金剛石線切割的原理、特點及其在精密加工領域的應用

1 金剛石線切割

20世紀90年代，國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題，采用了線鋸加工技術將硅棒切割成片。早期的線鋸加工技術是采用裸露的金屬線和游離的磨料，在加工過程中，將磨料以第三者加入到金屬線和加工件之間產生切削作用。這種技術被成功地用于對硅和碳化硅的加工。為了進一步縮短加工時間，以及對其它堅硬物質和難以加工的陶瓷進行加工，人們將金剛石磨料以一定的方式固定到金屬線上，從而產生了固定金剛石線鋸。

1.1金剛石線切割的原理

                      圖1.1金剛石線切割原理圖

如圖1.1高速往復運動的切割線帶動砂漿到切割區，使砂漿中的研磨顆粒(SiC顆粒)與硅棒表面高速磨削，由于研磨顆粒有非常銳利的棱角，并且硬度遠大于硅棒的硬度，所以硅棒與線鋸接觸的區域逐漸被砂漿磨削掉，進而達到切割的效果，同時砂漿也可以帶走磨削中產生的大量熱能。

在對金剛石線鋸切割機理的認識過程中，許多研究者認為，金剛石磨粒的微觀切削運動是一個滾動、嵌入過程，提出了“滾動 -嵌入"模型。有人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用， 發現磨粒對材料的最大剪切應力發生在微觀切削表面之下，據此對磨料的選擇進行優化。有人指出在 “滾動 - 嵌入" 模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦， 三者共同形成切削作用。有人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區域內，鋸絲與磨漿的運動構成了一個彈性流體動力學環境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數， 還得出結論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產生了切削。

1.2  金剛石線切割的導線輪

     根據切割材料直徑不同和設備制造廠家的技術考慮導線輪有2輪、3輪、4輪不等，安裝方法有2輪平行、等邊三角形或梯形，如圖1.2所示。

圖1.2導線輪安裝形式

導線輪是控制片厚的關鍵部件，導線輪是用高分子材料制作的精密滾輪，在其表而刻有等同于線寬、深的螺旋槽，切割時將線繞在導線輪上。要求其材料耐磨性要好、剛度要高，在切割張緊時不能變形：片厚的控制取決于槽間寬度，槽間寬度誤差應小于5um，所以對材質要求和加工精度都非常高^[4]。

1.3  金剛石線切割的特點

a) 可加工非導電材料 而傳統的放電加工則不能

b) 可進行多線切割

c) 刀縫損失小 這對加工成本高的半導體和貴重材料非常重要。用直徑350 m 的金剛石線切SiC單晶時刀縫才為0 .3048 mm

d) 可自由改變切割位向

1.4 金剛石線切割的應用

20世紀90年代，國際上為了解決大尺寸硅片的加工問題，采用了線鋸加工技術將硅棒切割成片，這種技術被成功地用于對硅和碳化硅的加工。

目前，采用金剛石工具切割花崗石是石材加工常用的方法之一，在光電子工業中使用最為廣泛的是往復式多線鋸，金剛石線切割被廣泛的用在大尺寸半導體和光電池薄片切割。