TWI531441B - 切割用波纹單絲型鋼絲 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種切割用波紋單絲型鋼絲，更具體地說，本發明涉及一種用來切割半導體晶錠、陶瓷、玻璃或與其相似的硬質材料的切割用波紋單絲型鋼絲。
由矽(太陽電池基板等)、石英(應用於汽車之類的各種產業領域)、砷化鎵(高頻電子產品)等製成的晶元是將製成圓柱形態的晶錠(ingot)切成薄盤形態後形成的。該晶錠的切割機制是利用研磨劑與線(wire)切割被削對象。此時，發揮研磨劑載體作用的現有線使用的是鍍黃銅單絲型鋼絲，最近則開發出為了提高切割能而對線表面進行加工以提升研磨劑載體能力的產品。
作為一例，日本公開專利第2011-189444號揭示了將線表面以電解分解予以蝕刻而按照一定間隔形成槽並且將研磨劑導入槽而提升研磨劑載體能力的技術，但通過該方法製成的線卻在經過一定時間後由於表面磨耗而使得研磨劑效果無法長久保持而終至消失。
日本公開專利第2012-139743號揭示了圖1所示鋸線(1)，線徑為d時波紋的波高為0.20h/d0.35，波紋的間距(p)為10p/d14的頂點部分(2、3)所構成的波紋連續形成於單一平面上，賦予二維波紋形狀。
日本公開專利第2008-114318號揭示了圖2所示的用於線鋸的細徑高抗張力高碳鋼線鋸線(saw wire)，該鋸線有下列特徵：1)截面形狀為角部具有圓角的長方形而且其縱橫比為2以上，2)短邊厚度為200m以下，3)長邊面在上下波高高度(H)為短邊厚度(D)的2倍以下的範圍連續進行波紋加工。
該現有技術雖然稍微提升了研磨劑載體性能，但是改變切割用線的外面通常需要花費很多時間並降低製造工藝性、提高生產成本，研磨劑載體性能還會隨著使用過程而下降。
為了解決上述現有技術的問題，本發明的目的是提供一種改良型切割用波紋單絲型鋼絲，其研磨劑載體性能及晶錠切割性能優異而提高晶錠切割速度並且能夠提供穩定的被削物件表面品質。
本發明的另一個目的是提供一種切割用波
紋單絲型鋼絲，其切割性能優異並且切割時所需要的延伸率特性優異，能夠提升切割速度並提供優異的被削物件表面品質、儘量減少研磨劑載體性能的劣化程度。
為了達到上述目的，本發明的一實施例提供一種切割用波紋單絲型鋼絲，該單絲型鋼絲是由在碳鋼鍍了黃銅而直徑為d的單一金屬線構成並且在長度方向被賦予多個波紋的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，上述波紋配置在一個或一個以上的多個平面，賦予了上述波紋的單絲型鋼絲的直徑(d)、伸率因子(ε)、波紋的高度(h)與波紋的週期(P)符合下式條件地構成：0.1(mm)ε x P(mm)15(mm)
0.15xh(mm)ε x d(mm)0.75xh(mm)
在上述式中，ε(伸率因子)表示在5~30N的延伸率/斷裂延伸率的比率。
本發明的上述切割用單絲型鋼絲在形成有波紋的三維座標上朝形成有波紋的二維平面的軸以外的其餘一個軸方向旋轉而得以在比實際形成有波紋的平面更多的平面上賦予波紋。
實現上述目的的本發明的另一個形態提供下列切割用波紋單絲型鋼絲，其包括具備一個或多個波紋的波紋區段與沒有賦予波紋的非波紋區段，上述波紋區段與非
波紋區段以9：1到1：9的長度比反復。
本發明的切割用波紋單絲型鋼絲形成了其伸率因子、單絲型鋼絲的直徑、波紋的高度及週期均處於本發明的範圍內的三維波紋，因此，不僅具備了足夠收容研磨劑的槽，還能維持切割用線所要求的延伸率特性並提升研磨劑載體性能而得以提高切割速度及切割工序的效率。
而且，由於研磨劑載體性能得到提升而減少波紋單絲型鋼絲的磨耗，使得本發明的切割用波紋單絲型鋼絲的壽命性能提高，由於波紋形成於多個平面或者形成旋轉的三維波紋，因此不僅能讓切割工序穩定，還能提升切割部分的表面品質。因此，本發明的波紋單絲型鋼絲適合切割半導體用晶錠、陶瓷及超硬合金之類的硬質材料，尤其是，能夠充分地適用於要求削物件表面品質優異、高精密的表面平坦度的硬質材料切割用途。
1‧‧‧鋸線
2‧‧‧頂點部分
3‧‧‧頂點部分
10、10'‧‧‧波紋區段
100‧‧‧切割用波紋單絲型鋼絲
100a‧‧‧金屬材質線
10a、10a'‧‧‧波紋
20‧‧‧非波紋區段
