TWI772350B - 具有有著彈性和塑性旋轉的鋸絲的卷軸 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種鋸絲的卷軸，其為在卷軸的芯上捲繞鋸絲的卷軸。鋸絲由在其中實施了兩個或更多的捲曲變形的鋼絲製成。所述兩個或更多的捲曲變形中的每一個具有垂直於縱向軸線的捲曲方向。捲曲方向中的每一個不同於其他捲曲方向。卷軸上的鋸絲包括在彈性旋轉方向上施加的每單位長度多個彈性旋轉。除了彈性旋轉之外還可以在絲中實施塑性旋轉。

Description

具有有著彈性和塑性旋轉的鋸絲的卷軸
本發明涉及具有鋸絲的卷軸。這樣的卷軸用於切割或鋸割硬且脆的材料，諸如矽、石英、砷化鎵、碳化矽和類似類型的材料。
絲鋸是用於切割諸如太陽能電池工業和半導體工業中所使用的矽晶片等的硬且脆的材料的機器。在絲鋸中，長的(典型地超過200km，不過700km是更常見的)單個鋸絲被給送到在絲鋸機的給送側的絲網內。絲網由被以螺旋的方式引導在帶槽的絞盤上的一系列的環(典型地在100個與1200個環之間)形成。絞盤使整個的絲以往復運動的方式移動(例如，用於半導體晶片)或在一個方向上(例如，用於切割太陽能電池晶片)移動。
在絲網上傾倒將磨料顆粒保持在黏性載體中的磨料漿液。通常使用碳化矽或金剛石作為磨料顆粒而使用聚乙二醇(PEG)或油作為載體。工件(例如矽錠)被沉入絲網內。 磨料顆粒由鋸絲牽引並將工件的離開切割的材料磨蝕掉作為削屑。鋸絲在該過程中也被磨蝕並因此在該給送側需要新的鋸絲的連續補給，而用過的鋸絲被收集在鋸機的收絲卷軸處。
為了正確的理解：絲鋸是用來鋸割的機器，鋸絲是在這樣的機器上使用的用於鋸割的絲。“鋸割絲”與“鋸絲”相同。鋸絲是優選非常細的鋼絲。的確，鋸絲越細，被磨蝕掉的材料越少，並且可以從同一塊材料中提取更多的晶片。然而，因為絲必須能夠承受鋸割期間的一定工作力(典型地25N)用於維持絲繃緊並且能夠在磨料上施加向下的壓力，所以鋼絲直徑的下限受到絲的拉伸強度的限制。傳統的鋸絲是基本上直的並且具有平滑表面。
近年來引入了結構化鋸絲。在該申請的上下文內，“結構化鋸絲”是具有彎折的鋼絲，在彎折之間具有直節段。即，絲的曲率將在直節段處的非常低的值與在彎折自身處的較高值之間變化。鋼絲的表面是平滑的並且絲的橫截面是圓的。本申請的含義上的結構化鋸割絲的典型示例被描述在完全基於WO 99/28547 A1的WO 2006/067062中。兩個公開都描述了設置有捲曲的鋼絲，各捲曲具有節距長度和幅度，捲曲被佈置在至少兩個不同的平面中。
結構化鋸割絲的使用造成較快的鋸割、較少的能量消耗、每個晶片切割需要的較少的絲和較少的漿液使用。這大大歸功於結構化造成磨料在彎折處更好的輸送的事實。此外，結構化提供了在切割中的開口空間，導致更好的削 屑排空。還有，非常精細的使用的磨料顆粒(碎屑)在它們通過絲的開口結構時不會阻礙鋸割。見“結構化絲：從單絲實驗到多晶矽晶片大規模生產”，太陽能材料&太陽能電池131(2014)58-63。
如WO 2012/069314 A1中已經公開的那樣，上面的WO 99/28547 A1絲具有鋸割期間一個捲曲方向可能開始勝過其他捲曲方向的缺點。這歸因於如下事實-當沿著結構化鋸割絲的縱向軸線觀察時-絲沒有圓形對稱性：在矩形內形成利薩如曲線(lissajous)型的軌跡。結果是絲將找到優先方向，造成了增加的晶片的總厚度變化(TTV)、增加的深度和增加的鋸痕數量。
雖然WO2012/069314 A1中建議的解決方案提供一種具有螺旋形狀的結構化鋸割絲，包括之間具有彎折的節段，並且其中在節段與工件之間形成間隙，已證明磨料可以被保持在該間隙中以工作，但是就生產這樣的絲的效率而言存在著障礙。
本發明人因此尋求其他解決方案來克服該問題並提出了將在下文中公開的解決方案。
