多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石法向力試驗(yàn)研究

摘要 多線搖擺往復(fù)式線鋸切割加工是目前將藍(lán)寶石晶棒切割成晶圓襯底的主要加工方法，加工過(guò)程中法向切割力是反映加工過(guò)程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。測(cè)量了多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石晶棒過(guò)程中產(chǎn)生的法向力Fn，跟蹤了晶棒不同位置和不同切割深度下法向力的變化規(guī)律，以法向力變化幅值ΔFn 為指標(biāo)，探究各種工藝參數(shù)對(duì)加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：法向力 Fn 與線鋸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、工件的搖擺運(yùn)動(dòng)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，晶棒前端的ΔFn 與中后端的有明顯的不同。線速度 Vs、最大搖擺角度θmax、單片耗線量 Md、張緊力 Fw、總切割時(shí)間 T 等工藝參數(shù)對(duì)ΔFn 有著不同的影響。ΔFn 的波動(dòng)程度與線鋸磨損有著密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 多線搖擺往復(fù)式線鋸切割；藍(lán)寶石；法向力；磨損；加工穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào) TH140; TH145; TH162; TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2024）02-0143-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0039

收稿日期 2023-02-24 修回日期 2023-06-24

固結(jié)磨料多線切割技術(shù)是一種通過(guò)燒結(jié)、電鍍、釬焊等手段，將具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)的 金剛石磨料固結(jié)在線鋸基體上形成切割工具，并把切 割工具纏繞在滾輪上形成加工線網(wǎng)，通過(guò)滾輪的往復(fù) 轉(zhuǎn)動(dòng)以及工件（或線網(wǎng)）的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切割動(dòng)作，最終完成對(duì)晶棒的切片加工的技術(shù)[1-3]。與游離磨料線鋸切割技術(shù)相比，固結(jié)磨料多線切割技術(shù)具有切割效 率高、損耗小、精度高等特點(diǎn)[4-8]。

多線搖擺往復(fù)式切割加工引入了線鋸與晶棒的相對(duì)搖擺運(yùn)動(dòng)， 目前工業(yè)上常用的機(jī)床結(jié)構(gòu)由此分為2大類(lèi)：一類(lèi)是工件固定，線網(wǎng)搖擺；另一類(lèi)是工件搖擺，線網(wǎng)固定。搖擺運(yùn)動(dòng)的引入有效減小了線鋸與工件的接觸長(zhǎng)度，提高了晶片的加工質(zhì)量。

切割力是工件與工具接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑成型、表面摩擦等綜合作用，是表征線切加工性能的重要過(guò)程參量。目前針對(duì)鋸切力已開(kāi)展了一定的研究，COSTA 等[9]探究了單金剛石線鋸切割單晶硅時(shí)產(chǎn)生的法向力，結(jié)果表明法向力隨著進(jìn)給量或張緊力的增加而增大，隨線鋸速度的增加而減小，材料去除量對(duì)進(jìn)給力有顯著影響；WANG 等[10-11]基于應(yīng)變梯度塑性理論的壓痕尺寸效應(yīng)和彈性恢復(fù)，構(gòu)建了線 切割單晶碳化硅中金剛石磨粒的刻劃力模型，實(shí)現(xiàn)了 對(duì)固結(jié)磨料金剛石線鋸切割單晶碳化硅鋸切力的預(yù)測(cè)； WANG 等[12-13]基于沖擊載荷開(kāi)展了超聲振動(dòng)輔助單線鋸切割單晶硅時(shí)的鋸切力建模與驗(yàn)證，完成了基于磨 料磨損的切割力理論研究；李茜茜[14]分別對(duì) A/C 面藍(lán)寶石進(jìn)行單線鋸切試驗(yàn)，研究表明 A/C 面藍(lán)寶石的切 向力隨著線鋸速度的增加或進(jìn)給速度的減小而減??；麻磊[15]分析了單線鋸切割玻璃時(shí)的切割力 ，通過(guò)調(diào)節(jié)線鋸速度使法向切割力保持恒定；紀(jì)磊磊等[16]構(gòu)建了對(duì)單線鋸橫向振動(dòng)產(chǎn)生主要影響的法向隨機(jī)力模型， 分析了在小偏移狀態(tài)下線鋸的線性振動(dòng)情況；KIM 等[17] 采用多線鋸切割4英寸（101.6 mm ）藍(lán)寶石晶棒，研究 發(fā)現(xiàn)法向鋸切力隨晶圓切割深度的增加而先增大后減 小，并隨著單片耗線量的增加而增大；KIM 等[18]對(duì)多線鋸切割藍(lán)寶石過(guò)程中的線弓進(jìn)行測(cè)量，研究表明初 始線弓越大鋸切力越大；KAO 等[19]對(duì)多線切割過(guò)程中的鋸切力進(jìn)行監(jiān)控，研究發(fā)現(xiàn)切割力隨切入深度的增 加而先增大后減小，隨著耗線量的降低而增大。