圖1是現有切割用線的概略圖。
圖2是現有技術的切割用線的縱剖視圖。
圖3是本發明的一實施例的切割用波紋單絲型鋼絲的側視概略圖。
圖4是本發明的另一實施例的切割用波紋單絲型鋼絲的概略斜視圖。
下面結合附圖詳細說明本發明的較佳實施例。在說明本發明之前，如果認為公知結構或功能的相關說明可能非必要地混淆本發明的主旨，將省略其詳細說明。
本發明的切割用波紋單絲型鋼絲是由在碳鋼鍍了黃銅而直徑為d的單一金屬線構成並且在長度方向被賦予多個波紋的切割用波紋單絲型鋼絲，上述波紋配置在一個或一個以上的多個平面，賦予了上述波紋的單絲型鋼絲的直徑(d)、伸率因子(ε)、波紋的高度(h)與波紋的週期(P)符合下式條件地構成：0.1(mm)ε x P(mm)15(mm)
0.15xh(mm)ε x d(mm)0.75xh(mm)
在上述式中，ε(伸率因子)表示在5~30N的延伸率/斷裂延伸率的比率。
本發明的切割用波紋單絲型鋼絲和碳化矽粉末、鑽石粉末之類的研磨劑與油等潤滑劑混合的切削液一起以適當壓力接觸被切割對象地行走而將被切割對象切割。利用本發明的切割用波紋單絲型鋼絲將被削物件之類的硬質材料加以切割後形成晶元的方法如下。在具有多個槽的
多個滾輪按照預設間距捲曲一系列的切割用波紋單絲型鋼絲列後，讓該一系列的切割用波紋單絲型鋼絲列行走。在該一系列的切割用波紋單絲型鋼絲列上以預設的力量加壓需要切割的被削物件。與此同時，讓切削液在切割用波紋單絲型鋼絲列與被削物件之間流動而利用研磨用粒子的切削作用切割被削物件後製成晶元。
圖3是本發明一實施例的切割用波紋單絲型鋼絲的側視概略圖。請參閱圖3，本發明的切割用波紋單絲型鋼絲(100)為了改善研磨劑粘附在高碳鋼、包含鎢或銅等元素的鋼鐵等金屬材質線(100a)表面的問題而具有鍍了銅或黃銅等金屬電鍍層(未圖示)的結構。本發明的切割用波紋單絲型鋼絲的碳含量為0.70%到1.05%左右，拉伸強度為300kg/mm2~600kg/mm2。上述單絲型鋼絲在10~40N的延伸率為0.8~2.1%，斷裂延伸率為1.8~3.0%。
另一方面，把本發明切割用波紋單絲型鋼絲的強度限定於300kg/mm2到600kg/mm2的理由是為了確保實現切割用波紋單絲型鋼絲的原先目的時所需要的切割力，其原先目的是實現半導體、陶瓷或超硬合金等硬質材料的切割及切片(slice)。而且，為了獲得作為切割極細物體的切割用波紋單絲型鋼絲的所需強度，不僅可以進行加工度達到90%以上的拉拔加工，還可以根據需要而在原材料上添加鉻或釩之類的合金元素提高強度。
上述黃銅鍍層中的銅含量以60~80%較佳，可以根據需要而在黃銅鍍層以0.1~6.0%的範圍添加Co、Fe、Ni之類的第三元素。該三元合金電鍍層能夠改善耐腐蝕性及強度。
本發明的波紋單絲型鋼絲在波紋部分收容研磨劑而提高了研磨劑載體性能。在本發明中，單絲型鋼絲的波紋配置在一個或一個以上的多個平面，波紋單絲型鋼絲的伸率因子(ε)與波紋的週期(P)的乘積為0.1以上、15以下。
在本發明中，波紋單絲型鋼絲的ε x P小於0.1時由於研磨劑載體性能不足而使得被切削物件的表面品質及生產性下降，波紋單絲型鋼絲的ε x P超過15時無法提供切割用單絲型鋼絲所要求的最低標準的柔軟性而使得生產性下降。
讓本發明的切割用波紋單絲型鋼絲的ε xP及ε xd介於上述範圍之間而使得切割用波紋單絲型鋼絲具備其尺寸足以容納研磨劑的槽，與此同時，還能維持切割用波紋單絲型鋼絲所需要的延伸率特性(elongation characteristics)。
波紋週期相比於單絲型鋼絲直徑太小時承載研磨劑的頂點部分之間的空間變窄而限制了研磨劑載體性能，與此相反地，波紋週期(P)相比於單絲型鋼絲直徑太大時把研磨劑加壓給對被削對象的波紋的頂點部分數量變小
而降低切削速度。
本發明的切割用波紋單絲型鋼絲以單絲型鋼絲直徑(d)為0.03mm到0.5mm較佳。單絲型鋼絲的直徑(d)小於0.03mm時將無法得到作為切割用線所需要的強度，超過0.5mm時切損將增加。
利用切割用線切割被切割物件時影響其良率的因素之一是切損(kerfloss)，該切損(kerfloss)是切割用線切入矽晶錠之類的被切割物件時出現的切割槽的寬度，切損與良率成反比。為了儘量減少上述切損而需要讓切割用線的線徑變細而實現細線化或極細線化，為此需要具有高切割強度並呈現出高韌性的超高強度鋼線。本發明為了在切割時減少被削物件的損失並提高切割速度而提供直徑為0.5mm以下的細線徑切割用波紋線。