本發明的目的是提供具有如下鋸絲的卷軸：使得鋸絲更好地執行晶片鋸割並獲得更好的鋸割的晶片特性。本發明的進一步的目的是提供具有將在鋸割過程中給予優異的可加工性的鋸絲的卷軸。
根據本發明的第一方面提供了一種具有鋸絲的卷軸，即，本發明是關於與絲結合的卷軸。出於稍後將闡明的原因，不可能在一件短(例如，小於1米)的結構化鋸絲上確定本發明的存在。
鋸絲被捲繞在卷軸的芯上。卷軸將大體具有凸緣，但這不是明確的要求。
鋸絲具有跟隨鋸絲的大體形狀的縱向軸線。當被捲繞在卷軸的芯上時軸線可以顯示出與直線的一些偏離。縱向軸線跟隨鋸絲的中心處的這種寬圓。還有當從卷軸上切割短的絲試樣時，絲可以顯示出有些長範圍的曲率。在任何情況中，等於或大於芯直徑的一半的任何曲率半徑都不會妨礙識別鋸絲的縱向軸線。
鋸絲由鋼絲製成。鋼絲具有大體圓形橫截面，儘管本質上不排除多邊形橫截面。絲具有60μm與300μm之間的直徑，不過最優選的尺寸是70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、115μm、120μm、130μm、140μm和150μm。如今最常用的是具有115μm和120μm的直徑的絲。對於被稱為“切塊(bricketing)”的特殊應用來說，200μm或250μm的較大尺寸直徑是常見的。“切塊”是較大的錠變成標準晶片尺寸的方塊的切割。標準晶片尺寸是100×100mm2、125×125mm2或156×156mm2。
為了能夠承受鋸割期間的20N至25N的工作負載，需要1000N/mm2(對於像在200μm與300μm之間的較厚的絲)與4000N/mm2(對於90μm直徑的鋼絲)之間的最小拉伸強度。 典型地對於最常用的尺寸100μm、110μm、115μm和120μm來說分別是3700N/mm2、3200N/mm2、2900N/mm2、2700N/mm2的最小拉伸強度，其中安全性建造在500N/mm2上以克服拉伸波動。
高的拉伸強度僅可以在遠拉延出的高拉伸鋼絲上達到。用於拉延這樣的絲的鋼被稱為高碳鋼，其可以是或可以不是微合金的。實際的鋼成分不僅包括鐵和碳還包括大量其他合金和痕量元素，其中的一些在強度、延展性、可成形性、耐腐蝕性等等方面對鋼的性質具有深遠的影響。針對該應用，強度是至關重要的，對於鋼絲優選以下元素成分：
- 至少0.70wt%的碳，上極限取決於形成絲的其他合金元素(見下面)
- 0.20wt%至0.70wt%之間的錳含量。錳-像碳一樣-增加絲的應變硬化並且還在鋼的製造中充當脫氧劑。
- 0.20wt%至0.30wt%之間的矽含量。矽用於在製造期間使鋼脫氧。像碳一樣它幫助增加鋼的應變硬化。
- 像鋁、硫(低於0.03%)、磷(低於0.03%)一樣的元素的存在應該被保持最小。
- 鋼的剩餘部分是鐵和其他元素。
鉻(0.005wt%至0.30wt%)、釩(0.005wt%至0.30wt%)、鎳(0.05wt%至0.30wt%)、鉬(0.05wt%至0.25wt%)和硼痕量的存在可以降低對於高於共析成分的碳含量(0.80wt%的C)的晶界滲碳體的形成並由此改善了絲的可成形性。這樣的 合金化使得能夠實現0.90wt%至1.20wt%的碳含量，造成了在拉延出的絲中的可以像4000MPa那樣高的拉伸強度。這樣的鋼被稱為微合金鋼。
鋸絲是設置有兩個或更多的捲曲的鋼絲，兩個或更多的捲曲中的每一個具有捲曲方向，所述捲曲方向中的每一個垂直於縱向軸線，捲曲方向彼此相互不同。