目前開(kāi)展的關(guān)于線鋸切割力的研究多集中在單線切割，對(duì)多線搖擺往復(fù)式切割加工過(guò)程中鋸切力變化規(guī)律的研究尚缺少完整分析，以鋸切力的波動(dòng)情況分析線鋸加工過(guò)程穩(wěn)定性的研究較少。本文測(cè)量了多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石晶棒過(guò)程中的法向力，跟蹤了不同線網(wǎng)位置和不同切割位置的法向力的變化規(guī)律，探究了鋸切工藝參數(shù)對(duì)法向力波動(dòng)程度的影響規(guī)律。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理解線鋸切割過(guò)程，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)都具有參考意義。

1 試驗(yàn)條件

1.1 多線搖擺往復(fù)式線鋸切割的鋸切力測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)在多線搖擺往復(fù)式切割機(jī)床（ X07M250× 350-1D-O ）上完成，如圖1a 所示。機(jī)床的主體運(yùn)動(dòng)包括工件的搖擺運(yùn)動(dòng)、工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、線鋸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[20]。試驗(yàn)所用線鋸為日本住友公司生產(chǎn)的電鍍金剛石線，母線直徑?0.18 mm，金剛石磨粒粒徑為30～ 40μm，線槽間距為0.75 mm，如圖1b 所示。圖1c 為多 線切割藍(lán)寶石晶棒的側(cè)視圖。試驗(yàn)工件為4英寸 C 面藍(lán)寶石晶棒，晶棒無(wú)崩角、氣泡等缺陷。藍(lán)寶石晶棒 定向后粘接在樹(shù)脂安裝臺(tái)上，安裝臺(tái)連接測(cè)力儀并最終固定在工件臺(tái)上。試驗(yàn)使用 Kistler-9119AA2測(cè)力儀進(jìn)行鋸切力的測(cè)量，通過(guò) Kistler 配套的5080A 電荷放 大器將所采集的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并使用 Dewe 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為鋸切力信號(hào)。試驗(yàn)中鋸切力的采樣頻率為5 kHz，采樣時(shí)間約為120 s。選擇2.5 Hz 的低通濾波對(duì)法向力Fn 進(jìn)行濾波處理。

在加工過(guò)程中，線鋸?fù)鶑?fù)運(yùn)動(dòng)可以保證線鋸具有一定的切割速度，并在切割過(guò)程中不斷提供新的線鋸。線鋸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)左右導(dǎo)輪的周期性正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)來(lái)完成的，其往復(fù)運(yùn)作周期性取決于往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期。線鋸正向平穩(wěn)切割耗時(shí)33.19 s，反向平穩(wěn)切割耗時(shí)32.51 s，線鋸正向切割轉(zhuǎn)成反向切割的換向周期為43.19 s，反向切割轉(zhuǎn)成正向切割的換向周期為42.51 s，每次換向過(guò)程耗時(shí)10 s，平穩(wěn)切割的速度為 Vs。工件搖擺運(yùn)動(dòng)為正弦運(yùn)動(dòng)，固定搖擺周期為4 s。本文采用的 切割參數(shù)見(jiàn)表1。

