金剛石線鋸技術(shù)問題探討①

談耀麟

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林 541004)

金剛石線鋸技術(shù)問題探討①

談耀麟

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林 541004)

探討金剛石線鋸的技術(shù)問題,包括母線的材質(zhì)、規(guī)格、強(qiáng)度、連接方法和結(jié)構(gòu)形式;金剛石磨料的粒度、某些物理特性以及金剛石磨料在母線上的電鍍固著方法和樹脂粘結(jié)法及其改進(jìn)措施。文章還提出了有待探索研究的課題,包括復(fù)合固著法、母線精細(xì)噴砂處理、金剛石磨料表面織構(gòu)化處理以及微水刀激光技術(shù)應(yīng)用于晶片切割的可行性。

金剛石線鋸;母線技術(shù)要求;金剛石磨料;固著;噴砂;表面織構(gòu)化;微水刀

自上世紀(jì)70年代末能源危機(jī)之后,作為重要而有效的可再生清潔能源。太陽能引起了全球的關(guān)注。到了上世紀(jì)90年代末,太陽能技術(shù)迅速發(fā)展,進(jìn)入本世紀(jì)后,光伏產(chǎn)業(yè)年均增長40%。據(jù)報(bào)道,2010年傳統(tǒng)的歐洲光伏市場強(qiáng)勢復(fù)蘇,亞洲、美洲等新興光伏市場也因?yàn)檎叩耐苿?dòng)而大步邁進(jìn)。我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展亦十分迅猛,規(guī)模與出貨量均位居世界前列,目前全球?qū)μ柲芄夥难芯颗c應(yīng)用方興未艾。

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展核心在于硅晶片,硅晶片是光伏電池的關(guān)鍵元件,在總成本中占相當(dāng)比重,因此在硅晶片的生產(chǎn)中應(yīng)盡可能降低其成本。而降低硅晶片的生產(chǎn)成本主要在于減小晶片厚度、減少切縫損耗、提高產(chǎn)量,為此,先進(jìn)的線切割技術(shù)至關(guān)重要。就當(dāng)前技術(shù)而言,金剛石線鋸是發(fā)展趨勢。國際上許多制造廠商紛紛致力于金剛石線鋸的研制?，F(xiàn)將金剛石線鋸的有關(guān)技術(shù)問題論述于下。

1 金剛石線鋸的母線

金剛石線鋸是把金剛石磨料固結(jié)到金屬母線上構(gòu)成的。母線的材質(zhì)、規(guī)格、強(qiáng)度與連接等技術(shù)要求對(duì)線鋸性能至關(guān)重要。

1.1 材質(zhì)

金剛石線鋸工作時(shí)承受較大的拉力。通常母線需用高強(qiáng)度鋼絲制作,例如不銹鋼絲、鎢鉬合金絲、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼絲或鋼琴線等。

鋼琴線一般采用彈性和韌性高的合金材料或不銹鋼鋼絲等制成,常用直徑范圍0.15mm～0.5mm,標(biāo)準(zhǔn)平均拉力為900N。采用鋼琴線制作金剛石線鋸比較便捷,強(qiáng)度和規(guī)格可滿足一般技術(shù)要求。但有不少金剛石線鋸生產(chǎn)廠家一直在尋求其它更理想的材料來制作母線。例如美國Kaser Technology West公司采用的Carpenter Stainless Steal Type 321是一種鈦穩(wěn)化奧氏體鎳鉻不銹鋼;也有采用高強(qiáng)度珠光體高碳鋼的。有人認(rèn)為母線最好采用碳素鋼,最低含碳量為0.70wt%,所制出的母線可達(dá)到較小的直徑而且可滿足強(qiáng)度要求。日本住友電工公司采用的是SWRS77A和SWRS 82A號(hào)鋼制作母線,它是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。比利時(shí)Bekaert Group公司則采用冷板高碳鍍鋼線制作母線,可達(dá)到較高的強(qiáng)度。