用於該申請的目的，“捲曲變形”是其中通過在絲的長度上給予絲交替的左側和右側的永久性彎折而獲得了在捲曲方向上的反復的波浪或Z字形狀的塑性變形。捲曲方向垂直於縱向軸線。在該申請的上下文內：每當提及“投影”時，都意味著鋸絲的中心線的投影。“中心線”通過將形成在鋼絲的垂直橫截面中的圓的中心點連接而形成。關於特定捲曲變形的“平行投影”意味著鋸絲的中心線在平行於縱向方向的平面上以及在垂直於該平面的視圖中的特定捲曲方向上的投影。關於“縱向投影”意味著鋸絲的中心線在當沿著縱向軸線觀察時垂直於縱向軸線的平面上的投影。“陰影投影”意味著就好像從無限遠的光源照射一樣的整個絲(即包圍住鋼絲主體)的投影。
如果僅存在一個捲曲變形則鋸絲將顯示出在一個平面中的波浪形狀，該平面與捲曲方向和縱向軸線平行，即絲的形狀是平面的。捲曲變形的平行投影將顯然顯示出波浪形狀。
當在兩個不同的捲曲方向上提供了兩個捲曲變形時，兩個捲曲方向都置於垂直於縱向軸線的平面中，則與僅存 在一個捲曲變形時的平面形狀對比，鋸絲將呈現空間形狀。在空間形狀中，鋼絲將在垂直於鋸絲的縱向軸線的兩個不同的捲曲方向上從縱向軸線偏離。然而，特定捲曲變形的平行投影將僅顯示出在那個特定方向上的捲曲形狀，其他捲曲變形不會顯示出。當僅存在兩個捲曲方向時鋸絲的縱向投影顯示出平行四邊形形狀。
處理可以擴展至三個捲曲變形：再次，第一、第二或第三捲曲的平行投影將僅分別顯示出第一、第二或第三捲曲，而其他捲曲變形不會顯示。如果牽涉到三個捲曲方向的話，縱向投影將顯示出具有平行的相對邊緣的非正六邊形。處理可以擴展至四個、五個或更多的捲曲方向。
關於具有鋸絲的卷軸的特性在於它包括在彈性旋轉方向上施加的每單位長度多個彈性旋轉。用於該申請的目的，“旋轉”是絲的空間形狀圍繞鋸絲的縱向軸線旋轉。關於“彈性旋轉”意味著這些旋轉不是由鋸絲永久性地獲取。優選地，在具有鋸絲的卷軸上存在每米至少0.5個至10個彈性旋轉。彈性旋轉的數量可以在鋸絲的長度上在例如每米0.5個至5個旋轉之間或在每米1個與3個旋轉之間變化。在具有鋸絲的卷軸上的彈性旋轉的存在可以容易地證實。當在使絲的端部在旋轉上保持固定的情況下從具有鋸絲的卷軸上抽取長度“L”的鋸絲時，彈性旋轉保持在絲中，因為兩個端部都不能自由地旋轉。在絲端部釋放時彈性旋轉被解放並且絲端部將旋轉。由絲端部做出的旋轉的數量除以絲的解捲繞長度“L”是每單位長度的彈性旋轉的數量。 長度“L”是至少一個完整的旋轉被釋放得到的長度。例如當一個完整的旋轉在長2米的絲上被釋放，每米的旋轉數量為每米0.5個旋轉。旋轉將在與旋轉被施加所在的旋轉方向相反的旋轉方向上解放。注意，在試樣取得期間兩個端部沒有在旋轉上被保持固定的情形下，彈性旋轉的存在不能在鋸絲的試樣上查明。
本發明的工作如下：當在鋸絲的正常狀態期間從卷軸上解捲繞鋸絲時，工件被面向鋸絲，鋸絲在通過固定點(例如錠的入口)時利用圍繞其旋轉軸線旋轉。每單位時間在入口做出的旋轉的數量將等於絲的速度乘以每單位長度彈性旋轉的數量。因為放絲卷軸和收絲卷軸兩者是防止鋸絲的旋轉的固定點，所以放絲與收絲卷軸之間的彈性旋轉的數量保持大約恆定並且等於每單位長度彈性旋轉乘以通過絲鋸的絲路徑的長度。
鋸絲中的兩個或更多的捲曲變形造成磨料顆粒輸送通過切口的改善。在鋸割期間，鋸絲主要在捲曲的彎折處磨蝕工件：彎折推動磨料顆粒抵著工件，而彎折之間的直節段不磨損工件。作為結果拉著絲通過的力小得多，因為絲與工件之間的磨損表面被減小。另外，削屑和碎屑可以通過直節段之間的空間並且不會阻礙仍然活躍的磨料顆粒。
本發明的第一效果是：歸因於由彈性旋轉產生的旋轉運動，漿液也被旋轉攪拌。這有助於削屑和碎屑的去除。本發明的第二效果是：歸因於鋸絲的旋轉運動，絲不會在一個捲曲變形會勝過其它的捲曲變形的情況下有機會找到 優選方向並且使絲保持那個方向。只要這種情況發生了，旋轉就會積聚在切口的前面直到絲上的扭矩變得如此高以致於鋸絲被迫再次旋轉。第一和第二效果兩者造成切割的晶片的增加了的表面質量。
在本發明的進一步的細化中，捲曲變形的旋轉可以做成沿著鋸絲的縱向方向永久性的。鋸絲的兩個或更多的捲曲方向中的所有捲曲方向於是以每單位長度多個塑性旋轉在沿著縱向軸線的塑性旋轉方向上旋轉。捲曲的旋轉是塑性的、即永久性的。因此從鋸絲的卷軸上切下的一段鋸絲將仍然顯示出沿其長度的捲曲方向的旋轉，即使當端部自由地旋轉時。
