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Gegenstand der Erfindung ist eine
Drahtsäge
zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück. Derartige Vorrichtungen
sind in verschiedensten Ausführungsformen
bekannt und marktüblich.
Sie umfassen zwei oder mehrere Drahtführungsrollen, um die ein Sägedraht
gewickelt ist. Die Drahtwicklungen bilden ein Drahtgatter aus parallel
nebeneinander angeordneten Drahtabschnitten. Das Werkstück wird
beim Durchtritt durch das Drahtgatter in eine Vielzahl von Scheiben
geteilt, deren Dicke vom Abstand benachbarter Drahtabschnitte bestimmt
wird. Drahtsägen
dieser Art werden häufig
bei der Herstellung von Halbleiterscheiben und Speichermedien eingesetzt.
Der Abtrennvorgang ist auch unter dem Begriff multiples Drahtsägen bekannt,
weil mit einem einzigen Sägedraht
in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Scheiben entsteht.
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Die Erfindung betrifft speziell solche
Drahtsägen,
bei denen der Sägedraht
mit Schneidkorn, beispielsweise mit Diamantsplitter, belegt ist.
Beim Betrieb dieser Drahtsägen
kommt es häufiger
zu Drahtrissen, als bei vergleichbaren Drahtsägen, bei denen ein glatter
Sägedraht
in Kombination mit losem Schneidkorn verwendet wird. Dies hängt insbesondere
damit zusammen, dass der Sägedraht
mit der Zeit durch Verschleiß an
Schneidfähigkeit
einbüßt und somit
der Abnutzungsgrad der Drahtabschnitte des Drahtgatters unterschiedlich
groß ist.
Dort, wo der Verschleiß höher ist,
werden die Drahtabschnitte stärker
durchgebogen, was die Länge
der betroffenen Drahtwicklung und die Drahtspannung erhöht. Da andererseits
sämtliche
Drahtwicklungen mit der gleichen von der Umlaufgeschwindigkeit der
Drahtführungsrollen
vorgegebenen Geschwindigkeit laufen müssen, können die resultierenden Zugkräfte leicht
ein Abreißen
des Sägedrahtes
verursachen. Außerdem
sind die ungleich über
die Drahtwicklungen verteilten Drahtspannungen auch für einen
frühen
Verschleiß des
Belags der Drahtführungsrollen verantwortlich.
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Beim Einsatz von glattem Sägedraht
werden die resultierenden Drahtspannungen teilweise ausgeglichen,
weil der Sägedraht über die
Drahtführungsrollen
gleiten kann (Drahtschlupf) und auf diese Weise einer gespannten
Drahtwicklung eine zusätzliche,
die Spannung reduzierende Drahtlänge
zur Verfügung
stellen kann. Beim Einsatz von Sägedraht
mit gebundenem Schneidkorn ist der Reibungswiderstand für solche
Ausgleichsbewegungen jedoch zu groß.
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In der
EP-1024314 A1 ist eine mit Diamantdraht als
Werkzeug arbeitende Steinsäge
beschrieben, bei der ein einzelner Sägedraht über eine Rolle läuft. Die
Rolle ist auf einer Welle drehbar gelagert und kann senkrecht zur
Welle verschoben werden.
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Die Erfindung stellt eine Drahtsäge bereit, die
mit Sägedraht
arbeitet, der mit gebundenem Schneidkorn versehen ist, ohne dass
der beschriebene Nachteil in Kauf genommen werden muss. Sie ermöglicht einen
Ausgleich der Drahtspannungen, so dass die Drahtspannung in jeder
Drahtwicklung im wesentlichen gleich ist.
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Gegenstand der Erfindung ist eine
Drahtsäge
zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, umfassend Drahtführungsrollen,
um die ein mit gebundenem Schneidkorn belegter Sägedraht gewickelt ist, wodurch
eine Vielzahl von Drahtwicklungen vorhanden ist, die ein Drahtgatter
aus Drahtabschnitten bilden, und eine Vorschubeinrichtung, die das Werkstück gegen
das Drahtgatter bewegt, wobei die Drahtsäge gekennzeichnet ist durch
Mittel, die unterschiedliche Drahtspannungen ausgleichen und über deren
Umfang eine Drahtwicklung oder eine Gruppe benachbarter Drahtwicklungen
laufen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die Mittel aus Rollen, die neben den Drahtführungsrollen
angeordnet sind. Sie werden mit dem Ziel eingesetzt, eine möglichst
gleichmäßige Drahtspannung
in allen Drahtwicklungen zu erreichen, indem der Winkel, den der
auf der Drahtführungsrolle aufliegende
Teil der Drahtwicklung definiert (Umschlingungswinkel α)
verkürzt
und damit ein Drahtschlupf der Drahtwicklung erleichtert wird und
indem eine überhöhte Drahtspannung
in der Drahtwicklung durch eine Bewegung der Rolle in Richtung zu
den Drahtführungsrollen
abgebaut wird.