由于晶棒為圓柱體，在不同切割深度下，線鋸與晶棒的接觸弧長(zhǎng)不同，工業(yè)中一般將工件進(jìn)給速度設(shè)置成可變的進(jìn)給曲線。本文參考楊沁等[21]提出的恒定單位長(zhǎng)度新線材料去除體積模型設(shè)置工件進(jìn)給曲線和新線進(jìn)給曲線，表1中的10組工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的工件進(jìn)給曲線和新線進(jìn)給曲線已在補(bǔ)充數(shù)據(jù)文件中給出。

1.2 不同晶棒位置的鋸切力測(cè)量

參與切割的藍(lán)寶石晶棒總長(zhǎng)為114 mm，總共可獲得152片晶片。為了分別測(cè)量前、中、后各16片晶片切割時(shí)的鋸切力，本文采用分段測(cè)量法，將總長(zhǎng)為114 mm 的藍(lán)寶石晶棒分割成2～3段，其中參與測(cè)力的晶棒長(zhǎng)度始終保持在12 mm，前、中、后位置測(cè)力工件與測(cè)力儀的安裝示意圖如圖2所示。

1.3 不同切割深度的鋸切力測(cè)量

試驗(yàn)加工的晶棒為規(guī)則圓柱體，線鋸與晶棒的接觸弧長(zhǎng)隨切入深度的增加而不斷變化。將晶圓切面沿中間軸線等分為10份，晶圓切入深度每隔10 mm測(cè)量1次，以獲得不同切割深度的鋸切力值（如圖3所示）。當(dāng)晶圓切入深度達(dá)到40 mm 時(shí)，由于線鋸機(jī)床切割的室內(nèi)的切削液管與測(cè)力儀的線纜產(chǎn)生干涉，影響切割加工，因此測(cè)力試驗(yàn)在此停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 典型力信號(hào)

圖4為3種不同搖擺角度條件下的典型法向力信號(hào)圖，測(cè)量時(shí)間為120 s 。 Fn1是設(shè)定工件搖擺角度為0°（即工件不搖擺）時(shí)法向力隨時(shí)間變化的曲線。0時(shí)刻線鋸開(kāi)始正向加速運(yùn)動(dòng)，法向力信號(hào)由細(xì)逐漸變粗并趨于穩(wěn)定。在20 s左右（此時(shí)線鋸處于穩(wěn)定正向運(yùn)行階段的中段），力曲線有明顯的滑落，隨后保持穩(wěn)定。在45 s左右（此時(shí)線鋸處于正、反換向階段），力信號(hào)由粗先變細(xì)后變粗，整體保持平穩(wěn)。在65 s左右（此時(shí)線鋸處于穩(wěn)定反向運(yùn)行階段的中段），力曲線有明顯的爬升，隨后保持穩(wěn)定。在85 s左右（此時(shí)處于線鋸反、正換向階段），力信號(hào)同樣由粗變細(xì)再變粗。

Fn2和 Fn3分別為設(shè)定工件最大搖擺角度為5°和10°時(shí)法向力隨時(shí)間變化的曲線。這2條力曲線的整體趨勢(shì)和Fn1有很大不同：當(dāng)工件搖擺時(shí)，力信號(hào)在整個(gè)測(cè)試時(shí)間段內(nèi)都較為平穩(wěn)，同時(shí)力信號(hào)表現(xiàn)出較為規(guī) 律的鋸齒形波動(dòng)。由此推測(cè)該鋸齒形波動(dòng)與工件的搖擺運(yùn)動(dòng)相關(guān)。由圖4可知，藍(lán)寶石多線切割過(guò)程中工 件搖擺運(yùn)動(dòng)的引入能夠顯著降低法向力的波動(dòng)并使其處于整體相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。同時(shí)，不管工件搖擺與否，在線鋸換向的過(guò)程中，法向力信號(hào)會(huì)發(fā)生由粗變細(xì)再 變粗的變化，這可能跟線鋸的振動(dòng)有一定關(guān)系，當(dāng)線鋸 速度為0時(shí)振動(dòng)最小，力信號(hào)光滑無(wú)毛刺。