塑性旋轉的數量優選地在每米0.5個至10個旋轉之間，甚至更優選地在每米0.5個至5個旋轉之間或在0.5個至1個旋轉之間。
所施加的塑性旋轉和沿著縱向軸線的彈性旋轉的旋轉方向可以彼此相反。例如，塑性旋轉可以在順時針方向上，而彈性旋轉可以在逆時針方向上施加。這樣的佈置是可能的但不太優選，因為旋轉會彼此消除。
如果塑性旋轉方向和彈性旋轉方向相同則是更優選的。那樣，更加改善了在切口的入口處的旋轉效果。
彈性旋轉的數量和塑性旋轉的數量的總和最好在每米0.5個與20個旋轉之間。在總和中，考慮到了適當的符號，即，相反的方向被彼此減去，相似的方向被加上。如果總和小於每米0.5個旋轉，則不會注意到在鋸割期間有 利效果。如果總和大於每米20個旋轉，則存在著“跳過”的風險。跳過發生在鋸割期間當在絲網中絲中的一個離開它的槽並安置在相鄰槽中時。更具體的範圍是在每米0.8個與10個旋轉之間或者在每米0.8個與5個旋轉之間或者甚至在0.8個與2個旋轉之間。
在本發明的優選實施例中，每單位長度塑性旋轉的數量小於每單位長度彈性旋轉的數量，例如絲的10個旋轉中的小於3個旋轉是塑性旋轉，剩餘部分是彈性旋轉。在同樣優選的實施例中，塑性旋轉的數量大約等於彈性旋轉的數量。關於大約等於意味著10個旋轉中的3個與7個之間的旋轉是彈性旋轉，剩餘部分是塑性旋轉。
在優選實施例中，捲曲方向的數量等於二。兩個捲曲方向優選地相對於彼此在70°至110°的角度之間。如果角度太小，則縱向投影將顯示出變扁的平行四邊形。這樣的形狀將在其旋轉上限制鋸絲，作為結果鋸絲痕的風險增加。如果角度是90°，則縱向投影會顯示出矩形形狀。注意，捲曲之間的角度必須局部地測量-即，比方說在十至一百個波長內-因為在存在彈性旋轉的情況下兩個捲曲的總體定向可以沿著鋸絲的長度旋轉。
捲曲變形中的每一個將在那一個捲曲變形的平行投影中顯示出捲曲波長。用於所有實際的目的，捲曲波長是在軸線的同一側上的兩個跟隨的峰值之間的平均軸向距離。優選採取至少30個波長的平均。高度優選的是，捲曲波長彼此相互不同並且不是彼此的倍數。如果波長彼此互質 (coprime)則是甚至更優選的。如果波長相等或者是彼此的倍數，則存在著兩個捲曲聚結成單個捲曲的風險。
在兩個捲曲方向上的兩個捲曲變形的具體情況中，可以將具有較大波長的捲曲變形命名為第一捲曲變形，並將具有較小波長的捲曲變形命名為第二捲曲變形。優選地，第一捲曲變形具有嚴格大於第二捲曲波長的波長並且第一捲曲波長嚴格小於第二捲曲波長的兩倍。甚至更優選的是第一波長大於或等於第二波長的1.1倍且小於等於1.5倍。
所述兩個或更多的捲曲變形中的每一個將具有捲曲幅度。為了該申請的目的，捲曲變形的捲曲幅度是那個捲曲的中心絲平行投影的低峰值與高峰值之間-“峰值到峰值”-的距離。捲曲幅度等於在陰影投影的一側上的頂部與底部之間的在那個捲曲變形的平行陰影投影的高度上的差。如果捲曲幅度之間的差太大，則存在著具有最大捲曲幅度的捲曲變形將佔優勢並阻止絲在切口中旋轉的風險。因此最好是兩個或更多的捲曲變形的所有捲曲幅度在兩個或更多的捲曲變形的均值的+/-40%內；或者，在兩個或更多的捲曲變形的均值的+/-30%內更好，或者在+/-15%內甚至更好。
歸因於鋼絲主體的存在，捲曲方向上的直徑的比率將被消減。用於該申請的目的，在垂直於鋸絲的縱向軸線的平面中的某一方向上測得的“卡尺直徑”是接觸鋸絲的兩個平行平面之間的距離。平面應該至少覆蓋捲曲的最大波長兩倍。通過確定對於任何方向的卡尺直徑，可以確定最小 和最大卡尺直徑。鋸絲的最大和最小卡尺直徑之間的差應該保持低於最大和最小卡尺直徑的均值的10%。如果差保持低於均值的8%或甚至低於6%則甚至更好。