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Gemäß einer ersten Variante der
ersten Ausführungsform
wird für
jede Drahtwicklung eine eigene Rolle bereitgestellt. Wegen der geringen
Abstände zwischen
benachbarten Drahtwicklungen ist es bevorzugt, die Rollen räumlich versetzt
anzuordnen und/oder die Rollen abwechselnd auf einer Seite und auf
der dieser Seite gegenüberliegenden
Seite des von den Drahtführungsrollen
gebildeten Sägekopfes zu
positionieren. Jede der Rollen kann unabhängig von den übrigen Rollen
verschiebbar angeordnet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, zwei
oder mehrere benachbarter Rollen in Gruppen zusammenzufassen, wobei
die Rollen einer Gruppe nur gemeinsam verschoben werden können.
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Gemäß einer zweiten Variante der
ersten Ausführungsform
wird jeweils eine Rolle für
eine Gruppe benachbarter Drahtwicklungen bereitgestellt, wobei eine
solche Rolle am Umfang mit Rillen für die Drahtwicklungen versehen
ist.
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Gemäß einer dritten Variante der
ersten Ausführungsform
sind nicht für
sämtliche
Drahtwicklungen zusätzliche
Rollen vorgesehen, sondern nur für solche,
bei denen ein stärkerer
Verschleiß des
Sägedrahts
angenommen werden kann. Dies trifft auf die Drahtwicklungen zu,
die auf den Drahtführungsrollen im
Bereich der Drahtabführung
liegen. Insbesondere ist es bevorzugt, in diesem Bereich für jede Drahtwicklung
eine Rolle vorzusehen, während
in den anderen Bereichen Rollen für Gruppen von Drahtwicklungen
ausreichen und im Bereich der Drahtzuführung zu den Drahtführungsrollen
keine Rollen benötigt
werden.
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Die Anordnung der Rollen hat auch
einen entscheidenden Einfluss auf den Umschlingungswinkel. Je kleiner
der Umschlingungswinkel ist, desto eher ist ein Spannungen ausgleichender
Drahtschlupf möglich,
weil die auf die Drahtführungsrolle einwirkende
Kraft bei fallendem Umschlingungswinkel kleiner wird. Es ist daher
besonders bevorzugt, die Rollen derartig anzuordnen, dass die resultierende
Kraft einen Drahtschlupf im Bedarfsfall erlaubt und andererseits
eine ausreichende Führung
des Sägedrahts
auf der Drahtführungsrolle
noch gewährleistet.
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Die Rollen werden durch Gewichtsbelastung oder
durch einen mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch
arbeitenden Aktuator mit einer dem Sägevorgang angepassten Gegenkraft gehalten.
Als Maßnahme
gegen unerwünschte Drahtschwingungen
ist darüber
hinaus ein Dämpfersystem
vorgesehen.