上述單絲型鋼絲的直徑(d)及波紋的高度(h)符合下式時，能夠輕易地調整直線性並改善研磨劑載體性能。
1.2xd(mm)h(mm)3.0 x d(mm)
本發明中波紋的高度(h)相比於單絲型鋼絲的直徑(d)太低時無法在削物件與研磨劑之間確保足夠的距離並且讓研磨劑載體性能下降，與此相反地，波紋的高度(h)相比於單絲型鋼絲的直徑(d)太高時所形成的波紋較難被單一的波紋賦予面收容而影響到加工面精密度。上述單絲型鋼絲的直徑(d)與波紋的高度(h)之間的關係以1.5xd(mm)<h(mm)
3.0 x d(mm)較佳。
上述波紋單絲型鋼絲在形成有波紋的三維座標上朝形成有波紋的二維平面的軸以外的其餘一個軸方向旋轉而得以發揮出在比實際形成有波紋的平面更多的平面上賦予波紋的效果。例如，請參閱圖3，波紋形成於X-Y平面時讓形成有波紋的單絲型鋼絲朝Z軸方向旋轉就能發揮出如同Y-Z平面方向也形成有波紋的效果。該實施例的切割用波紋單絲型鋼絲不使用兩套波紋賦予裝置也能形成三維波紋。
該切割用單絲型鋼絲在通過互相朝相反方向旋轉的一雙扭曲裝置讓各單絲型鋼絲本身受到扭曲卻不會讓2束互相糾纏地賦予微細扭曲的狀態下通過波紋賦予裝置賦予波紋後製成。一雙扭曲裝置的旋轉太大時會因為過度扭曲而使得2束單絲型鋼絲互相糾纏而頻繁地出現斷線，與此相反地，如果旋轉太小則鋼線材料本身內部會留下不均勻的殘留應力而影響到直線性。因此，適當調節扭曲裝置的旋轉量以便在通過波紋賦予裝置之前單絲型鋼絲本身雖然受到扭曲卻不會讓2束單絲型鋼絲不互相糾纏地賦予微細扭曲是非常重要的。單絲型鋼絲通過上述波紋賦予裝置時單絲型鋼絲與波紋賦予裝置之間的角度以0~90度較佳。本發明在多個平面形成波紋時，不要求形成於各平面的波紋的ε x P,ε x d及波紋的數量等必須相同。
在本發明的再一個實施例中，切割用波紋單絲型鋼絲為了提高耐磨耗性及壽命性能而另外包含耐磨耗性多層塗層。上述塗層是由選自(Ti,Al,Si)N、(Ti,Si)N、(Ti,Al)N及(Al,Cr)N所組成的群組的1種以上材料所構成的1層以上的耐磨耗性塗層。作為該耐磨耗性塗層的一例，可以把包含(Ti,Al,Si)N+(Ti,Si)N、(Ti,Si)N+(Ti,Al)N、(Al,Cr)N+(Ti,Si)N或(Al,Ti,Si)N+(Al,Cr)N的多層塗層(coating)層疊於切割用波紋單絲型鋼絲。包含多層結構的塗層可以通過相異的PVD法沉積到基質或者交替地形成個別層。
圖4是示出本發明另一實施例的切割用波紋單絲型鋼絲的形態的概略斜視圖。如圖4所示，本發明的切割用波紋單絲型鋼絲(100)包括具備一個以上的波紋(10a或10a')的波紋區段(10)與沒有賦予波紋的非波紋區段(20)。
如前所述地，本發明另一實施例的包括波紋區段與非波紋區段的三維波紋形狀的單絲型鋼絲的斷裂延伸率及粘結力優異、幾乎沒有殘留旋轉應力、直線性優異，不僅提升切割性能，還能提升製造工藝性。
本發明的波紋區段只要符合上述條件即可，因此可以按照各種形態排列單位波紋區段(10)及單位非波紋區段(20)。例如，該實施例的切割用單絲型鋼絲的波紋區段與非波紋區段連續反復，把波紋區段稱為A、非波紋區段稱為B而且A區段與B區段的長度相同時，不必一定要像
ABABAB一樣讓波紋區段與非波紋區段按照一個區段一個區段地交替形成，也可以像AABAABAAB、AAABAAABAAAB一樣地在兩個以上的波紋區段之間插入數量較少的非波紋區段。
作為另一例，波紋區段(10)及非波紋區段(20)可以交替排列並且各個波紋區段的波紋形成於互不相同的平面。作為一例，請參閱圖4，波紋10a對X-Y平面形成波紋而波紋10'則對X-Z平面形成波紋。因此，切割用波紋單絲型鋼絲在切割工序期間維持直線狀態而得以讓切割工序更穩定並且提升切割部分的表面品質。此時，上述互不相同的角度不是一定要互成直角，也可以成為低於90度的銳角。
在本發明中，上述非波紋區段(20)可以是完全沒有賦予波紋的線性線，但波紋的高度可以在單絲型鋼絲直徑(d)的1.00~1.10倍範圍內。
