一種用于多線切割的異構固結磨料鋸線的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種異構的固結磨料鋸線，適用于采用多線切割方法加工晶硅、碳化硅、水晶、藍寶石等硬質材料。所述鋸線采用截面為圓形或近似圓形的金屬絲為母線，通過在切割磨料固結層之間合理設置應力釋放間隙，降低了切割磨料固結層在切割過程中因鋸線彎轉而產生的應力集中。本實用新型通過緩解切割磨料固結層內的應力集中，顯著降低了現有鋸線技術中切割磨料固結層開裂和伴隨而生的切割磨料顆粒脫落撥出的風險，有助于降低固結磨料線鋸的斷線率。
【專利說明】一種用于多線切割的異構固結磨料鋸線
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于多線切割的異構固結磨料鋸線，適用于使用多線切割方法加工晶硅、碳化硅、水晶、藍寶石等硬質材料，具體地說是一種具有規律性變化的固結磨料段和間隙段的異構鋸線。
【背景技術】
[0002]在使用多線切割機來加工晶體硅、藍寶石、碳化硅以及其它高硬度固體的薄片時，主要有兩種工藝路線。一種是使用表面光滑的鋸線與分散在液體里的游離磨料；另外一種是使用將磨料顆粒固定在鋸線上的固結鋸線，固結鋸線中比較有代表性的是金剛石鋸線。與使用游離磨料的工藝路線相比較，固結鋸線在切割成本和環境保護等方面，具有較大的優勢。
[0003]目前使用的固結磨料鋸線，磨料通常是通過電鍍金屬或樹脂結合層，固結粘附于鋼線的表面。通常磨料顆粒均勻或相對均勻分布于鋸線表面，其固結材料則是呈現連續分布于鋸線基底鋼線的表面。兩類鋸線，尤其是電鍍法生產的鋸線，已經廣泛應用于晶體硅的開方、藍寶石/單晶硅的多線切割等領域。
[0004]在多線切割操作中，鋸線反復纏繞于導線輪上，鋸線需要承受一定的張力。從目前的工業應用情況來分析，布線產生的張力強度一般在0.5_2GPa范圍。而帶有磨料顆粒的固結層可以被視為是帶有大量缺陷的連續薄層，在高的拉伸張力作用下，很容易在缺陷點，即磨料嵌入處產生開裂。這種類型的失效，一般可以通過預加張力等加工手段進行緩解。
[0005]鋸線在導輪上的彎轉也產生應力。以兩個導輪一組的情況為例，每次經過導輪，鋸線就會被彎曲180°。相應地，鋸線在接觸導輪的一側和遠離導輪的一側，就會產生伸長量的差異。這種伸長量的差異數值取決于鋸線的線徑以及導線輪的直徑之比。以晶體硅切割中通常使用的200-375mm直徑的導線輪，0.1mm直徑的碳鋼材質基底鋼線來進行估算，則基底鋼線在導輪上纏繞時產生的變形量在0.001-0.0006，相應的應力在鋸線軸心平均后，在59-lOOMPa范圍，容易在有缺陷的固結層中造成開裂。并且，這種因為鋸線彎曲產生的應力無法通過預加張力的方式來消除。
[0006]另外，對于鋸線這種連續的多層結構，每次彎曲都會產生一定程度的層間應力集中。對于鋸線上的固結磨料層來說，其與鋼線基底的結合界面需要能夠承受這個應力產生的剪切力。通常在應力均勻分布的情況下，結合界面的材質和其與鋼線基底的結合強度是可以承受這個應力和剪切力的，但是磨料顆粒的植入同樣造成結合層上產生很多缺陷點，在彎曲產生的剪切應力作用下，易造成結合層的破壞。
[0007]綜上所述，從目前使用固結磨料鋸線的生產實際來看，磨料顆粒的撥出和固結層的破壞，是影響其應用的兩種主要失效形式，一旦發生，通常結果就是損失當次切割的所有晶片及耗材。
實用新型內容[0008]本實用新型要解決的技術問題是:克服或緩解現有固結磨料技術中，因鋸線彎轉產生應力造成磨料固結層失效，進而導致鋸線上的磨料顆粒易撥出脫落，產生用戶端應用風險的問題。