1.2 規(guī)格

Kaser Technology West公司的研究認(rèn)為,金剛石線鋸母線的直徑要小于0.58mm,最好在0.20至0.30mm之間。

從目前使用的金剛石線鋸來看,采用的母線直徑范圍是0.15～0.30mm、0.50mm和0.80mm。但從鋸切效率來看,特別是鋸切貴重的晶體材料如紅寶石等,要求母線的直徑當(dāng)然是越小越好。就目前技術(shù)水平而言,拉制的高強(qiáng)度線材的直徑最小可達(dá)0.12mm,據(jù)稱比利時(shí)Bekaert Group公司已掌握超高抗拉強(qiáng)度線材的拉制技術(shù),可生產(chǎn)出直徑小至0.10mm的線材。該公司目前生產(chǎn)的高強(qiáng)度冷板高碳鍍銅鋼線的技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 Bekaert高強(qiáng)度鋼線技術(shù)規(guī)格Table 1 Specifications of the high strength steel wire made by Bekaert Group

國際上能生產(chǎn)工業(yè)用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)碳素鋼線材的國家除比利時(shí)外還有日本住友電工公司。該公司采用直徑為1.0或1.2mm的鋼線為原材,經(jīng)過20多道拉板工序與20多個(gè)天然金剛石拉絲模才能將直徑細(xì)化到0.160～0.177mm。每經(jīng)過一道拉絲模的拉制,直徑縮小約0.05mm。成品用激光掃描測微儀檢測,觀察其表面是否有刮傷痕跡,直徑差控制在±1μm。

1.3 強(qiáng)度

美國LTW公司的研究認(rèn)為,金剛石線鋸母線的強(qiáng)度至少在2070MPa或以上。

母線強(qiáng)度除了取決于本身材質(zhì)還與熱處理工藝密切相關(guān)。Kaser Technology West公司研制的Superwire和Superlok金剛石線鋸的母線采用的是一種奧氏體鉻鎳不銹鋼,經(jīng)熱處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到276kg/mm2。其熱處理工藝為1750～1950F退火,水淬,再經(jīng)過1550～1650F穩(wěn)定化處理以消除內(nèi)應(yīng)力。

比利時(shí)Bekaert Group公司生產(chǎn)的冷板高碳鍍銅鋼線的強(qiáng)度如表2所列。

表2 Bekaert鋼線強(qiáng)度Table 2 The strength of steel wire made by Bekaert Group

日本住友電工的標(biāo)準(zhǔn)母線直徑為0.14～0.18mm,抗拉強(qiáng)度為2900～3200MPa。

有的公司采用最低含碳量為0.70wt%的碳素鋼制作母線,其不同直徑的抗拉強(qiáng)度見表3。

表3 碳素鋼母線強(qiáng)度Table 3 The strength of carbon steel wire

1.4 連接

金剛石線鋸有兩種:一種是單直線金剛石線鋸,裝在鋸床上作復(fù)位運(yùn)動(dòng)完成鋸切作用;一種是環(huán)形線金剛石線鋸,兩端頭尾相接成環(huán)形線,進(jìn)行周而復(fù)始的連接循環(huán)鋸切。后者的傳統(tǒng)連接方法是將兩端頭做成斜面搭接在一起或做成鈍圓狀對(duì)接后進(jìn)行熔焊。這種連接方法往往在焊接處產(chǎn)生脆性區(qū),工作時(shí)容易裂斷。為了解決此問題,可將線兩端頭垂直切平對(duì)接進(jìn)行精密電焊,去除焊渣后進(jìn)行熱處理,加熱至1450～1550F,空氣中冷卻。

1.5 其它結(jié)構(gòu)形式

金剛石線鋸的母線結(jié)構(gòu)除了單線還有絞合線,單線截面形狀有圓形也有水滴形。

Suwake Hitoshi等人曾用兩根直徑為58μm的鋼琴線捻成雙股絞線制成外徑為150μm的金剛石線鋸。在鋸切硼硅酸耐熱玻璃的試驗(yàn)中鋸切效率可提高2倍,使用壽命延長,切割面光潔度也有所提高。應(yīng)指出的是,耐熱玻璃是硬度不算很高的脆性材料;絞合線的強(qiáng)度比單線的高,但其外徑增大了,勢必增加了鋸縫損耗;而且在鋸切過程中,線鋸張緊度不夠穩(wěn)定。因此雙股絞合形式的母線是否適合于制造鋸切硅晶片等高硬脆材料的金剛石線鋸值得探討。

