我國環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)在創(chuàng)新中發(fā)展

鄭 超

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004)

1 前言

我國的環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)研究起步較晚，始于21世紀初，桂林國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心的科研人員參觀了上海斯泰克陶瓷公司，考察了該公司使用的三臺德國進口環(huán)形金剛石線切割機用于硼化鈦陶瓷材料切割生產(chǎn)之后，開始立項開展環(huán)形電鍍金剛石線的研究[1-4]，筆者亦開始設(shè)計研制立式環(huán)形金剛石線切割機。在此期間，山東大學(xué)，青島科技大學(xué)和桂林理工大學(xué)的碩士生，博士生在導(dǎo)師指導(dǎo)下，也在開展環(huán)形金剛石線制造工藝以及切割機理方面的研究試驗[5]。從切割各種硬脆材料的試驗效果表明環(huán)形金剛石線鋸的切割性能優(yōu)勢明顯，線速度高達50～60m/s，切割效率高，多晶硅切片進給速度均在5mm/min以上，最高達30mm/min[6-8]。這是金剛石長線鋸所無法達到的。所以，它非常適合于多晶硅、單晶硅等硬脆材料多片切割以及其它工序的切割加工。如，可以替代現(xiàn)有的金剛石帶鋸截斷機對單晶硅或多晶硅進行截斷切割加工。目前，國內(nèi)多家硅晶片生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)用上環(huán)形金剛石線截斷機，158×158多晶硅截斷，每刀5分鐘，每根線平均壽命200刀，最多可切割400刀，可望近期內(nèi)替代帶鋸機，以服務(wù)于光伏企業(yè)進一步提高晶片生產(chǎn)效率，降低成本。

據(jù)悉，十三五規(guī)劃期間，我國的藍寶石行業(yè)具有爆發(fā)性發(fā)展趨勢，由于下游應(yīng)用市場持續(xù)高速成長，如LED襯底市場、軍用及民用光學(xué)窗口等需求增長以及新型手機屏幕等新應(yīng)用的需求激增?？梢灶A(yù)測藍寶石晶片在LED行業(yè)的發(fā)展和手機屏幕、半導(dǎo)體方面的運用，預(yù)計2016～2020年的總需求量,有望節(jié)節(jié)攀升，增幅翻番。國內(nèi)各生產(chǎn)藍寶石的大企業(yè)均蠢蠢欲動，安排擴產(chǎn)計劃。藍寶石硬度9，屬于難加工材料，晶體越大越難加工。發(fā)揮環(huán)形線的性能優(yōu)勢，克服短板，是解決藍寶石上游切割加工生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵途徑[9]。其它諸如人工光電晶體、功能陶瓷、靶材的切割，市場需求也相當大[10]。目前，國內(nèi)仍采用大量的金剛石帶鋸機切割，材料損耗大,切面不平整。

桂林特邦新材料公司的金剛石環(huán)形線和立式切割機最先于2015年在國內(nèi)功能陶瓷行業(yè)推廣使用，并多次參加上海光伏展等有關(guān)展會。大尺寸KDP晶體是昂貴的國防軍工材料，由于其材質(zhì)軟且脆，易潮解，是當前世界上公認的難加工材料。而目前使用的帶鋸切割方法，切口大，易破損，甚至在切割過程中經(jīng)常產(chǎn)生炸裂，造成災(zāi)難性的損失。金剛石線切割機和環(huán)形線，正是克服帶鋸難點的最佳方案，是解決KDP晶體切割攻關(guān)的一大創(chuàng)新。經(jīng)大量切割KDP晶片生產(chǎn)證實，該方法切割力小，切縫窄，切割效率高，實現(xiàn)了對貴重脆性材料的低應(yīng)力精密切割。實踐證明，環(huán)形金剛石線鋸最適合于切割軟脆敏感晶體材料。經(jīng)過多年努力，國產(chǎn)環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)日趨完善，正進入市場推廣階段，應(yīng)用范圍也將更加廣泛。

