shore A, in die die Nanopartikel eingebracht sind. Die Härtemessung von Elastomeren nach Shore ist in ISO 868 beschrieben.
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Vorzugsweise besteht der Belag der Drahtführungsrolle aus einem Material mit einer Härte nach Shore A zwischen 82 und 99.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Polyurethanen auf Polyester- oder Polyetherbasis, z. B. walzbares Polyurethan oder Gieß-Polyurethan, die eine Polymermatrix aufweisen, in die sich metallische Nanopartikel einbringen lassen. Bezüglich des Einbringens von Nanopartikeln in eine Polymermatrix wird auf
Us 4,247,406 verwiesen, auf die hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln wurden im Stand der Technik zitiert.
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Der Belag der Drahtführungsrollen sollte auf keinen Fall zu weich sein, da er sonst gegen plastische Verformung der Rillen nicht widerstandsfähig genug ist, wie bereits in
De 10 2007 019 566 A1 offenbart.
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Der Rollenkern, also der Grundkörper der Drahtführungsrolle, besteht vorzugsweise aus Stahl, z. B. ein Spezialstahl mit geringer Wärmeausdehnung (Ingwarstahl).
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Möglich ist aber auch die Verwendung von Aluminium, Edelstahl, Titan, Carbon oder Verbundwerkstoffen wie GFK und CFK als Rollenkern-Material. Bei GFK und CFK handelt es sich um glasfaser- bzw. kohlefaserverstärkte Kunststoffe.
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Die Drahtführungsrolle beinhaltet eine Vielzahl von Rillen zu Führung des Sägedrahts.
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Alle Rillen weisen vorzugsweise eine definierte, gleichmäßige geometrische Form mit einem gekrümmten Rillengrund und Rillenflanken mit einem bestimmten Öffnungswinkel auf.
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Der Rillengrund, in dem der Sägedraht geführt wird, weist einen Krümmungsradius R auf, der mindestens 25% des Durchmessers D des verwendeten Sägedrahts entspricht, jedoch höchstens 60% größer als dieser sein darf. Es gilt also R = 0,25 D–1,6 D.
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Vorzugsweise ist der Krümmungsradius des Rillengrunds jedoch kleiner als der Durchmesser des Sägedrahts. Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius der Rillen das 0,4–0,9 fache des Sägedrahtdurchmessers, also gilt R = 0,4 D–0,9 D.
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Der Öffnungswinkel einer jeden Rille beträgt vorzugsweise 60–130°.
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Vorzugsweise beträgt der Öffnungswinkel 80–110°.
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Besonders bevorzugt ist eine Belagdicke der Drahtführungsrolle von größer oder gleich 2 mm und kleiner oder gleich 6 mm.
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Die Rillenform in Verbindung mit der Belagdicken gewährleistet eine optimierte Führung des Sägedrahtes in den Rillen der Drahtführungsrollen.
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Die erfindungsgemäßen Drahtführungsrollen werden in Drahtsägen eingesetzt. Dabei wird der Sägedraht mehrfach um die Drahtführungsrollen gewickelt, wodurch sich das Drahtgatter der Drahtsäge bildet. In der Nähe der Drahtführungsrollen befinden sich Induktoren bzw. Spulen zum Einbringen des magnetischen Wechselfeldes. Vorzugsweise sind die Spulen in die zwei oberen Drahtführungsrollen integriert. Vorzugsweise werden die Beläge der Drahtführungsrollen bereits während des Warmlaufens der Drahtsäge durch magnetische Induktion auf die gewünschte Temperatur gebracht.
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Mit einer derartigen Drahtsäge lassen sich Werkstücke, insbesondere zylindrische Werkstücke, wobei es sich bevorzugt um Halbleiterstäbe und ganz besonders bevorzugt um Siliciumstäbe handelt, in einem Arbeitsgang zersägen.
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Bevorzugt ist die Anwendung des Verfahrens zum Abtrennen von Siliciumwafern von einem zylindrischen Silicium-Einkristall.
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Ebenso bevorzugt ist die Anwendung des Verfahrens zum Abtrennen von quadratischen oder pseudo-quadratischen Solarwafern von einem mono- oder multikristallinen Siliciumblock.