2 金剛石磨料的選擇

金剛石線鋸所采用的金剛石磨料為天然金剛石或人造金剛石。選用時(shí)主要考慮的是粒度。根據(jù)使用條件與制造工藝要求還應(yīng)考慮其它物理特性。

2.1 粒度

金剛石線鋸切割各種硬脆材料薄片時(shí),不但要盡量減少鋸縫損耗,還要確保薄片嚴(yán)格的質(zhì)量要求,即厚度均勻、極少扭曲、表面損傷深度越小越好,因此金剛石線鋸選用的金剛石磨料粒度十分細(xì)小,一般可用粒度范圍是:2～4μm,4～8μm,10～15μm,20～30μm,30～40μm。為了降低成本,從鋸切效率考慮,金剛石磨料的粒度不可太細(xì)小。根據(jù)新鋸切材料的質(zhì)地不同,金剛石線鋸新選用的金剛石磨料的粒度亦不同。例如鋸切單晶硅的金剛石線鋸?fù)ǔ＿x用10～20μm的金剛石磨料;鋸切硬度大于硅的藍(lán)寶石等則是選用30～40μm的金剛石磨粒。此外,母線直徑越小宜選用粒度較小的金剛石磨料以減小切削力,因?yàn)槟妇€直徑越小可承受的拉力也越小。但是,金剛石磨料粒度越小則切削效率也越小,會(huì)影響鋸切效率?？傊?金剛石磨料粒度的選擇應(yīng)綜合考慮。

2.2 其它物理特性

對(duì)不同的使用條件應(yīng)考慮金剛石磨料的其它物理特性,有些易裂碎的金剛石磨料更有利于鋸切效率的提高。一般人造金剛石的易碎性大于天然金剛石,而且價(jià)格也更低廉,所以比較適合于制造金剛石線鋸。

就制造工藝而言,電鍍金剛石線鋸選用的金剛石磨料應(yīng)具有較好的導(dǎo)電性,或者采用鍍金屬衣的金剛石磨料如鍍鎳金剛石等。

3 金剛石磨料在母線上的固著方法

在一般金剛石工具制造中,將金剛石固著在基體上有多種方法,金剛石線鋸是一種特殊金剛石工具,金剛石作為磨料如何固著到細(xì)長的母線上?從技術(shù)的角度考慮,應(yīng)對(duì)金剛石濃度嚴(yán)格控制,使金剛石磨料以單層形式均勻分布在母線表面;從生產(chǎn)角度考慮應(yīng)有穩(wěn)定的工藝流程,從使用角度考慮應(yīng)對(duì)金剛石有足夠大的包持力。能夠滿足這些條件的固著方法目前可行的有兩種:一是樹脂粘結(jié)法;另一是電鍍固著法。

3.1 樹脂粘結(jié)法

樹脂粘結(jié)金剛石線鋸具有很多優(yōu)點(diǎn),而且生產(chǎn)成本較低,所以廣泛被采用?？蛇x用的樹脂有苯酚甲醛樹脂、三聚氰胺酚甲醛樹脂、環(huán)氧胺樹脂、丙烯酸樹脂類等,而最常用的是酚醛樹脂即樹脂粘結(jié)型砂輪所用的樹脂。但在實(shí)際應(yīng)用中的主要問題是所制成的金剛石線鋸強(qiáng)度低,易發(fā)生扭曲和裂斷。原因是在樹脂加熱固化過程中,容易引起作為母線的金屬線變脆。可在樹脂粘結(jié)劑中加入金屬粉末例如銅粉等,不但可提高強(qiáng)度,而且也提高了耐熱性和耐磨性,從而提高了鋸切效率。當(dāng)然,何種類型的樹脂適宜加入何種金屬粉末,金屬粉末的配比及其目數(shù)等工藝問題都有待深入研究。