圖5是60～70 s 范圍內(nèi)的力信號(hào)圖像，此時(shí)線鋸處于反向穩(wěn)定切割加工的過(guò)程中。通過(guò)對(duì)比θ、Fn2和 Fn3曲線可以發(fā)現(xiàn)，三者發(fā)生變化的過(guò)程相互對(duì)應(yīng)。力值變化的頻率是工件搖擺頻率的2倍，當(dāng)工件擺動(dòng)到左右極限位置時(shí)，法向力達(dá)到峰值；當(dāng)工件處于中間位置時(shí)，法向力達(dá)到谷值。

受到測(cè)力儀設(shè)備的限制，測(cè)量過(guò)程中須先進(jìn)行切割，暫停機(jī)床后利用測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)測(cè)力儀雖然處于0點(diǎn)，但線鋸對(duì)工件已存在一定的加載力，因此無(wú)法獲得鋸切過(guò)程中法向力的零線值，即無(wú)法獲得鋸切過(guò)程中實(shí)際法向力的絕對(duì)值。圖5中法向力的變化更多反映的是線鋸或工件的運(yùn)動(dòng)對(duì)法向力的實(shí)時(shí)影響。為了量化分析工藝參數(shù)對(duì)法向力波動(dòng)變化的影響，對(duì)換向區(qū)域附近的Fn 尋峰，取換向前5個(gè)連續(xù)的波峰值 Fnmax 以及換向后5個(gè)連續(xù)的波谷值Fnmin，令ΔFn =Fnmax ? Fnmin，重復(fù)以上操作5次并取其平均值作為ΔFn 的值。

2.2 晶棒不同切割位置對(duì)ΔFn 的影響

圖6反映了線網(wǎng)不同位置處ΔFn 的變化。在相同深度的情況下，前端16片工件處的ΔFn 為6.53～10.91 N，中間16片工件處的ΔFn 為7.83～11.78 N，后端16片工件處的ΔFn 為7.52～10.58 N，ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而先增大后減小。在線網(wǎng)相同位置處，ΔFn 隨切入深度的增加而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)ΔFn 的影響

2.3.1 線速度對(duì)ΔFn 的影響

圖7顯示了線速度 Vs 對(duì)ΔFn 的影響。 Vs=15 m/s 時(shí)的ΔFn 為17.44～19.51 N，Vs=20 m/s 時(shí)的ΔFn 為7.29～8.62 N，Vs=25 m/s 時(shí)的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著線速度的增大而先減小后略增大。ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而逐漸增大。

2.3.2 最大搖擺角度對(duì)ΔFn 的影響

圖8顯示了最大搖擺角度θmax 對(duì)ΔFn 的影響。θmax=0°時(shí)的ΔFn 為1.94～2.71 N，θmax=5°時(shí)的ΔFn 為5.27～7.70 N，θmax=10°時(shí)的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著最大搖擺角度的增大而增大。ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而略減小。

2.3.3 單片耗線量對(duì)ΔFn 的影響

圖9顯示了單片耗線量 Md 對(duì)ΔFn 的影響。Md=12.6 m/pcs 時(shí)的ΔFn 為7.61～7.69 N，Md=15.8 m/pcs 時(shí)的ΔFn 為7.38～9.68 N，Md=18.9 m/pcs 時(shí)的ΔFn 為5.70～8.36 N，ΔFn 隨著單片耗線量的增大而先增大后減小，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

2.3.4 張緊力對(duì)ΔFn 的影響

圖10顯示了張緊力 Fw 對(duì)ΔFn 的影響。 Fw=35 N 時(shí)的ΔFn 為6.68～7.76 N，F(xiàn)w=40 N 時(shí)的ΔFn 為7.62～8.18 N，F(xiàn)w=45 N 時(shí)的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著張緊力的增大而略增大，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