鋸絲中的兩個或更多的捲曲變形的存在造成具有彎折的鋼絲。在彎折之間有連接隨後的連續的彎折的節段。在彎折處中心線的曲率半徑比在節段中小得多，即，彎折處的曲率比在節段中高得多。彎折因此被特徵化為當沿著鋸絲的軸向長度移動時曲率的峰值。隨後的彎折之間的平均距離可以通過計數測量長度“L”(例如，100mm或更長)上的彎折的數量並且用所計數的彎折的數量除該長度來測量。注意，彎折之間的距離與捲曲變形的波長不一致，因為一個波長顯示出兩個彎折。
沿著縱向軸線在隨後的彎折之間的平均距離應該小於鋼絲的絲直徑“d”的二十倍且大於鋼絲直徑的三倍。如果彎折之間的距離太大，則在捲曲處的磨料攜帶能力受損。如果彎折之間的距離太小，則沒有足夠的磨料被一起攜帶並且削屑和磨料碎屑將不會過濾通過。甚至更優選的是，彎折之間的平均距離是鋼絲的直徑的從三倍到十倍。
為了使彈性扭曲保持在卷軸上，推薦鋸絲的外端部、即在卷軸的外側可得到的端部被旋轉地固定至卷軸以便防止彈性旋轉的釋放。
406:鋼絲主體
402:鋸絲的外包絡
404:中心絲縱向投影
D0:最小卡尺直徑
D1:最大卡尺直徑
700:雙撚器
708:立架
706、706’:旋轉軸
704:馬達
702:托架
710:放絲卷軸
712:直絲
714:第一對捲曲器輪
714’:第二對捲曲器輪
712’:具有兩個捲曲變形的絲
715:換向滑輪
712”:移動通過錠翼或通過空氣的絲
715’:第二換向滑輪
712”’:產生的鋸絲
716:假撚器裝置
712””:離開假撚器裝置的絲
718:具有芯的卷軸
610:具有鋸絲的卷軸
620:測試者
‘L’:解捲繞長度
612:從卷軸上退出鋸絲
614:對鋸絲的端部做出的鉤
616:鬆開手指後釋放的旋轉
504:中心絲的縱向投影
502:鋼絲陰影投影的包絡
506:鋼絲
圖1a、圖1b和圖1c示出所測量的在相互垂直的方向上 具有兩個捲曲變形的現有技術的鋸絲軌跡；圖2a、圖2b和圖2c示出同一現有技術的鋸絲軌跡，只是現在被旋轉以使第一和第二捲曲變形可見；圖3a、圖3b和圖3c示出在鋸絲中具有彈性和/或塑性扭曲的本發明的鋸絲；圖4示出現有技術的鋸絲的縱向陰影投影；圖5示出本發明的鋸絲的縱向陰影投影；圖6示出如何可以在卷軸上測量彈性旋轉；圖7示出如何可以做出具有有著塑性和彈性旋轉的鋸絲的卷軸。
傳統的現有技術的結構化鋸絲通過使130μm的精細的高拉伸鋼絲引導通過接著的兩對捲曲器輪而做出。在相互垂直的方向上的兩個隨後的捲曲操作中形成鋼絲。在第一捲曲操作中，給予絲第一捲曲變形，即Z字形，其中直節段連接相反方向上的兩個彎折。第一捲曲變形的方向處於由Z字形形成的平面中並且垂直於結構化鋸割絲的縱向軸線。隨後在第二捲曲操作中將該平面波浪在垂直於波浪的平面的方向上捲曲。第一和第二捲曲變形可以具有彼此不同的幅度和波長。所產生的結構化鋸割絲顯示出在由第一捲曲方向和縱向軸形成的平面上的平行投影中的第一捲曲變形和在由第二捲曲方向和縱向軸形成的平面上的的平行投影中的第二捲曲變形。
結構化鋸絲的形狀可以借助於諸如WO 95/16816中所描述的與KEYENCE LS 3100加工單元結合的KEYENCE LS 3034激光掃描系統(稱作“軌跡掃描器”)來測量。在該系統中，使大約20cm長度的結構化鋸絲在1±0.2N的力下保持緊繃。將該試樣固定在兩個可同步旋轉的鑽夾頭之間。當安裝時必須小心不要強加於絲彎折或扭曲變形。接著二極管激光器頭沿著絲的縱向軸線(Z軸線)掃描絲並且記錄絲的上和下邊緣作為長度“z”的函數。兩個值的平均給出絲的中心線沿著垂直於“Z軸線”的X軸線的位置作為z的函數、即x(z)。接著將固定點旋轉90°並重複掃描。這形成絲的中心線沿著Y軸線的位置作為“z”坐標的函數、即y(z)。因此參數函數(x(z),y(z),z)限定了鋸絲的中心線在三維中的形狀。通過將該陣列加載到電子表格程序或任何其他合適的數據分析程序內，在壓痕相當小時可以根據需要在放大圖中觀察軌跡。可以通過對軌跡應用旋轉變換而虛擬地使它旋轉或者從任何期望的角度觀察投影。