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Zum Aufwickeln des Sägedrahts
auf die Drahtführungsrollen
ist ein Anschlag vorhanden, der für diesen Vorgang in eine Position
gebracht werden kann, in der er ein Verschieben der Rollen verhindert.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die Mittel aus den Drahtführungsrollen selbst, wobei
mindestens eine Drahtführungsrolle
in Teilrollen gegliedert ist, um die jeweils mehrere benachbarte
Drahtwicklungen laufen, und wobei die Teilrollen voneinander unabhängig verschiebbar
ausgebildet sind. Ruf zusätzliche
Rollen gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung kann verzichtet werden. Jede der Teilrollen kann unabhängig von
den anderen in Bezug auf den Sägekopf
nach innen verschoben werden. Durch die Bewegung einer Teilrolle
werden überhöhte Drahtspannungen
in den über
die Teilrolle laufenden Drahtwicklungen abgebaut. Eine Verkürzung des
Umschlingungswinkels tritt bei dieser Ausführungsform der Erfindung nicht
ein.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die Mittel zum Ausgleich von Drahtspannungen
aus den Drahtführungsrollen selbst
und jede der Drahtführungsrollen
ist in Teilrollen gegliedert, von denen einige mit einem Antrieb
in Verbindung stehen, der ein Antreiben der Teilrollen mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten ermöglicht. Die
Teilrollen können
gegebenenfalls verschiebbar ausgebildet sein. Bevorzugt sind Antriebe
mit mechanischen Ausgleichsgetrieben oder mit hydraulischen, hydrostatischen
oder hydrodynamischen Getrieben oder Magnetantriebe. Vorzugsweise
sind seitlich des Sägekopfes
zwischen den Teilrollen verschiebbare Rollen vorgesehen, die sich
in Abhängigkeit
der Drahtspannung verschieben. Die Verschiebung wird gemessen und
als Messgröße zur Regelung
der Vorschubgeschwindigkeit benutzt.
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Als zusätzliche Maßnahme zur Begrenzung von Drahtspannungen
kann eine Vorschubeinrichtung vorgesehen sein, die zwei oder mehrere
Werkstücke
gleichzeitig und unabhängig
voneinander gegen das Drahtgatter bewegt. Eine solche Vorschubeinrichtung
eignet sich gleichermaßen
für die
drei erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit
Hilfe von Figuren näher
erläutert.
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Die 1 und 4 zeigen einen Sägekopf in Seitenansicht,
die 2 und 5 in Draufsicht. In 3 ist ein Kräfteparallelogramm
dargestellt. 6 zeigt eine
Gruppe von zwei Rollen, die nur gemeinsam verschoben werden kann.
In 7 ist das Zusammenwirken
der maßgeblichen
Komponenten einer Drahtsäge
mit Rollen zum Ausgleichen von Drahtspannungen dargestellt. Die 8 und 9 sind Darstellungen einer Drahtsäge, bei
der eine Drahtführungsrolle
in zwei verschiebbare Teilrollen untergliedert ist und die mit einer
Vorschubeinrichtung ausgestattet ist, die zwei Werkstücke gleichzeitig
und voneinander unabhängig
gegen das Drahtgatter bewegt. 10 zeigt
einen Sägekopf
gemäß der dritten
Ausführungsform
in Draufsicht.
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Die Drahtsäge gemäß 1 und 2 umfasst
einen von vier Drahtführungsrollen 2 gebildeten Sägekopf,
um den ein mit Schneidkorn beschichteter Sägedraht 1 gewickelt
ist. Zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück 4, beispielsweise
einem Einkristall aus Silicium, wird das Werkstück durch ein von nebeneinanderliegenden
Drahtabschnitten 5 gebildetes Drahtgatter geführt, beispielsweise
indem das Werkstück
gegen das Drahtgatter bewegt wird. Die Drahtabschnitte werden beim
Durchtritt des Werkstücks
in Abhängigkeit
der Vorschubgeschwindigkeit durchgebogen. Je größer die Durchbiegung ist, desto
größer ist
die auf die entsprechende Drahtwicklung des Sägedrahts einwirkende Kraft.
Abgenützte,
im Bereich des Drahtauslaufs 6 liegende Drahtabschnitte
werden stärker
durchgebogen, als Drahtabschnitte, die im Bereich des Drahteinlaufs 7 liegen
und erst eine geringe Trennarbeit geleistet haben. Entsprechend
höher ist
die Drahtspannung in den abgenutzten Drahtabschnitten. Neben dem
Sägekopf
sind Rollen 3 angeordnet, wobei jeder Drahtwicklung eine
Rolle zugeordnet ist. Diese Rollen sind drehbar und verschiebbar
angeordnet. Infolge steigender Drahtspannung werden die Rollen von
den betroffenen Drahtwicklungen in Richtung der Drahtführungsrollen
bewegt. Mit der Bewegung einer Rolle wird der entsprechenden Drahtwicklung
zusätzliche Drahtlänge zur
Verfügung
gestellt und die erhöhte Drahtspannung
in der Drahtwicklung verringert.
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Wegen den geringen Abständen zwischen benachbarten
Drahtwicklungen sind die Rollen vorzugsweise seitlich versetzt zueinander
angeordnet. Eine solche Anordnung ist der 2 zu entnehmen.