2 光伏硅晶片切割工程市場潛力巨大

我國2020年太陽能光伏裝機目標從1億千瓦(100GW)上調(diào)到1.5億千瓦。因此，中國的光伏產(chǎn)量將迎來爆炸式增長。經(jīng)過不懈努力，目前國產(chǎn)光伏設(shè)備在關(guān)鍵指標、性能等方面均已達到國際先進水平，國內(nèi)光伏產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)普遍采取國產(chǎn)設(shè)備和進口設(shè)備混搭的建線方案，而且國產(chǎn)設(shè)備在數(shù)量上已占多數(shù)。多數(shù)企業(yè)認識到了沒有國產(chǎn)設(shè)備的支撐，中國的光伏企業(yè)將喪失最主要的成本競爭優(yōu)勢。與IC行業(yè)相比，光伏設(shè)備的技術(shù)要求略低一些，這也正是國內(nèi)企業(yè)可大有作為的中低端設(shè)備領(lǐng)域。尤其是硅晶切割占據(jù)晶片生產(chǎn)成本50%以上，大量采用國產(chǎn)切割技術(shù)和設(shè)備是光伏企業(yè)降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵舉措。目前國產(chǎn)金剛石線和多片切割機己經(jīng)在生產(chǎn)中獲得大量使用，而環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)仍發(fā)展滯后。其實，除了多片切割以外，還有大量的切割工作量，如，切兩頭、截斷、拼刀、切厚片等工序使用的帶鋸切割，材料損耗大，若代之以環(huán)形線切割技術(shù)將帶來可觀的經(jīng)濟效果。

(1)環(huán)形金剛石線截斷機取代帶鋸機

目前國內(nèi)各大型光伏企業(yè)均擁有幾十臺帶鋸機用于晶錠，晶棒的截斷切割加工，帶鋸厚度最薄0.7mm，切縫>1.5mm，切面不平整。截斷數(shù)量多，造成極大浪費。而國外如韓國Disec公司推出的環(huán)形金剛石線截斷機用于15吋的單晶硅棒截斷或切片，頗受青睞[11]。見圖1所示。因此，國內(nèi)青島測控中心等不少單位研制單長線截斷機和多工位截斷機以取代帶鋸機。而環(huán)形線截斷機由于結(jié)構(gòu)簡單而具有更大的替代優(yōu)勢。最近天瑞公司研制成功的PTM200環(huán)形線截斷機已經(jīng)小批量推向光伏晶片加工市場，初顯切割效率高，操作簡單等優(yōu)勢，受到客戶青睞，預(yù)計年內(nèi)將獲得普遍推廣。見圖2所示。

目前，國內(nèi)光伏單晶硅，多晶硅切割市場剛剛推廣各種金剛石長線的截斷機和多工位截斷機，如圖3、圖4所示。而環(huán)線PTM200機的出現(xiàn)，卻引起不小轟動。相比較而言，環(huán)線機優(yōu)勢明顯，不但切割效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單，造價低，裝拆金剛石線簡便。筆者認為，兩者必有一場相當激烈的競爭，隨著環(huán)線機不斷地改進創(chuàng)新，克服短板，必將取得市場的認可和接受，獲得大批量推廣，為我國的光伏產(chǎn)業(yè)做貢獻。

圖2 天瑞公司PTM200截斷機Fig.2 The PTM200 cut-off machine of Tian Rui company 線速度：25-50m/s,給進速度：5-30mm/min,線徑：0.65,0.45mm, 周長：2670mm

圖3 晶盛公司DSW40S-ZJS截斷機，機器人在上料Fig.3 DSW40S-ZJS cutting machine from Crystal company, the feeding robot

(2)環(huán)形金剛石線開方機優(yōu)于單線開方機

圖4 青島測控中心GXDW-30多工位截斷機Fig.4 GXDW-30 multiple stations cut-off machine of Qingdao Measurement and Control Center

圖5 上海日進公司單晶硅截斷機Fig.5 Mono-crystalline silicon cut-off machine of Shanghai NISSIN Machine

目前國內(nèi)金剛石線開方機用量逐年增多，國產(chǎn)金剛石線供不應(yīng)求，國產(chǎn)開方機也得到大量使用(其中，大量進口游離式開方機改造為金剛石線開方機)。而且，還出現(xiàn)幾款臥式單根單晶硅開方機，如重慶神工開方機和青島測控中心的開方機，其特點是工件不用粘結(jié)，機械手上下工件，切割后不必剪斷網(wǎng)線，相對于多工位立式開方機，生產(chǎn)效率高。見圖6所示。但是，比較而言，在環(huán)形線性能好的條件下(線徑0.4～0.6mm)，環(huán)線開方機更具優(yōu)勢：