2.3.5 總切割時(shí)間對(duì)ΔFn 的影響

圖11是采用不同總切割時(shí)間 T 工藝時(shí)藍(lán)寶石晶棒同一切割深度的法向力變化ΔFn 的對(duì)比圖。對(duì)于 T=360 min 切割工藝，線鋸切割深度為20 mm 的ΔFn 為5.70～8.36 N，采用 T=540 min 切割工藝的 ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著總切割時(shí)間的增加而增大，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

3 討論

在磨削過(guò)程中，隨著高硬度金剛石磨粒對(duì)工件的劃擦切削，工件材料被去除，同時(shí)磨粒也會(huì)產(chǎn)生磨損。圖12a 是切割前線鋸的微觀形貌，從圖中可以得出切割前的線鋸有著完整的形貌。隨著切割加工的進(jìn)行，磨粒鍍層表面首先破裂并裸露出金剛石，磨粒逐漸磨損，如圖12b 所示。加工過(guò)程中，線網(wǎng)上金剛石線鋸表面磨粒的狀態(tài)是影響線鋸切割穩(wěn)定性的重要因素之一。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)線網(wǎng)切割一段時(shí)間后，相同時(shí)刻沿晶棒軸向金剛石線鋸在藍(lán)寶石晶棒上的切割深度各不相同，并呈現(xiàn)出進(jìn)線端和出線端線鋸切割深度較大，晶棒中間的線鋸切割深度較小的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，切割藍(lán)寶石晶棒的線鋸具有兩頭磨損小、中間磨損大的特點(diǎn)。 YANG 等[22]通過(guò)仿真計(jì)算金剛石線鋸多線往復(fù)切割截面為圓形和方形工件的磨損的研究也得到類(lèi)似的結(jié)論。

在線網(wǎng)切割藍(lán)寶石晶棒的某一時(shí)刻，晶棒前、中、后位置的名義切割深度相同。由于切割藍(lán)寶石晶棒前 端和后端的線鋸磨損比中間的小，晶棒前、后端法向 力的變化則小于晶棒中間的法向力變化。在晶棒同一 切割位置，隨著線鋸切入深度的增加，金剛石磨粒的磨 損程度增加，ΔFn 逐漸增大，如圖6所示。

多線搖擺往復(fù)式切割藍(lán)寶石晶棒法向力的波動(dòng)與工藝參數(shù)密切相關(guān)。隨著線鋸穩(wěn)定運(yùn)行速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)參與切割的磨粒數(shù)增加，這使得每顆金剛 石負(fù)責(zé)去除的材料體積減小，法向力減小，其波動(dòng)相應(yīng)減小，如圖7所示。值得注意的是，當(dāng)線鋸速度增加到 一定程度時(shí)，法向力波動(dòng)會(huì)趨于穩(wěn)定。由表1可知，總切割時(shí)間取決于工件進(jìn)給速度，同時(shí)又影響新線進(jìn)給 速度?？偳懈顣r(shí)間越短，相同切割深度下的工件進(jìn)給 速度越快、新線進(jìn)給速度越快。進(jìn)給速度越快，單位 時(shí)間材料去除率就越大，切割法向力和線鋸磨損也相 應(yīng)增大。圖11所示的法向力變化情況是由工件進(jìn)給速度和新線進(jìn)給速度綜合作用導(dǎo)致的。線網(wǎng)張緊力的增加會(huì)增加線鋸的剛性，磨粒更容易因較大的切割力而產(chǎn)生磨損，表現(xiàn)為法向力變化幅值略有增加，如圖10所示。