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3 zeigt
ein Kräfteparallelogramm
der auf die Drahtführungsrolle 2 wirkenden
Kräfte
F und einer resultierenden Kraft R, wobei die Drahtführungsrolle
betrachtet wird, die den Sägedraht
an die Rollen weiterleitet. Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Kraft R
umso kleiner, je kleiner der Umschlingungswinkel ? ist, den die
Drahtwicklung im Bereich der Drahtführungsrolle bildet. Die Rollen
sind so angeordnet, dass ein vergleichsweise geringer, einen Drahtschlupf
begünstigender
Umschlingungswinkel resultiert und trotzdem eine sichere Führung des
Sägedrahts
auf der Drahtführungsrolle
noch sichergestellt ist.
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Die 4 unterscheidet
sich von der Darstellung in 1 nur
dadurch, dass der Sägekopf
von nur drei Drahtführungsrollen
gebildet wird. In der Draufsicht gemäß 5 wird ein weiterer Unterschied offenbar,
der darin besteht, das jeweils Gruppen benachbarter Drahtwicklungen über eine
gemeinsame Rolle 3 laufen.
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Die Ausführungsform gemäß 6 zeigt zwei Rollen 3,
die über
einen gemeinsamen schwenkbaren Arm 8 zusammengefasst sind.
Der Arm wird von einem Gewicht G gegen die durch den Sägevorgang
auf die Drahtwicklung einwirkende Zugkraft gehalten.
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Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung gehen
aus 7 hervor. Sie zeigt
einen aus vier Drahtführungsrollen 2 bestehenden
Sägekopf
und eine Vorschubeinrichtung 9, die ein Werkstück 4 mit einer
bestimmten Vorschubgeschwindigkeit gegen ein Drahtgatter führt. Die
Drahtabschnitte 5 des Drahtgatters werden in Abhängigkeit
der Vorschubgeschwindigkeit und des Abnutzungsgrades der Drahtabschnitte
um eine Strecke h durchgebogen. Zum Ausgleich von unterschiedlichen
Drahtspannungen in den Drahtwicklungen sind Rollen 3 vorgesehen,
die durch eine Schwenkbewegung in Richtung auf die Drahtführungsrollen
Drahtlänge
zur Verfügung
stellen und auf diese Weise überhöhte Drahtspannungen
ausgleichen beziehungsweise verringern können. Um die Übersichtlichkeit
zu erhalten, ist nur eine Rolle dargestellt. Die Rolle ist an einem Ende
eines Schwenkarms 10 befestigt. Die Rolle kann alternativ
auch an einem Linearschlitten befestigt sein und statt einer Schwenkbewegung
eine translatorische Bewegung ausführen. Am anderen Ende des Schwenkarms
greift ein Aktuator 11 ein, der die zum Halten der Rolle
gegen die durch den Sägevorgang
auf die Drahtwicklung einwirkende Zugkraft benötigte Gegenkraft bereitstellt.
Drahtschwingungen können
mit Hilfe eines ebenfalls mit dem Schwenkarm in Verbindung stehenden
Dämpfersystems 12 eingedämmt werden.
Darüber
hinaus ist ein Anschlag 13 vorhanden, mit dem der Schwenkarm blockiert
werden kann.
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Vorzugsweise ist auch eine Regeleinrichtung 14 vorgesehen,
mit der die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks automatisch angepasst werden kann.
Zu diesem Zweck wird der Grad der Verschiebung der Rollen 3 mit
Hilfe einer Messeinrichtung 15, beispielsweise eines Drehgebers,
festgestellt und daraus eine zur Verschiebung proportionale Drahtdurchbiegung
h der Drahtabschnitte 5 ermittelt. Die Regeleinrichtung
regelt in einem Regelkreis die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit
der von den Messeinrichtungen festgestellten Rollenverschiebungen
und erlaubt dadurch die Drahtdurchbiegung der Drahtabschnitte zu
begrenzen. Weicht die gemessene Verschiebung beispielsweise von
einem Sollwert ab, so wird die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend
soweit verringert, dass Ist- und Sollwert wieder übereinstimmen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher
auch ein Verfahren zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Durchbiegung eines Drahtabschnitts
eines Drahtgatters einer Drahtsäge,
gegen das das Werkstück
zum Abtrennen der Scheiben geführt
wird, kontrolliert wird, indem eine Vorschubgeschwindigkeit des
Werkstücks
in Abhängigkeit
einer gemessenen Verschiebung des Werkstücks geregelt wird, die eine aufgrund
von Änderungen
der Drahtspannung verschiebbare Rolle erfährt, um deren Umfang eine Drahtwicklung
läuft,
die den Drahtabschnitt mitumfasst.
