线锯切割失效机理研究

1 引言

随着大规模集成电路的迅速发展，器件制造对硅单晶的表面质量要求越来越高，硅片经过切割、研磨和抛光后，加工损伤的程度和深度是硅材料切割的关键因素之一，内圆切割机虽然有其优越性，如技术成熟、刀片稳定性好等，但近年对内圆切割硅片的损伤及作用机理的研究认为：一方面内圆切割硅片的损伤层近表面的微裂纹使硅片强度大为降低。另一方面，相对于线锯切割而言，线的直径一般小于170μm，而内圆切割机刀片厚度大约为300μm，明显大于线切割机的线锯直接，且线锯切割其生产率是内圆切割的10倍以上，因此，多线切割因加工效率高，损耗少，适合大批量硅片加工等优势，在太阳能电池及其半导体材料的切割上，得到了广泛的应用，线锯是近十几年来获得迅速发展的一种硬脆材料切割设备，它包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，可分为往复式和单向线锯。目前在光电子工业中使用最为广泛的是往复式多线锯。线锯使用高硬度的碳化硅作为磨料，其典型磨料尺寸为20μm以下，能够对硬脆材料因为精密、窄锯缝切割，且可实现成形加工，随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、曲线表形小、切片薄、片厚一致性好、能切割大尺寸硅锭、省材料、效益高，产量大，效率高等，目前，硅片的切割、大多采用多线切割机切割，随着晶体直径的增大，多线切割将完全替代内圆切割。

多线切割机在切割半导体材料时，锯丝由于高压和强烈的摩擦，以及可能的高温作用，碳化硅微粒的运动切割以及大的拉力和循环往复运动使锯丝产生拉断和疲劳断裂，降低了锯丝的使用寿命，碳化硅微粒的磨损和刃口便钝决定了锯切效果，因此，研究多线切割机磨损机理具有很现实的意义。

2 线锯切割的失效形式

线锯锯丝的失效形式可归结为两类，宏观失效和微观失效，宏观的失效主要表现为：锯丝的拉断和疲劳断裂：微观的失效形式主要有砂浆磨料的磨损、破碎、变钝等失去切削功能。

2.1 锯丝的拉断

由于装配线锯时线的预紧力过大或锯切过程中工作台压力的增大以及工件对锯丝的突变冲击都会使切割线的应力值超过抗拉强度而产生断线。锯丝一旦拉断，无法再进行切割，因此应防止锯丝应力太大，锯丝应力计算如下：

在线锯切割的过程中,单根锯丝受到切割进给系统压力，切向锯切力，弯曲应力，离心力以及锯丝与导轮间摩擦力的作用，见图1。

（1）根据力的平衡原则有：

式中：Fn为工作台压力；F1、F2为锯丝的拉力，Ft为切向锯切力。

其中：

（2）当锯丝转过导轮时，会产生弯曲应力σa，根据材料力学中的弯曲应力公式可得：

式中：E为弹性模量，E=210GPa；ρ为曲率半径，ρ=D/2；r为锯丝半径。

（3）锯丝在惯性离心力作用下产生的锯丝应力计算：

由于导轮直径D远大于钢丝直径d，可认为环域内各点的向心加速度相等，均为D/2ω2，设γ为材料单位体积质量，锯丝截面积为A，则沿轴线均布的惯性力为：

设σb为锯丝的抗拉强度，由于锯切过程连续平稳，因此取安全系数为1.1。

根据应力叠加原理有：

1.1（σ2+σa+σc）<σb时锯丝不会被拉断。

由此式可见，要想施加较高的进给压力，必须提高锯丝的强度，增大导轮的直径，降低线速度，经国外实验得：σb=1373Mpa根据我们研究的多线切割机的技术要求：

Vs=1000m/min=16.7m/s r=0.08mm g=9.8m/s2 h=5mm a=b=300mm sina=sinβ

即切割进给系统施加于单根线压力小于0.73N时不会发生断线，这时切割进给系统总压力：

0.73×300（切割晶体长度）÷0.493（槽距）=444（N）

分析原因是随着进给系统压力增大，工件的进给速度明显增大，因工作进给速度基本与进给系统压力成正比，因此锯切效率明显增大。但随着进给系统压力的提高，切向锯切力也随之增大，并使锯丝产生较大的弯曲，从而增加了锯丝的弯曲应力，锯丝容易拉断，对提高锯丝寿命不利，因此切割进给压力受到了一定的。