在本發明的切割用波紋單絲型鋼絲中，上述單位波紋區段(10)與單位非波紋區段(20)在9：1到1：9的長度比內反復較佳，在8：2到2：8的長度比內反復更佳，在7：3到3：7的長度比內反復則最佳。
而且，上述單位波紋區段(10)與單位非波紋區段(20)的長度為1mm到100mm較佳，而且，優選地，上述波紋(10a及10a')的週期(P)為1mm到10mm，上述波紋(10a)的高度(h)為1.2×dmm到3.0×dmm，1.5×dmm<h(mm)3.0×dmm更佳。
本發明雖然沒有對波紋的形狀給予特別限制，但作為一例，可以具有“之”字形狀或正弦波紋狀。優選地，本發明的切割用波紋單絲型鋼絲包括研磨粉漿之類的研磨劑塗層。
下面結合實施例詳細說明本發明，但下述實施例只是為了說明本發明，不得因此限制本發明。
實施例
實施例1
針對碳含量為0.70~1.05%、直徑為5.5mm的線材(wire rod)實行拉拔過程2次後進行熱處理及鍍黃銅，最終拉拔到直徑0.100mm而備妥單絲型鋼絲。接著，使用波紋賦予裝置在最終拉拔而沒有賦予波紋的單絲型鋼絲的2個平面賦予波紋，並且讓ε x P成為0.1、ε x d成為0.15h地製成切割用波紋單絲型鋼絲。針對所得到的切割用波紋單絲型鋼絲的線徑、波紋週期、延伸率、斷裂延伸率進行評估後將其結果列示在下述表1。
另一方面，使用由碳化矽(silicon carbide)構成的漿(slurry)切割直徑150mm的矽晶錠後，利用下列記載的方法評估晶元物性與生產性並且將其結果一起列示在下述表1。
[物性評估方法]
*斷裂延伸率利用拉力試驗機測量了斷裂時的延伸率。
*表面粗糙度則利用接觸式感測器方法對單絲型鋼絲測量了被切割物件的表面粗糙度(surface roughness)。
*切損(μm)則測量了矽晶錠的切割作業後的切割損失(kerf loss)，以沒有賦予波紋形狀的0.13mm線的情形作為100後進行了相對比較。
*切割速度指的是將直徑150mm的矽晶錠切割時的速度，以沒有賦予波紋形狀的0.13mm線的情形作為100後進行了相對比較。
實施例2
針對碳含量為0.70~1.05%、直徑為5.5mm的線材(wire rod)實行拉拔過程2次後進行熱處理及鍍黃銅，最終拉拔到0.115mm而備妥單絲型鋼絲，賦予波紋時，除了讓ε x P成為0.5、ε x d成為0.32h以外，其餘的則和實施例1相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
實施例3
除了讓ε x P成為1.0、ε x d成為0.26h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
實施例4
除了讓ε x P成為3.5、ε xd成為0.23h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
實施例5
除了讓ε x P成為4.0、ε xd成為0.52h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
實施例6
針對碳含量為0.70~1.05%、直徑為5.5mm的線材實行拉拔過程2次後進行熱處理及鍍黃銅，最終拉拔到0.130mm而備妥單絲型鋼絲，賦予波紋時，除了讓ε x P成為5.0、ε xd成為0.46h以外，其餘的則和實施例1相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
實施例7
針對碳含量為0.70~1.05%、直徑為5.5mm的線材實行拉拔過程2次後進行熱處理及鍍黃銅，最終拉拔到0.130mm而備妥單絲型鋼絲，賦予波紋時，除了讓ε x P成為12.5、ε xd成為0.75h以外，其餘的則和實施例1相同地實行而
製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表1。
比較例1
最終拉拔後不使用波紋賦予裝置並且不對直徑0.130mm線的任何平面賦予波紋地製成切割用單絲型鋼絲，與實施例中製作的單絲型鋼絲進行物性比較評估後將其結果列示在下述表2。
比較例2
除了讓ε x P成為1.7、ε x d成為0.80h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表2。