圖1示出由測量的現有技術鋸絲的中心線形成的軌跡。圖1a是在處於0°角度、即試樣安裝在鑽夾頭之間所處的自由選取的角度時觀察的方向上。圖1b示出當進行第二掃描時的同一試樣，只是現在被旋轉90°。圖1c示出鋸絲的縱向投影。圖1a和圖1b示出不允許標識出任何單個捲曲的軌跡。波浪形狀的平均波長對於圖1a和圖1b分別是3.598mm(0.377mm的標準偏離)和3.542(0.800mm的標準偏離)。圖1c給出存在兩個相互垂直的捲曲的跡象。注意， 沿著Z軸線的縱向長度用毫米表達，而豎直軸線(X或Y)用微米表達，即捲曲微小。
現在通過虛擬地使絲旋轉，處於30.5°時發現具有3.617mm的波長和0.098mm的最小標準偏離的第一捲曲變形：圖2a。進一步的旋轉給出處於123°時的具有3.078mm的波長和0.048mm的最小標準偏離的第二捲曲變形：圖2b。這些是兩個捲曲變形的兩個平行投影。兩個捲曲變形之間的角度是123°至30.5°、或92.5°，這非常接近垂直。這樣可以理順絲的捲曲變形。處於30.5°和123°的旋轉角度時，縱向投影(圖2c)示出由與第一和第二捲曲的捲曲方向對齊的矩形定界的利薩如曲線型的圖。第一捲曲幅度是38μm，第二捲曲幅度是30μm。
圖4示出現有技術的絲的縱向陰影投影。在該投影中考慮了具有130μm的直徑的鋼絲406主體。鋸絲的外包絡用402指示出。所有鋼絲都保持在該包絡內。中心絲縱向投影用404指示出。示出了不同卡尺直徑D0和D1。中心的矩形的形狀被反映在包絡的形狀中，包絡的形狀顯示出周向的卡尺直徑上的大差。D0是168.0μm的最小卡尺直徑，D1是185.6μm的最大卡尺直徑。最大和最小直徑的平均值相差10%。這樣的絲(在鋸割期間)針對某一切割長度可能在優選方向上間歇性地被阻塞。諸如總厚度變化和鋸痕等的晶片參數受到該現象的不利影響。
為了克服該缺陷，本發明人做出一種鋸絲的卷軸，其中在捲繞在卷軸上的鋸絲中包含了彈性扭曲或、彈性和塑 性扭曲。
為了將彈性或塑性旋轉誘發到卷軸上的鋸絲上，本發明人使用了如圖7中描繪的過程。圖7示出建造在牢固的立架708上且包括由馬達704同步驅動的兩個旋轉軸706和706’的雙撚器700。兩個旋轉軸706、706’承載著托架702，其被旋轉地支撐在旋轉軸706、706’之間並且當旋轉軸在指示的方向(箭頭)上旋轉時靜止不動地懸掛著。具有直絲712的放絲卷軸710被安裝托架702上並且被導向至第一對捲曲器輪714。在那裡絲獲得在第一捲曲方向上的第一捲曲變形。所產生的平面波浪形絲被引導通過軸線垂直於第一對捲曲器輪的軸線安裝的第二對捲曲器輪714’。所產生的絲712’顯示出具有彼此相互垂直的捲曲方向的兩個捲曲變形。
絲712’隨後被引導越過換向滑輪715。歸因於軸706、706’的旋轉運動，絲被以等於軸706、706’每分鐘做出的轉數除以絲的線速度的每米旋轉量“RA”圍繞其第一軸線加撚。絲712”移動通過錠翼(flyer)或通過空氣到第二換向滑輪715’。在那裡絲接收等於第一量且在相同加撚方向上的每米第二旋轉量RA。所產生的鋸絲712”’因此接收到每米2RA旋轉。
任選地，絲被引導通過假撚器裝置716，其在與軸相同的方向上旋轉但是可具有不同的每分鐘旋轉數。鋸絲作為712”’離開裝置716並且被繞在卷軸718上，卷軸718具有芯且作為根據本發明的具有鋸絲的卷軸。
為了在絲上引入一定量的彈性扭曲，在絲上誘發的旋轉的量2RA遠低於鋼絲的旋轉彈性極限就夠了。“旋轉彈性極限”REL是當被加撚到絲上時還會從絲上彈性地釋放的最高旋轉數。所以如果大於REL的多圈旋轉被誘發至絲，則在釋放時僅REL旋轉會從絲中解放出來。因此只要2RA<REL，鋸絲上發現返回的彈性旋轉數將會是2RA。