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Die in den 8 und 9 gezeigte
zweite Ausführungsform
der Erfindung ist durch mindestens eine Drahtführungsrolle ausgezeichnet,
die in zwei oder mehrere Teilrollen 16 untergliedert ist.
Darüber hinaus
ist die Drahtsäge
mit einer Vorschubeinrichtung 9 ausgestattet, die zwei
Werkstücke 4 gleichzeitig
und voneinander unabhängig
in einer überlagerten
Bewegung gegen die Drahtabschnitte 6 des Drahtgatters bewegen
kann. Es können
alternativ auch zwei vollkommen unabhängig voneinander arbeitende
Vorschubeinrichtungen eingesetzt werden. Dementsprechend führen zwei
Steuerleitungen von der Regeleinrichtung 14 zu den Antrieben 9a und 9b für die Werkstückbewegung.
Um dies zu zeigen ist die Drahtsäge
gemäß
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8 in 9 um 90° gedreht dargestellt. Im gewählten Beispiel
ist eine der Drahtführungsrollen
in zwei Teilrollen 16 untergliedert. Jede der Teilrollen
ist über
einen Schwenkmechanismus 19 an einen Aktuator 11,
einen Anschlag 13 und ein Dämpfersystem 12 gekoppelt,
welche die bereits beschriebenen Funktionen haben und ihrerseits
an einem üblichen Rahmen 18 befestigt
sind, der als Wanne zum Auffangen von Abrieb und Kühlfüßigkeit
ausgebildet sein kann.
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Im Drehpunkt des Schwenkmechanismus misst
eine ebenfalls am Rahmen befestigte Messeinrichtung 15 die
Verschiebung der Teilrollen und reicht das Messergebnis über eine
Steuerleitung an die Regeleinrichtung 14 weiter. Weitere
Steuerleitungen sind zwischen der Regeleinrichtung einerseits und dem
Antrieb 17 der Drahtführungsrollen,
dem Aktuator 11, dem Anschlag 13 beziehungsweise
dem Dämpfersystem 12 andererseits
vorgesehen.
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Gemäß der in 10 gezeigten Ausführungsform sind alle Drahtführungsrollen
in Teilrollen 20, beispielsweise in Teilrollenpaare, gegliedert.
Die Teilrollen der angetriebenen Drahtführungsrolle sind durch ein
Differentialgetriebe 21 miteinander verbunden. Auf diese
Weise kann einerseits ein gleiches Drehmoment auf beide Teilrollen
eingeleitet werden und andererseits ist eine Verdrehung zwischen
den Teilrollen infolge unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeiten
möglich.
Die unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten sind die Folge einer
unterschiedlichen Durchbiegung der Sägedrähte des Drahtgatters und von
entsprechend unterschiedlichen Drahtspannungen in den Drahtwicklungen.
Die Teilrollen können
darüber
hinaus auch verschiebbar ausgebildet sein, wie es gemäß der zweiten
Ausführungsform
vorgesehen ist. Der Antrieb der Teilrollen erfolgt im dargestellten
Beispiel über
einen Antriebsriemen 22 auf eine Riemenscheibe 23,
die auf dem Gehäuse 24 des
Differentialgetriebes befestigt ist. Beim Einsatz von Antrieben
mit hydraulischen, hydrostatischen oder hydrodynamischen Getrieben oder
Magnetantrieben ist eine Aufteilung der Drahtführungsrollen in mehr als zwei
Teilrollen möglich. Des
weiteren ist ein Synchronisierungselement, beispielsweise eine Differential sperre
vorhanden, um beim Aufwickeln des Sägedrahts auf den Sägekopf gleiche
Umfangsgeschwindigkeiten der Teilrollen zu gewährleisten.
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Zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit kann
eine verschiebbare Rolle 25 zwischen den Teilrollen vorgesehen
sein. Die Vorschubgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit einer gemessenen Verschiebung
geregelt, die die Rolle aufgrund von Änderungen der Drahtspannung
erfährt.