2.2 锯丝的疲劳断裂

多线切割机在工作时，只要控制工作台压力即工作台进给速度，锯丝就不会直接被打断，但由于导轮的往复运动，锯丝在长期的交变应力作用下，很容易产生疲劳断裂，转速越高，应力交变频率越大，疲劳断裂增加，锯丝寿命越短，在保持工作台进给速度不变的情况下，尽可能增大导轮直径，或降低锯切速度，从而提高疲劳寿命，当然导轮直径会受到所切晶体直径，最低切割速度及整体尺寸等多种因素制约，因此从理论上看，在进行整体结构设计及参数设计时就要综合考虑锯丝疲劳断裂。

3 砂浆磨粒的失效机理

通过对线锯切割机理的研究认为，砂浆磨粒的微观切削运动是一个滚动、嵌入的过程，锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用，通过研究磨粒嵌入工件时的应力分布和作用，发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，磨粒在切割区的运动行为和作用对线锯的切割特性有很大影响，通过使用高速摄像机观察磨浆在锯丝上的附着状态，发现在适当的振动频率和幅度下快速走丝时，能增加参与切割的磨粒数，提高大约10%的切割效率，对纳玻璃进行切割实验，观察磨浆在切缝中的运动，研究了不同走丝速度，锯丝振动和供液方式对磨浆行为的影响，尤其是磨浆中气泡的产生和运动，以及不同磨浆行为造成的切片效率和质量上的明显差异，砂浆粒径的变化等。

正是磨粒在切割区的运动行为，使线锯切割时，碳化硅微粒被砂浆带入锯缝，在锯切过程中受到硅材料的冲击和摩擦作用，由于受交变热负荷的冲击、磨化、必然产生外部磨损现象，使得碳化硅微粒的外部被磨掉，一般氮化硅微粒磨损类型可归纳为磨粒磨损、冲击磨损、和固体微粒引起的冲蚀。碳化硅微粒的实际磨损过程需经历不同的路径，从完整晶型开始，经历抛光磨损、局部破碎再到整体破碎，微粉由于磨损，破碎，尖角变钝等原因失去了切削能力，影响了切片的速度和质量。抛光磨损：在锯切过程中，交变冲击促使碳化硅表面硬度下降，棱角钝化，缺乏尖角，压入硅材料困难，造成锯切能力下降，其数量越多，则砂浆锯切的锋利度越差，锯丝表现出低的切削效率和自锐能力，因此，应尽量避免碳化硅颗粒的抛光磨损，采取很好的冷却，加大冷却量，降低锯丝速度等措施。可有效降低抛光磨损。局部破碎：线锯切割时，碳化硅微粒被砂浆带入锯缝，碳化硅颗粒会产生微切削刃，局部破碎产生于碳化硅颗粒的尖角处，这种工作状态表明碳化硅磨粒在工作过程中经受一定的冲击和锯切力的作用，表面会产生局部积压破裂，产生自锐功能，不断变化切割刃的位置和方向，维持碳化硅磨粒正常的锯切能力，不至于被磨钝和磨平，所以，碳化硅颗粒出现局部破碎，仍可参与切削，特别是破碎的碳化硅颗粒产生了微切削刃，更有利于锯切过程。

整体破碎：当碳化硅颗粒抛光磨损和局部破碎逐渐发展而导致磨损状态，碳化硅颗粒的不断磨钝，使接触面积不断加大，切削面积不断减少，另外随着碳化硅颗粒逐渐的局部破碎，其切割部位所受到的切割力也会增大，当碳化硅颗粒受到的力超过碳化硅颗粒本身的抗压强度时，常会发生整体破碎，且碳化硅颗粒不断的被挤压，摩擦、抛光，作用在当碳化硅颗粒上的总切削力不断增加，当切削应力大于碳化硅颗粒的强度时，会发生整体破碎，整体破碎使碳化硅颗粒的出刃高度大大降低，失去切削能力，所以多线切割机的砂浆循环使用一段时间后就全部换掉，就是这个原因。 4 结论

多线切割机切割失效形式有（1）锯丝的拉断和锯丝的疲劳断裂，（2）碳化硅颗粒的磨损和破碎，刃口变钝，失去锯切能力，改进措施是：

（1）当有效控制切割进给压力和锯丝拉力时，锯丝被的拉断现象变小，将以疲劳断裂为主。

（2）锯切过程中，碳化硅微粒的破碎主要有抛光磨损，局部破碎和整体破碎，局部破碎使碳化硅颗粒不断变化切削刃的位置和方向，维持碳化硅微粒正常的锯且能力而不被磨钝或磨平，碳化硅微粒出现局部破碎，仍可参与切削，特别是微破碎的碳化硅颗粒产生的微切削刃，更有利于锯切过程，整体破碎是磨粒磨钝和局部破碎逐渐发展而导致的磨损状态，对线锯切割是很不利的，正是这种状态，导致线切割的砂浆用到了一定的时间，就应该更换砂浆，使砂浆长期持有好的磨切功能。