3.2 電鍍固著法

電鍍固著法的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)金剛石磨料的包持力比樹脂粘結(jié)法的大,線鋸能夠以較高的鋸切速度工作,為了進(jìn)一步提高對(duì)金剛石的包持力,有的制造廠家采用鍍金屬衣的金剛石,即在金剛石表面以電鍍或化學(xué)鍍的方法鍍上一薄層金屬如鈦、鉻、銅或鎳等,最常用的是鎳。

在電鍍金剛石線鋸的制造過程中很重要的一點(diǎn)是,不但要保持金剛石磨料在母線上的均勻分布,還要控制好鍍層的應(yīng)力以防止線鋸在工作中發(fā)生鍍層剝落。

目前電鍍金剛石線鋸因具有較高的鋸切速度和耐磨性,已得到用戶的普遍認(rèn)可,但由于電鍍過程花費(fèi)時(shí)間太長,制造成本高,為此,在本世紀(jì)初,日本三菱電氣和東京大學(xué)都在研究快速電鍍技術(shù),其研究內(nèi)容包括金剛石磨料的導(dǎo)電性、表面活性劑、毛氈刷的形狀以及金剛石磨料數(shù)量控制和保持線鋸?fù)鈴降木恍缘取?/p>

4 有待探索研究的課題

4.1 復(fù)合固著法

固著磨料型線鋸除了用樹脂粘結(jié)或電鍍固著金剛石磨料之外,還有一種復(fù)合固著法,即以較硬金屬制成母線的芯線,外包一層較軟金屬,將金剛石磨料嵌入軟金屬層中,再用一層有機(jī)粘結(jié)劑增強(qiáng)對(duì)其包持力。換言之即將金剛石磨料顆粒的一部分嵌入軟金屬層中,一部分嵌入有機(jī)粘結(jié)劑中,受到雙重包持作用。芯線最好采用高強(qiáng)度珠光體高碳鋼拉制,外包層用硬度較低的低碳鐵素體鋼或者銅、錫、鋅、鋁、鎳的合金等金屬;有機(jī)粘結(jié)劑為熱固性高分子聚合物如酚醛樹脂、苯酚甲醛、三聚氰胺樹脂或丙烯酸樹脂類。這種復(fù)合固著磨料線鋸可望在太陽能和半導(dǎo)體工業(yè)中鋸切硅晶片或在鋸切貴重晶體材料方面獲得實(shí)在性進(jìn)展。

4.2 母線精細(xì)噴砂處理技術(shù)

目前使用的固結(jié)磨料線鋸有樹脂粘結(jié)金剛石線鋸和電鍍金剛石線鋸。無論何種固著方式都存在進(jìn)一步提高固著強(qiáng)度的問題。眾所周知,噴砂處理是對(duì)金屬表面進(jìn)行清理凈化和使表面變粗糙的一種技術(shù)。若能夠采用特殊的精細(xì)噴砂處理技術(shù)對(duì)細(xì)長的金屬母線進(jìn)行噴砂處理,可提高其表面粗糙度,從而有可能提高金剛石磨料在母線上的固著強(qiáng)度。

4.3 金剛石磨料表面織構(gòu)化處理

表面織構(gòu)化處理(Surface textured)即對(duì)材料表面進(jìn)行高溫蒸汽侵蝕使其表面變得粗糙呈織物紋理狀。實(shí)驗(yàn)證實(shí),這種處理技術(shù)可用于微米級(jí)單晶金剛石和鋸片級(jí)金剛石,粒度從4～8μm到25/30目。金剛石經(jīng)過表面織構(gòu)化處理后提高了表面粗糙度,增大了表面面積。無論對(duì)樹脂粘結(jié)金剛石或電鍍金剛石都可增加粘結(jié)的有效面積同時(shí)提高表面粗糙度,從而提高粘結(jié)劑或電鍍層對(duì)它的包持力。此外,處理后的金剛石表面化學(xué)性質(zhì)無改變,無石墨化現(xiàn)象,而且經(jīng)過處理后消除了有裂紋和有危弱尖棱的金剛石顆粒,從而提高了整體金剛石磨料的抗壓碎強(qiáng)度,十分有利于樹脂粘結(jié)金剛石線鋸和電鍍金剛石線鋸性能的提高。

