金刚石线锯应用中的若干问题探讨

2018/12/10 来源:网络转载 点击量：

 由于游离磨料线切割过程中工件主要通过磨粒来实现去除的，因此磨粒在加工过程中的运动方式和力学行为决定了材料切割去除机理、加工效率、加工精度和加工质量，磨粒力学行为已成为游离磨料线切割技术的重要研究方向。
     选择电镀金刚石线锯作为锯切工具，对单晶硅进行了锯切实验，利用扫描电子显微镜对切割的硅片表面进行了观察，系统研究了锯切硅片表面产生的缺陷与锯切工艺参数之间的关系，其结果为获得高质量的锯切工艺，进一步优化工艺参数，提供了实验参考依据。
    2.切割硅磨粒的力学行为
2.1理论模型的研究
目前，游离磨料线切割硅晶体过程中磨粒力学行为的理论模型主要是在脆性材料压痕断裂理论的基础上建立的，主要包括压入力学模型、流体滚动力学模型、切削变形力学模型三大类。
2.1.1.压入力学模型
美国纽约州立大学YangF.KaoI等认为，游离磨料线锯切割过程中，磨粒以滚压-嵌入和刮擦-嵌入两种方式去除材料。
2.1.2.流体动压滚动力学模型
德国弗莱贝格工业大学Moller在I.Sao的基础上，建立了磨粒滚动模型，将滚动磨粒的加工状态分为两种模式：半接触和非接触模式。
瑞士HCT公司Nasch等人认为，在线切割过程中，切割区域存在两种不同流体润滑机制：流体动压润滑和弹性流体动压润滑，并认为流体动压润滑作用推动存在于切割线与加工表面之间的切割液间相互作用，形成大的速度梯度，而弹性流体润滑仅存在于磨粒与工件接触的高压区域。
上海大学程志华在Moller的研究基础上，通过对表面加工的观察，提出了"滚--刻"、"滚--刻--削"多磨粒混合加工模型。
2.1.3.切削变形力学模
电子四十五所靳永吉在山东大学高伟、孟剑锋对固结磨料线切割的力学模型分析基础上，对游离磨料切割加工过程中的锯切力进行了分析。认为切向力和法向力都由切削变形力和摩擦力两部分组成，并分别计算对应部分力的大小。根据体积不变理论，得出了单颗粒磨粒受力与切割工艺参数的关系。
研究结果表明，在压入硅晶体一定深度时，随着磨粒间距的减小，所需的压入载荷增大；对于一定载荷，磨粒间距越小压入深度增大。卸载后，磨粒间距越小其弹性恢复能力越强，从而产生横向裂纹增大，材料去除率提高。

2.2.力学行为的实验研究
通过游离磨料线切割实验与理论对比验证不同的磨粒所处的加工状态。实验研究发现，在一定走丝速度下（2.5m/s,6.5m/s），材料的去除率与切割线的载荷成线性关系，如图1所示。进一步研究发现，当采用恒定的材料去除率加工时，通过改变走丝速度时线的载荷却不与之成线性关系。而Bidille通过实验发现，在同一加工条件下，切割线正下方的工作表面质量比侧面的要高。
3.表面缺陷与锯丝磨损分析
3.1单晶硅表面缺陷
研究结果显示，电镀金刚石线锯锯切单晶硅的表面缺陷，主要有较长较深的沟槽，较浅的断续划痕，材料脆性去除留下的表面破碎及个别较大较资深的凹坑。
3.2走线速度对锯切表面缺陷的影响
工件进给速度为6.25靘/s,采用不同的走线速度锯切单晶硅产生的表面缺陷。当走线速度为1.0靘/s时，锯切表面存在明显的脆性断裂、破碎和凹坑，使表面呈现大量凹坑交错的形貌。
保持走线速度不变，当锯丝速度1.0靘/s增大到1.5靘/s时，锯切表面依然存在大量脆性破碎，但破碎凹坑的尺寸及深度减小，锯切表面出现了部分塑性剪切形成的沟槽。此时加工表面的材料的去除依然以脆性为主，磨粒塑性剪切或犁耕作用形成的沟槽在加工表面为辅。此时锯切材料的表面缺陷同时存在破碎与塑性划痕，脆性破碎的深度要大于塑性划痕。锯丝速度由1.5m/s增大到2.0m/s时，晶片的表面缺陷并没有明显的变化。
3.3工件进给速度对锯切表面缺陷特征的影响
走丝速度为1.5m/s时，采用不同的工件进给速度锯切单晶硅产生的表面缺陷。工件进给速度为6.25靘/s时，锯切表面存在大量脆性破碎的同时，出现了部分塑性剪切形成的沟槽。
当工件进给速度降低到2.5靘/s时，加工表面出现较多的塑性剪切或微切削形成的浅沟槽，但表面同样也存在许多脆性断裂和微破碎。当工件进给速度进一步降低到1.0靘/s时，锯切材料去除时的塑性域剪切和微切削作用为主。如当工件进给速度为1.0靘时，根据观察的锯切表面缺陷形式与特征，加工表面材料的去除出现了较大范围的塑性剪切，是材料去除的主要方式。材料主要求依靠磨粒对工件的剪切作用和微切削而得以去除，去除的机理主要是以塑性剪切切削机理为主。