圖6 重慶神工KFD800-1單根開方機Fig.6 KFD800-1 single root cutting machine of Chongqing Shengong

①環(huán)線機輪系少，整體結(jié)構(gòu)簡單，造價低，易于推廣；

②環(huán)線機裝線快捷，線距調(diào)整容易，斷線只換一根環(huán)線處理速度快，成本低；

③技術(shù)難度低，省去同步裝置系統(tǒng)，排線系統(tǒng)等復(fù)雜機構(gòu)，操作簡單，容易維修。

④環(huán)線機線速度快，切割效率高，接近單線開方機的2倍。

(3)切割多晶硅數(shù)據(jù)充分顯示環(huán)形線的技術(shù)優(yōu)勢

受青島隆盛公司委托，對多晶硅錠進行開方切片，從切割工藝參數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)來看，充分顯示了環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)的優(yōu)勢。

①環(huán)形線規(guī)格：線徑0.65mm,周長4960mm,2670mm

②工藝參數(shù)：線速度28～31m/s，進給速度12～30mm/min，切割效率0.2～0.336m2/min

③切割效果：環(huán)形線切割機每5～6分鐘切1片，每米金剛石線平均切割面積0.912m2

環(huán)形線切割效率優(yōu)勢明顯。見綜合比較表1：

表1 環(huán)形金剛石線與單長線切割效率比較表

綜上所述，環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展必將在我國光伏企業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，開花結(jié)果。

3 藍寶石環(huán)形線切片開方機是降低加工成本的關(guān)鍵

十三五期間，藍寶石行業(yè)仍然具有爆發(fā)性的發(fā)展趨勢。但是，如何有效降低藍寶石蓋板切片的加工成本，是超硬材料工具企業(yè)亟待攻克的難關(guān)。如果性能優(yōu)異的藍寶石能在合理成本下進行量產(chǎn)，未來的市場將不可估量。藍寶石在智能手機和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，將引爆藍寶石的潛在需求，未來三年藍寶石產(chǎn)業(yè)有5倍以上成長空間。蘋果在iWatch 和iPhone 蓋板上采用藍寶石材料后，將占藍寶石總需求的80%。目前，LED襯底切割的多片切割機基本上解決了市場需求，只是擴產(chǎn)增加多片切割機訂單，提高晶片產(chǎn)量問題。表2是近期的藍寶石切片工藝參數(shù)。

表2 近期藍寶石切片工藝參數(shù)

由表中可知，金剛石單長線切割效率是非常低的，切割成本居高不下。最近，國內(nèi)各媒體，網(wǎng)站充斥大量的對藍寶石手機蓋板未來市場的預(yù)測報告，但是，蓋板的開方切片的方法，并未解決。藍寶石作為玻璃的替代品，目前制造成本相當昂貴，若將藍寶石材料做成iPhone手機屏幕大小，成本將是康寧大猩猩玻璃的四倍以上，且該項技術(shù)在中大尺寸玻璃上難以實現(xiàn)，目前僅能用在小尺寸領(lǐng)域。 分析人士認為，此次蘋果新品在技術(shù)創(chuàng)新上低于預(yù)期，作為高端產(chǎn)品標桿的蘋果創(chuàng)新腳步進一步放緩，也顯示出高端智能手機的創(chuàng)新遭遇到了一定的瓶頸。專家預(yù)計，一旦開方切片問題解決，2016～2020年的蓋板使用數(shù)量將超過各家報告所說的市場預(yù)期，最大產(chǎn)量達到每年5000萬片以上。如此大的市場機遇，業(yè)內(nèi)多家超硬材料公司覬覦己久，始終努力探索，也取得不少成績，正在努力攻關(guān)，希望在近期內(nèi)有所突破。

(1)金剛石長線開方機和帶鋸機是當前市場主力

目前，國內(nèi)有幾家企業(yè)生產(chǎn)藍寶石多線開方機和切片機，如，重慶源啟科技公司和重慶四和晶工公司合作生產(chǎn)了SDX300藍寶石開方機、SDX500藍寶石開方機、DX300藍寶石單線切機和QPD2530(6”)藍寶石切片機。見圖7、圖8所示。