搖擺角度對(duì)線鋸切割晶棒法向力的波動(dòng)有顯著影 響。從圖4可以得出法向力與工件搖擺運(yùn)動(dòng)有著明確 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說(shuō)明搖擺切割時(shí)法向力周期性波動(dòng)是 由搖擺運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的；當(dāng)工件不搖擺時(shí)，力產(chǎn)生的周期波 動(dòng)很可能是線鋸振動(dòng)導(dǎo)致的[23]。需要注意的是，根據(jù)ΔFn 的定義，圖8的數(shù)據(jù)是在多線切割換向階段獲取的，工件不搖擺時(shí)的換向階段的法向力波動(dòng)比搖擺時(shí)小得 多；同時(shí)，增加搖擺角度會(huì)增加法向力波動(dòng)。這是因?yàn)?晶棒搖擺至極限位置時(shí)的接觸弧長(zhǎng)增加，去除材料的 體積相應(yīng)增加。但是，從圖4整體的力信號(hào)波形來(lái)看，無(wú)搖擺切割在線網(wǎng)穩(wěn)定切割階段會(huì)出現(xiàn)顯著的臺(tái)階式 波動(dòng)，這可能是實(shí)際加工中無(wú)搖擺多線切割容易斷線 的原因之一；而有搖擺運(yùn)動(dòng)的切割力信號(hào)整體呈現(xiàn)平 穩(wěn)趨勢(shì)。從這個(gè)角度看，搖擺運(yùn)動(dòng)的引入提高了多線 往復(fù)切割的整體穩(wěn)定性。

單片耗線量的大小取決于總耗線量，其他切割參 數(shù)保持一樣，總耗線量又決定了新線進(jìn)給速度。而新 線進(jìn)給速度又與線鋸表面磨粒磨損狀態(tài)密切相關(guān)。如 圖9所示，當(dāng)耗線量為12.6 m/pcs 時(shí)，晶棒前、中、后端 法向力波動(dòng)趨于相同；而當(dāng)耗線量增加至15.8 m/pcs 時(shí)，晶棒各位置（除了前端）的法向力波動(dòng)增加，并且三 者之間的差異與前文提及的線鋸切割晶棒的磨損規(guī)律 相近；當(dāng)進(jìn)一步增加耗線量時(shí)，晶棒各位置的法向力波 動(dòng)減小。線鋸切割過(guò)程的法向力波動(dòng)與線鋸磨粒磨損 狀態(tài)密切相關(guān)，但線鋸切割晶棒的磨損規(guī)律并不能很 好地解釋圖9所示的變化。需要注意的是 YANG[22]仿 真研究的磨損規(guī)律是基于線鋸點(diǎn)累計(jì)切割次數(shù)，并沒(méi) 有考慮磨粒本身。這可能是實(shí)際切割藍(lán)寶石晶棒過(guò)程 中發(fā)現(xiàn)的磨損現(xiàn)象與仿真結(jié)果略有偏差的原因之一。另外，本文使用的金剛石線鋸為電鍍金剛石線鋸，其表 面磨粒初始被很厚的鎳包裹，如圖12a 所示，金剛石線 鋸表面磨粒的磨損除了金剛石磨粒本身，還包括磨粒 鍍層的磨損。因此推測(cè)單片耗線量的增加所導(dǎo)致的 ΔFn 變化和金剛石線鋸表面磨粒鍍層磨損開(kāi)刃有很大 的關(guān)系。

綜上分析可知，工藝參數(shù)通過(guò)影響材料去除體積進(jìn)而影響力的大小及其波動(dòng)性；此外，磨粒的磨損狀態(tài)對(duì)多線搖擺往復(fù)式切割藍(lán)寶石晶棒法向力波動(dòng)性的影響較大。

4 結(jié)論

本文測(cè)量了金剛石線鋸多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石晶棒過(guò)程中產(chǎn)生的法向力，跟蹤了晶棒不同位置和不同切割深度的法向力Fn 的變化規(guī)律，以法向力變化幅值ΔFn 為指標(biāo)，探究各種工藝參數(shù)對(duì)加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響。研究中得到主要結(jié)論如下：

（1）搖擺運(yùn)動(dòng)的引入提高了線鋸切割藍(lán)寶石晶棒的穩(wěn)定性，并顯著減小了鋸切力。

（2）多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石晶棒過(guò)程中，從晶棒前端到后端，法向力變化幅值先增大后減小。隨著線鋸切入深度的增加，其法向力變化幅值也逐漸增大。

