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环形金刚石线锯丝制造技术及锯切实验研究

侯志坚  
【摘要】: 集成电路(IC)多以单晶硅片为衬底材料,为降低单元制造成本,要求单晶硅片的直径也越来越大。切片是硅片制造的关键工序,对于直径大于300mm的单晶硅普遍采用往复式自由磨料线锯切片技术。往复式自由磨料线锯加工,其材料去除机理是研磨,加工效率较低,且不能切割硬度更高的碳化硅晶体、陶瓷等材料。本文提出环形树脂结合剂金刚石线锯切割这一新工艺,利用固结在线锯丝基体上的金刚石磨粒直接磨削去除材料,减轻加工面表层损伤,环形线锯丝单方向高速连续运动,大大提高切割速度和效率。可用于硅晶体切片及高硬度材料切割加工。具有切割精度高、制造成本低、对环境无污染等优点。 本文设计制造了环形锯丝线锯床。该锯床使用环形金刚石线锯丝,可实现环形线锯丝单方向连续运动。线锯丝走丝变速范围是4.5-28m/s,满足切割不同材料的要求。根据锯切实验要求,可实现无级调速的伺服电机驱动和是恒进给力驱动的两种进给方式。利用外加力矩张紧线锯丝,张紧力可以定量调节,张紧力范围14.6-25.2N。通过装配时精密研磨轴承安装孔、配装调节轴承间隙等关键工艺,提高了锯床精度和刚度,大大降低了线锯丝振动振幅,提高了锯切表面面形精度。 分析研究了304不锈钢丝(直径0.4mm)、304L不锈钢丝(直径0.3mm)、65Mn弹簧钢丝(直径0.3mm)以及SWPB钢琴丝(直径0.3mm)的力学性能。304不锈钢丝屈服拉力为140N;304L不锈钢丝的屈服拉力为45N;65Mn弹簧钢丝断裂拉力为131N,SWPB钢琴丝断裂拉力为104N。304L不锈钢丝的弹性变形较小,而SWPB钢琴丝含碳量高、焊接性能差。故选304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝作为环形线锯丝的基体材料。两种材料的弯曲疲劳寿命均达到1×10~6次以上。 采用电阻对焊工艺,分别将304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝焊接成环状。304不锈钢丝焊接接头断裂拉力为110N,65Mn弹簧钢丝焊接接头的断裂拉力90N。304不锈钢焊缝区由细小的奥氏体和铁素体组成,具有较大的强度和韧性。因此,304不锈钢丝更适合作为环形线锯丝的基体材料。实验研究表明,304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝焊接接头的疲劳寿命均达到1×10~5次以上。在本文实验条件下,304不锈钢丝焊接接头的平均疲劳寿命约100分钟,65Mn弹簧钢丝平均疲劳寿命约50分钟。 对树脂结合剂金刚石线锯丝制造工艺进行研究和优化。树脂结合剂金刚石线锯丝制造成分包括树脂、金刚石磨粒和粉粒添加剂等。树脂主要起粘接作用,将金刚石磨粒和线锯丝基体牢固地黏接在一起,金刚石磨料是切割工件的主体材料,分别选用了超细铜(Cu)粉、纳米氧化铝(Al_2O_3)粉、纳米二氧化锆(ZrO_2)粉、纳米氮化钛(Ti(CN))粉作为树脂添加剂,研究了不同添加剂对结合剂耐磨性的影响规律,实验证明纳米二氧化锆(ZrO_2)粉作为添加剂效果最好。实验研究了固化温度、固化时间对树脂结合剂强度的影响规律,随固化温度增高、保温时间延长,结合剂强度增大。根据锯切实验结果,用正交试验法对线锯丝制造成分的含量进行了优化,树脂结合剂中环氧树脂含量对结合剂的耐磨性影响最大。 研究了锯切参数对锯切表面粗糙度的影响规律。线锯丝速度分别为4.5m/s,7.7m/s和11.8m/s,工件进给速度分别为0.033 mm/s,0.083 mm/s和0.140 mm/s三种,也采用了恒进给力驱动方式。线锯丝的张紧力分别为14.6N,19.9N和25.3N。实验揭示了线锯丝速度、进给速度、线锯丝与工件接触长度、线锯丝张紧力以及恒进给力驱动进给方式对锯切表面粗糙度的影响规律,并对实验结果进行分析。进行了不同线锯丝运动方式和不同结合剂锯丝的锯切比对实验。与往复运动锯切表面相比,环形线锯丝锯切表面切割纹理没有明显的方向性。与金属结合剂金刚石线锯锯切表面相比,树脂结合剂线锯丝锯切表面平整,无崩碎现象,并且凹坑及凸起处棱角圆滑。可见环形树脂结合剂线锯丝能获得质量更好的切片表面。树脂结合剂磨损和脱落是树脂结合剂线锯丝的微观失效原因。优化各种材料的含量、改善结合剂的固化工艺是提高树脂结合剂的强度的有效措施。 分析了环形线锯丝的工作状况,建立了环形线锯丝最小预紧力数学模型。线锯丝最小预紧力与从动轮的摩擦力矩、导轮直径、线锯丝与导轮之间的摩擦系数、线锯丝包角以及线锯丝速度都有关系。导轮摩擦阻力越大,导轮直径越小,所需的预紧力就越大;线锯丝包角越小,所需的预紧力也越大。反之,所需预紧力减小。用实验方法测量实验设备轴承的摩擦力矩,据此计算出使用本线锯床时,线锯丝的最小张紧力为7.8N。 建立了线锯丝上单个磨粒受力模型,在不考虑线锯丝弯曲变形的情况下推导出锯切力公式。锯切力与多种因素有关,本文应用实际测量的方法确定锯切力随线锯丝速度以及工件进给速度的变化规律。分析了线锯丝弯曲变形、线锯丝变形位移以及锯切力大小对线锯丝拉力增量的影响规律,拉力增量与切割区线锯丝弯曲曲率半径及线锯丝单位长度上法向力成正比:锯切力引起的增量还与线锯丝受力后相对原始位置的位移有关,位移增大,线锯丝拉力增量减小。虽然锯切力很小,但使线锯丝产生的拉力增量不可忽略。


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