圖7 SDX500藍寶石開方機Fig.7 SDX500 sapphire root machine

圖8 SDX300藍寶石開方機Fig.8 SDX300 sapphire root machine

現(xiàn)有長線開方機存在問題分析：

①長線機固有問題，輪系多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障多，同步排線技術(shù)不成熟，生產(chǎn)效率低，造價高，故仍未在生產(chǎn)中大量推廣使用。

②標明的線速度20～25m/s，實際做不到，因此，影響切割效率，進給速度標明最高1.8mm/min，但實際估計在0.3～1mm/min之間。

③裝線，拆線相當麻煩，用0.25mm細線，壽命不長，晶體越大，適應(yīng)性越差。

盡管如此，當前還沒有更好的設(shè)備，重慶四聯(lián)光電集團依靠它建造藍寶石基地，將形成1800萬片的年生產(chǎn)能力，屆時四聯(lián)集團僅僅是LED基地的年產(chǎn)值就將超過100億元。

(2)克服短板，發(fā)揮優(yōu)勢，敢于競爭

環(huán)形金剛石線切割機，在試驗和使用中，充分顯示出設(shè)備構(gòu)造簡單，切割效率高的優(yōu)勢，尤其是在切割人工晶體方面更是得心應(yīng)手，游刃有余。德國學(xué)者著文，闡述實驗結(jié)果，線速度越高，切割力越小，切面越平整。見圖9所示。但是，在切割硬度高的藍寶石時，卻暴露出環(huán)形線的短板。一是線徑不夠細；二是工作壽命短。因此，在設(shè)計開方機時遇到難題，必須有意增加線的周長，提高線的壽命，從而結(jié)構(gòu)顯得龐大不緊湊。要提升競爭力，關(guān)鍵在于創(chuàng)新，切割機要發(fā)展也要不斷創(chuàng)新，克服短板，才能在競爭中立于不敗之地。

圖9 不同線速度與切割力關(guān)系圖Fig.9 Relationship between cutting speed and cutting force

①減少線徑，提高單位長度壽命是環(huán)形切割機研制的關(guān)鍵。

2.2.2 抑郁心理:患者本身對手術(shù)的了解相對較少,對術(shù)后的恢復(fù)也存在消極的心理,從而導(dǎo)致其整日處于悲觀、絕望的狀態(tài),部分患者甚至出現(xiàn)了嚴重的失眠。

目前，常用的環(huán)形線徑是0.65mm，正在研制的還有0.4mm、0.3mm的，要把握環(huán)形線自身的特點，不能與長線比粗細，可以想象在有限長度內(nèi)，線徑越小，則壽命越短。關(guān)鍵是要在工藝上做足功夫，提高環(huán)線的抗拉強度，提高單位長度的工作壽命。

②設(shè)計廻轉(zhuǎn)支架，讓晶體處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中切割，變線接觸為點接觸，有利于提高切割效率，目標要達到2～3mm/min。

③盡可能延長環(huán)形線周長，保證每根環(huán)形線切完300mm×400mm晶體面積，因此，周長受限是環(huán)形線鋸的短板。

通過以上創(chuàng)新措施，使環(huán)形線鋸切割藍寶石的綜合指標優(yōu)于長線鋸，以期獲得藍寶石切割市場認可。見圖10、圖11所示。

圖10 藍寶石在環(huán)形線立式機上切割試驗Fig.10 Cutting sapphire on the ring type vertical cutting machine

圖11 藍寶石在臥式機上切割試驗Fig.11 Cutting sapphire experiment on the horizontal machine

4 環(huán)形金剛石線鋸用于人工晶體切割大有作為,市場有待擴大

于2014年研制的懸臂式TXJ-1000環(huán)形金剛石線切割機己經(jīng)成功地替換帶鋸機用于福建某研究所的大型KDP晶體激光材料的切割生產(chǎn)。經(jīng)二年多切割生產(chǎn)證實，該設(shè)備配置的線鋸切割力小，切縫窄，不易崩裂，切割效率高，實現(xiàn)了對貴重脆性材料的低應(yīng)力精密切割。這是我國第一臺自主創(chuàng)新研制的大型環(huán)形金剛石線切割機，為國防軍工做出了貢獻，意義重大。見圖12、圖13所示。

近年來，人工晶體越來越向高端發(fā)展，價值極其昂貴，切割加工過程十分精細，平穩(wěn)，不但切縫要小，還不得出現(xiàn)微小裂紋。從事環(huán)形線切割技術(shù)的企業(yè)應(yīng)創(chuàng)新研制更多的精密切割機以適應(yīng)切割高端晶體材料的需要，重要的是要盡快尋找客戶，將產(chǎn)品推向市場，讓更多的人工晶體企業(yè)用上先進的精密環(huán)形金剛石線切割設(shè)備。