（3）線速度的增大會(huì)使法向力變化幅值減?。蛔畲髶u擺角度的增大會(huì)使法向力變化幅值明顯增大；單片耗線量的增加會(huì)使法向力變化幅值先增大后減小；張緊力的增大會(huì)使法向力變化幅值略增大；總切割時(shí) 間的增加會(huì)使法向力變化幅值略增大。

（4）線鋸多線切割過(guò)程中，法向力變化幅值受工藝參數(shù)和磨粒磨損狀態(tài)的影響較大。

參考文獻(xiàn)：

［1］ WU H. Wire sawing technology a state-of-the-art review [J]. Precision Engineering，2016，（43：1-9.

［2］ 高航， 孔維邈.脆性材料用固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程，2019，39（4）：97-102.

GAO Hang， KONG Weimiao. Development of consolidated diamond wire saw cutting technology for brittle materials [J]. Diamond amp; Abrasives Engineering，2019，39（4）：97-102.

［3］ ANSPACH O， HURKA B， SUNDER K. Structured wire： From single wire experiments to multi-crystalline silicon wafer mass production [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2014（131）：58-63.

［4］ 張強(qiáng).固結(jié)磨料多線切割設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究[D].蘇州：蘇州大學(xué) ，2019.

ZHANG Qiang. Design and Research of Fixed Abrasive Multi-wire Cutting Equipment [D]. Suzhou： Soochow University， 2019.

［5］ LIU Y H， GAO Y F， YANG C F. Analysis of sawing characteristics of fine diamond wire slicing multicrystalline silicon [J]. Diamond and Related Materials，2021（48）：17335-17342.

［6］ GE M R， CHEN Z B， WANG P Z， et al. Crack damage control for diamond wire sawing of silicon the selection of processing parameters[J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2022，148：106838-106846.

［7］ LIU Y H， ZHU Z F. Experimental investigation on diamond wire sawing of Si3N4 ceramics considering the evolution of wire cutting performance [J]. Ceramics International，2022（48）：17335-17342.

［8］ HUANG H， LI X X， XU X P. An Experimental research on the force and energy during the sapphire sawing using reciprocating electroplated diamond wire saw [J]. ASME International，2017，139（12）：121011-121015.

［9］ COSTA E C， WEINGAERTNER W L， XAVIER F A. Influence of single diamond wire sawing of photovoltaic monocrystalline silicon on the feed force， surface roughness and micro-crack depth [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2022（143）：106525-106535.

［10］ WANG P Z， GE P Q， GAO Y F， et al. Prediction of sawing force for single-crystal silicon carbide with fixed abrasive diamond wire saw [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2017（63）：25-32.

［11］ WANG P Z， GE P Q， LI Z Q， et al. A scratching force model of diamond abrasive particles in wire sawing of single crystal SiC [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2017（68）：21-29.

［12］ WANG Y， ZHANG S， DONG G J， et al. Theoretical study on sawing force of ultrasonic vibration assisted diamond wire sawing （UAWS） based on abrasives wear [J]. Wear，2022（496/497）：204291-204301.

［13］ WANG Y， LI D L， DING Z J， et al. Modeling and verifying of sawing force in ultrasonic vibration assisted diamond wire sawing （UAWS） based on impact load [J]. International Journal of Mechanical Sciences，2019（164）：105161-105170.

［14］李茜茜.線鋸切割光電材料的鋸切力及鋸切質(zhì)量的試驗(yàn)研究[D].廈門(mén)：華僑大學(xué)， 2017.

LI Xixi. Experimental study on force and surface quality of photoelectric material with fixed abrasive diamond wire [D]. Xiamen： Huaqiao University， 2017.

［15］麻磊.金剛石線鋸切割力的分析與控制研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

MA Lei. Study on cutting force analysis and control of diamond wire saw [D]. Xi’an： Xi’an University of Technology， 2017.

［16］紀(jì)磊磊.固結(jié)金剛石磨粒線鋸振動(dòng)對(duì)切片表面形貌影響的研究[D].西安：西安理工大學(xué)， 2018.