4.4 微水刀激光技術(shù)

藍(lán)寶石是優(yōu)良的透波材料,廣泛用于國防、科研和各工業(yè)部門,可滿足多模式復(fù)合制導(dǎo)(電視、紅外成像、雷達(dá)等)的需求,軍事上用作紅外線裝置和高強(qiáng)度激光器的窗口材料,也是目前發(fā)藍(lán)光或白光二極管和藍(lán)光激光器的首選基片材料。鋸切此類不可再生的貴重硬脆材料很重要的一點(diǎn)就是盡可能減少切縫損耗以便充分利用原材料,降低元器件的生產(chǎn)成本。

目前線鋸切技術(shù)已廣泛應(yīng)用于光伏電池行業(yè)中硅晶片的切割。為了大幅度降低光伏電池的生產(chǎn)成本,必須減少晶錠的鋸切損耗、減小晶片的厚度、提高晶片的鋸切效率。據(jù)預(yù)測,下一代超薄型晶片的厚度將從目前的200μm減薄到100μm或以下。而現(xiàn)有的線鋸切技術(shù),無論是電鍍金剛石線鋸或樹脂粘結(jié)金剛石線鋸,由于其固著的局限性很難滿足要求。因此線鋸生產(chǎn)廠家一直在尋求最大程度減小線鋸鋸縫的途徑,甚至提出零鋸縫的概念——即無鋸縫切割技術(shù)。

在前沿科技領(lǐng)域中,微水刀激光切割技術(shù)已應(yīng)用于堅(jiān)硬材料的精加工。因此將它應(yīng)用于硅晶片的切割,實(shí)現(xiàn)無鋸縫切割是有可能的。因?yàn)閺睦碚撋险f,微水刀激光切割技術(shù)的特點(diǎn)與特性具備晶片切割的要求條件。其一,激光的能量足以切割高硬脆性材料;其二,微水刀的水射流呈圓柱狀,被導(dǎo)向的激光束是平行的,切割面可保持高度平行垂直;其三,微水刀激光切割的切縫寬度只有30～40μm,比現(xiàn)有線鋸的鋸縫小得多;其四,由于水射流的作用可避免被切割材料的熱損傷;其五,切割面有一薄層水膜覆蓋可避免切割過程中熔屑的沾污。

當(dāng)然,科學(xué)技術(shù)要轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,仍需科學(xué)試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐。

[1] US Patent 6065462.

[2] WIPO Patent Application Wo/2001/138129.

[3] www.bekaert.com

[4] Suwabe Hitoshi:Thin wire tool eleetrodeposited diamond grains and high-speed slieing system,Journal of the Japan Society for Abrasive Teehuology,2001,Vol45.No8.

[5] T.Enomoto.Y.Shimazaki,Y.Tani,M.Suzuki:Development of a resinoid diamoud wire containing metal powder for slieing a silicou iugot.

[6] Chiba Yosuaki et al.Development of high-speed electroplating method of a wire for slicing a silieon ingot.

[7] US Patent Application 20120017741.

Discussion on technology for fixed abrasive diamond wire saw

TAN Yao-lin
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,China)

Technology for fixed abrasive diamond wire saw including the material,size, strength,connection and structure of the core wire;particls size and some physical characteristics of the diamond abtasive,along with the electroplated fixation menthod and resinoid fixation method for diamond abrasives on the core wire and its improvement measures were discussed.The subjects that need to be discussed and studied including composite fixation method,fine sand blsting on core wire,surface texture of diamond abrasives and feasibility of the application of laser microjet in wafer slicing were suggested in this paper.

diamond wire saw;core wire specification;diamond abrasive;sand blasting; surface texture;laser mierojet

TQ164

A

1673-1433(2013)04-0045-04

2013-10-15

談耀麟(1936-),男,高級(jí)工程師,長期從事超硬材料科研和情報(bào)方面的工作。