圖12 TXJ-1000環(huán)形金剛石線切割機Fig.12 TXJ-1000 ring diamond wire cutting machine

圖13 大型KDP晶體(600×600×600)在切割中Fig.13 Large KDP crystals (600×600×600)being cut

5 陶瓷靶材切割市場潛力大

靶材加工是個新興產(chǎn)業(yè)，由于智能手機、平板電腦等移動終端的流行，靶材市場需求量也非常之大。與環(huán)形線切割有關(guān)的主要是陶瓷靶材，上述提到的上海某公司10年前就引進三臺環(huán)形線切割機，用于切割氮化硼蒸發(fā)舟。2015年，天瑞公司為寧波某材料公司提供TLB350立式環(huán)形線切割機專門用于Zno靶材的切圓和對剖切片生產(chǎn)。最近又為北京有研公司的Mgo、Al2O3、鎢合金靶材進行切圓，切片試驗。見圖14、圖15所示。

圖14 TLB350立式環(huán)形線切割機Fig.14 TLB350 vertical ring line cutting machine

圖15 寧波ZnO靶材正在切圓Fig.15 The target of Ningbo ZnO being cut in circle

表3 不同切割方式切割I(lǐng)TO靶材切割效率

6 我國晶圓芯片切割加工也應(yīng)有環(huán)線切割技術(shù)一席之地

2017年，我國晶圓芯片加工進入大規(guī)模發(fā)展的黃金時代，其上游的晶圓切割加工鏈中仍然為大量的金剛石帶鋸所占據(jù)。見圖16所示。望業(yè)內(nèi)有識之士能預(yù)見，這是發(fā)展環(huán)線切割技術(shù)的又一個大商機，切莫錯失。目前晶圓直徑正向更大方向發(fā)展，從原來的8、10、12、15英寸甚至到了20英寸,越大越適合環(huán)線鋸切割，如圖17，某晶圓芯片公司的Φ350mm晶圓在環(huán)線立式機切片,效果十分滿意,其工藝參數(shù)為：

線速度38m/s,進給速度15～30mm/min,切割面精度0.02～0.05μm,片厚2～5mm。

圖16 有研的450mm晶圓在帶鋸上切兩頭Fig.16 450mm wafers being cut on both ends of the band saw in Grinm

圖17 350mm晶圓在環(huán)線立式機上切片F(xiàn)ig.17 350mm wafers being sliced on a loop vertical machine

7 結(jié)論

(1)環(huán)形金剛石線鋸切割技朮是我國超硬材料工具發(fā)展中的一朵奇葩，具有獨特的優(yōu)勢，尤其適用于硬脆材料和敏感材料的精密切割。應(yīng)用范圍廣泛，且規(guī)模大，涉及太陽能光伏晶片、晶圓芯片、藍寶石、人工晶體和陶瓷靶材等，市場前景無限,應(yīng)引起業(yè)內(nèi)人士關(guān)注，讓更多企業(yè)投入創(chuàng)新，創(chuàng)業(yè)。

(2)國內(nèi)從事該項技術(shù)研究的單位甚少，這是一項需要投入更多創(chuàng)新的獨特技術(shù)，要獨辟蹊徑，有難度，也有短板，甚至也有風(fēng)險。但闖過風(fēng)險，就會有豐厚的回報。

(3)藍寶石在智能手機和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，取決于切割晶片成本的降低，切片面積越大，環(huán)形金剛石線鋸的優(yōu)勢越明顯，一旦成功，即可創(chuàng)造很大價值。

(4)環(huán)形金剛石線和設(shè)備要以市場為中心，緊密結(jié)合，相輔相成，這是企業(yè)賴以成功的創(chuàng)業(yè)法寶，是目前市場上的不可替代產(chǎn)品，具有定價能力，應(yīng)予以極力保護。

(5)我國環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)還要在不斷創(chuàng)新中發(fā)展，產(chǎn)品還有待市場驗證，我國超硬材料同行要加倍努力，砥礪前行，引領(lǐng)金剛石環(huán)形線鋸技術(shù)向更高端發(fā)展。