具有鋸絲的卷軸是否包含彈性旋轉可以如圖6中所圖示的容易地證實。將具有鋸絲的卷軸610安裝在放絲立架上。測試者620在使絲的端部保持固定在大拇指與食指之間的情況下從卷軸上退出鋸絲612的長度“L”。1至3米的長度“L”提供足夠的精度。對鋸絲的端部做出鉤614。在手指握持釋放時，對所釋放的旋轉616的量計數至最接近四分之一圈。以防旋轉數量小於一，測量的長度“L”被增加直到旋轉的數量大於1。所計數的轉數(包括四分之一圈)除以鋸絲的長度“L”以獲得每米的旋轉數。
當所施加的旋轉數2RA大於REL時，REL旋轉將作為彈性旋轉存在於鋸絲中，而2RA-REL旋轉將作為塑性旋轉留下。然而，對於具有高拉伸強度的非常精細的鋼絲來說，REL值非常高(超過每米90旋轉)，造成從鋸絲中出來超過90個的彈性旋轉。這對於使用是不可接受的。為了消減彈性殘餘扭曲，引入了假撚器716。假撚器716在塑性區域中以每米FT的假撚將絲加撚，並且此後把相同數量FT的彈性旋轉除去。留下的是具有由假撚器的速率控制的多個塑性旋轉和多個彈性旋轉的鋸絲。如果所添加的假撚的 數量FT等於REL，則在所產生的鋸絲中沒有彈性旋轉。當FT小於REL時還有在與塑性旋轉的方向相同的方向上施加的彈性旋轉。當FT高於REL時還留有在與塑性旋轉的方向相反的方向上施加的彈性旋轉。
圖3a和圖3b示出與圖1和圖2相同的被捲曲的絲的投影，其中誘發了每米3.5塑性旋轉。投影是彼此相互正交的X-Z和Y-Z投影。縱向投影(在X-Y平面上)在100mm的測量長度上沒有顯示出矩形特徵。100mm代表切口中的絲的長度。該絲的縱向陰影投影被示出在圖5中。再次指示出中心絲504的縱向投影和鋼絲506的陰影投影的包絡502。指示出185.6μm的最大卡尺直徑D1和175.3μm的最小卡尺直徑D0。最大和最小卡尺直徑的差現在是平均直徑的5.7%，即工件面臨著更圓的鋸絲。彈性旋轉對陰影投影的影響等於塑性旋轉對陰影投影的影響。
鋸絲是否包括諸如圖3a、圖3b和圖3c所示的塑性旋轉也可以基於由軌跡掃描器記錄的軌跡來證實。憑藉使z=0處的端部保持固定並使z=100mm處的端部往回旋轉，可以給予絲虛擬回撚，其中在絲軌跡的完整長度上均勻地旋轉出多個塑性旋轉。當使圖3a、圖3b和圖3c的軌跡往回旋轉時，出現了圖1的軌跡。從那個縱向投影可以導出第一和第二捲曲變形性質。因此可以證實給予鋸絲的塑性旋轉的數量。在該情況中輪廓不得不每米往回旋轉1.26°。
在兩個不同的鋸測試(“情況1”、“情況2”)中對沒有彈性和塑性旋轉的傳統雙捲曲的結構化鋸割絲(“現有技術”) 和具有彈性旋轉(大約每米一轉)與塑性旋轉(每米0.25轉)的絲(“發明”)兩者進行了測試。在測試期間逐步地增加工作臺速率直到最大。最大可允許的工作臺速率示出在表1中。
Figure 106145975-A0305-02-0021-1
利用本發明的絲可以獲得高得多的鋸割速率(工作臺速率對應於切割的速率)。因為絲給送速率在利用現有技術和發明的絲鋸進行的鋸割之間沒有不同，所以與利用現有技術的絲相比利用本發明的絲可以鋸割更多的晶片。另外每單位時間鋸割的晶片的數量增加，即吞吐量增加。
此外，與現有技術鋸絲相比利用本發明的絲所有晶片的晶片參數更好：
- 最大鋸痕深度範圍從對於現有技術的絲的[21μm；48μm]降到對於本發明的鋸絲的[16μm至27μm]。
- 晶片的總厚度變化在對於現有技術的絲的[2.8；31.5]μm之間和對於本發明的絲的[3.1；13.6]μm之間變化。
數據表明當使用具有有著彈性和塑性旋轉的鋸絲的卷軸時可以獲得晶片參數的實質性改進、增加的吞吐量和較少絲使用。
502‧‧‧鋼絲陰影投影的包絡