比較例3
除了讓ε x P成為0.04、ε x d成為0.09h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表2。
比較例4
除了讓ε x P成為16、ε x d成為0.48h以外，其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表2。
比較例5
除了讓ε x P成為25.6、ε x d成為0.77h以外，
其餘的則和實施例2相同地實行而製成切割用波紋單絲型鋼絲並評估各項物性後一起列示在下述表2。
根據上述表1，與沒有賦予波紋或者ε xP及ε xd的比率脫離了本發明範圍的比較例的單絲型鋼絲相比，使用本發明的波紋單絲型鋼絲切割的晶元的表面粗糙度比較有利並且改善了被切割物件的切損。而且，在本發明的實施例中切割直徑150mm的矽晶錠時切割速度也快於比較例而
得以提高單位時間的生產性，從而能夠降低生產成本。
前文根據本發明的較佳實現例詳細說明了本發明，但是在沒有脫離本發明的精神及範疇的情形下可以出現各種變形及修改，這對於本領域技術人員來說是非常明顯的，因此這些各種變形及修改例都應視為包含在本發明的保護範圍。
100‧‧‧切割用波紋單絲型鋼絲
Claims (10)
- 一種切割用波紋單絲型鋼絲，是由在碳鋼鍍了黃銅而直徑為d的單一金屬線構成並且在長度方向被賦予多個波紋的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該波紋配置在一個或一個以上的多個平面，賦予了該波紋的單絲型鋼絲的直徑(d)、伸率因子(ε)、波紋的高度(h)與波紋的週期(P)符合下式條件地構成；該單絲型鋼絲在形成有波紋的三維座標上朝形成有波紋的二維平面的軸以外的其餘一個軸方向旋轉而在比實際形成有波紋的平面更多的平面上賦予波紋；且該式為：0.1(mm)ε x P(mm)15(mm) 0.15xh(mm)ε x d(mm)0.75xh(mm)在該式中，ε(伸率因子)表示在5~30N的延伸率/斷裂延伸率。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲包括具備一個或多個波紋的波紋區段與非波紋區段，該波紋區段與非波紋區段以9：1到1：9的長度比反復。
- 根據請求項2所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在 於，該各個波紋區段的波紋形成於互不相同的平面。
- 根據請求項2所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該非波紋區段的波紋高度介於單絲型鋼絲直徑(d)的1.00~1.10倍的範圍內。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲在10~40N的延伸率為0.8~2.1%，斷裂延伸率為1.8~3.0%。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲的直徑(d)為0.03mm~0.5mm。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲的碳含量為0.70%到1.05%，黃銅電鍍中銅成分為60~80%。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲的拉伸強度為300kg/mm2到600kg/mm2。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於， 該單絲型鋼絲的直徑(d)與波紋的高度(h)符合下式條件地構成：1.2xd(mm)h(mm)3.0xd(mm)。
- 根據請求項1所述的切割用波紋單絲型鋼絲，其特徵在於，該單絲型鋼絲還包括選自由(Ti,Al,Si)N、(Ti,Si)N、(Ti,Al)N及(Al,Cr)N所組成的群組的1種以上材料所構成的1層以上的耐磨耗性塗層。
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