JI Leilei. Study on effect of vibration of fixed diamond A-Brasive grain saw on surface morphology of slice[D]. Xi’an： Xi’an University of Technology， 2018.

［17］ KIM H， KIM D， KIM C， et al. Multi-wire sawing of sapphire crystalswith reciprocating motion of electroplated diamond wires [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2013（62）：335-338.

［18］ KIM D， KIM H， LEE S， et al. Effect of initial deflection of diamond wire on thickness variation of sapphire wafer in multi-wire saw [J]. Springer Science and Business Media LLC，2015（2）：117-121.

［19］ KAO I， PRASAD V， LI J， et al. Wafer slicing and wire saw manufacturing technology[C]// Proceedings of the 1997 NSF Design amp;Manufacturing Grantees Conference. Washington： University of Washington， 1997：239-240.

［20］楊沁.多線搖擺往復(fù)式線鋸切割大尺寸單晶碳化硅的試驗(yàn)研究[D].廈門(mén)：華僑大學(xué)， 2020.

YANG Qin. Experimental study on cutting large-size single-crystalline silicon carbide with multi-wire swing reciprocating wire saw [D]. Xiamen： Huaqiao University， 2020.

［21］楊沁， 黃輝， 鄭生龍.多線搖擺往復(fù)式線鋸切割加工運(yùn)動(dòng)的理論及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（11）：219-228.

YANG Qin， HUANG Hui， ZHENG Shenglong. Theoretical and experimental research on machining movement of multi-wire sawing with rocking and reciprocating [J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（11）：219-228.

［22］ YANG Z X， HUANG H， LIAO X J. Influence of cutting parameters onwear of diamond wire during multi-wire rocking sawing with reciprocating motion [J]. Frontiers in Mechanical Engineering，2022（8）：1-12.

［23］王蘭青.多線搖擺往復(fù)式線鋸切割藍(lán)寶石的晶片質(zhì)量及鋸切力試驗(yàn)研究[D].廈門(mén)：華僑大學(xué)， 2021.

WANG Lanqing. Experimental research on sapphire wafer quality and cutting force in multi-wire swing reciprocating wire saw cutting[D]. Xiamen： Huaqiao University， 2021.

作者簡(jiǎn)介

劉億圣，男，1997年生，碩士研究生。主要研究方向：智能制造與精密加工。

E-mail：liuyishengcn@sina.com

通信作者：廖信江，男，1991年生，博士，講師，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：金剛石釬焊反應(yīng)、潤(rùn)濕機(jī)理研究；釬焊金剛石磨粒工具的研發(fā)。

E-mail：xinjiangliao@sina.cn

Experimental study on normal force of cutting sapphire with multi-wire swingreciprocating wire saw

LIU Yisheng1，HUANG Hui1，2，WANG Lanqing1，LIAO Xinjiang2

（1. Institute of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021，F(xiàn)ujian China）

（2. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021，F(xiàn)ujian China）

Abstract Multi-wireswing reciprocating sawing technology is the main machining method used to cut sapphire crys- tal bars into wafer substrates， while normal force is an important index that reflects the processing stability. In this pa- per， the normal force（ Fn ）during multi-wireswing reciprocating wire saw cutting sapphire crystal bars was measured， and the change in normal force at different positions and cutting depths of the sapphire crystal bars was tracked. The in- fluence of various process parameters on the stability of the machining process was tracked by using the rangeability of normal force（ΔFn ）as the index. The experimental results show that Fn is closely correlated with the reciprocating motion of the wire saw and the rocking motion of the workpiece， and ΔFn in the front of the sapphire crystal bar is sig- nificantly different from that in the middle and back. Process parameters such as the wire saw speed（ Vs ）， maximum swing angle （θmax）， single piece wire consumption （Md）， tensioning force （Fw）， and total cutting time （T） have different effects on ΔFn . The fluctuation degree of ΔFn is closely related to the wear of the wire saw.

Key words multi-wireswing reciprocating sawing technology；sapphire；normal force；wear and tear；machining sta- bility