504‧‧‧中心絲的縱向投影
506‧‧‧鋼絲
D0‧‧‧最小卡尺直徑
D1‧‧‧最大卡尺直徑

Claims (15)

  1. 一種具有鋸絲的卷軸， 　　該卷軸包括上面捲繞有鋸絲的芯， 　　該鋸絲具有縱向軸線， 　　該鋸絲包括鋼絲， 　　該鋼絲設置有兩個或更多的捲曲變形； 　　該兩個或更多的捲曲變形中的每一個捲曲變形具有捲曲方向； 　　該捲曲方向中的每一個捲曲方向垂直於該縱向軸線； 　　該捲曲方向彼此相互不同； 　　其特徵在於， 　　該鋸絲包括圍繞該縱向軸線在彈性旋轉方向上施加的每單位長度的多個彈性旋轉。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該彈性旋轉的數量在每米0.5個與10個旋轉之間。
  3. 根據申請專利範圍第1至2項中的任一項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該鋸絲的該兩個或更多的捲曲方向中的所有捲曲方向以每單位長度多個塑性旋轉沿著該縱向軸線在塑性旋轉方向上旋轉。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的具有鋸絲的卷軸，其中每單位長度該塑性旋轉的數量在每米0.5個與10個旋轉之間。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該塑性旋轉方向和該彈性旋轉方向相反。
  6. 根據申請專利範圍第4項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該塑性旋轉方向和該彈性旋轉方向相同。
  7. 根據申請專利範圍第4項所述的具有鋸絲的卷軸，其中塑性旋轉的數量和彈性旋轉的數量的總和在每米0.5個與20個旋轉之間。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該捲曲變形的數量是二。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的具有鋸絲的卷軸，其中兩個該捲曲方向相對於彼此具有70°至110°之間的角度。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該兩個或更多的捲曲變形中的每一個捲曲變形具有捲曲波長，該捲曲波長中的每一個捲曲波長彼此相互不同。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的具有鋸絲的卷軸，其中捲曲變形的數量是二並且其中第一捲曲波長大於第二捲曲波長並且該第一捲曲波長小於該第二捲曲波長的兩倍。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該兩個或更多的捲曲變形中的每一個捲曲變形具有捲曲幅度，該捲曲幅度中的每一個捲曲幅度在該兩個或更多的捲曲變形的捲曲幅度的均值的+/-40%內。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該鋸絲的最大與最小卡尺直徑之間的差小於最大和最小卡尺直徑的均值的10%。
  14. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該鋼絲具有絲直徑，其中該兩個或多個捲曲變形顯示出之間具有節段的彎折，其中該彎折之間的沿著該縱向軸線的平均距離在該絲直徑的三倍與二十倍之間。
  15. 根據申請專利範圍第1項所述的具有鋸絲的卷軸，其中該鋸絲具有外端部，該外端部被旋轉地固定以防止該彈性旋轉的釋放。
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