[0009]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種用于多線切割的異構固結磨料鋸線，(a)母線為截面圓形或近似圓形的金屬絲，直徑在0.05mm-0.50mm之間，所述母線為用于固定切割磨料的基底金屬絲；(b)母線表面規律性地覆蓋有用于固定切割磨料的磨料固結層，所述磨料固結層為金屬電鍍層和/或合金層；所述磨料固結層為環繞所述鋸線軸線的環狀、近似環狀或螺旋狀中的一種或幾種；(C)未覆蓋所述磨料固結層的部分為應力釋放間隙，所述應力釋放間隙的長度LI大于相鄰最長的磨料固結層長度L2的3%，所述應力釋放間隙長度LI和磨料固結層的長度L2均為沿母線軸線方向的長度，相鄰磨料固結層長度可以相同，也可以不同。
[0010]當鋸線圍繞導輪彎轉時，鋸線的外側因彎轉而產生拉應力，拉應力接近/超過某一閾值時，就會導致鍍層開裂，陡增其上磨料在接下來進入切割狀態時的脫落和被拔出的風險，且導輪直徑越小，該種風險越大。考慮到目前市場上的固結磨料線鋸的導輪直徑一般在200mm-400mm之間，以此為導輪直徑的參考區間且不考慮導輪材質變形和表面形變，對上述拉應力的情況做有限元分析，分析中假定固結層采用常用的鎳基鍍層，厚度為20Um，復合磨料后的總體楊氏彈性模量在280_350GPa之間；母線線徑lOOum，楊氏彈性模量200GPa，分析結果表明，要使得每個固結磨料層長度上的曲率下降10%，只需在每段固結層之間，留出長度為固結磨料層長度的5%的應力釋放間隙，且該曲率的下降只和母線力學性質、復合了磨料顆粒的固結磨料層的力學性質、固結磨料層厚度與母線線徑比率有關。進一步假設磨料固結層上的缺陷基本上為V形缺陷，如果將曲率下降10%，彎轉產生的拉應力就會下降10%，對于由硬質材料構成的磨料固結層而言，對比沒有應力釋放間隔的情況，上述拉應力的降低意味著固結層開裂風險的顯著降低，連帶顯著降低固結層上的磨料顆粒在切割過程中脫落/被撥出風險。實際應用中，可以針對鋸線失效的情況，依照本實用新型的原理調整固結磨料段與間隙的長度比，在最大化切割加工能力的同時，降低失效發生的概率。
[0011]進一步地，考慮到切割中使用的導線輪槽材質具有比鋸線材料低得多的彈性模量(一般導輪槽所用的聚胺脂的楊氏彈性模量小于90GPa)，在鋸線的支撐材料具有較低的彈性模量前提下，本實用新型的分段設計，與通常的連續結構相比，將會進一步降低鋸線上的應力。將導輪槽的楊氏彈性模量按90GPa加入到上述有限元計算中，結果表明，使每一固結磨料段長度上的彎曲量下降10%所需的最小間隙長度，下降為3%的固結磨料段長度。
[0012]所述應力釋放間隙由母線構成，或者由母線和母線表面外加電鍍層和/或合金層構成，所述外加電鍍層和/或合金層的楊氏模量遠小于磨料固結層的楊氏模量。
[0013]母線自身帶有鍍層，不影響上述設計機理，因此母線可以為表面自帶有鍍層的金屬絲。
[0014]與此同時，應力釋放間隙的長度亦不可過長，以保證應力釋放間隙兩端的磨料固結層的固結材料不會發生和切割對象之間的直接磨擦。這是因為固結層材料的莫氏硬度通常遠低于切割對象，一旦發生直接磨擦，很容易造成磨料固結層兩端損壞，尤其是固結磨料鋸線的應用多為往復切割(以常規的固結磨料鋸線用于晶硅切割為例，同一段鋸線通常會在工件中往復工作數百次或更多)，若因應力釋放間隙設計過長而導致磨料固結層在切割中的某個時刻開始損壞，則固結層的損壞部分實際等同于進一步加大了應力釋放間隙的長度，導致此后的固結磨料層邊緣損壞進一步加速，如此循環而產生“雪崩”效應。為防止上述情況發生，應力釋放間隙的長度LI的取值上限取決于磨料在固結層上的平均突起高度h(也即切割磨料的平均粒徑減去磨料固結層的平均厚度)，切割過程中的線網線弓高度H和被加工工件的工作面長度I。從工作面的幾何構型得出，
【權利要求】
1.一種用于多線切割的異構固結磨料鋸線，其特征在于:(a)母線為截面圓形或近似圓形的金屬絲，直徑在0.05mm-0.50mm之間，所述母線為用于固定切割磨料的基底金屬絲；(b)母線表面規律性地覆蓋有用于固定切割磨料的磨料固結層，所述磨料固結層為金屬電鍍層和/或合金層；所述磨料固結層為環繞所述鋸線軸線的環狀、近似環狀或螺旋狀中的一種或幾種；(C)未覆蓋所述磨料固結層的部分為應力釋放間隙，所述應力釋放間隙的長度LI大于相鄰最長的磨料固結層長度L2的3%，所述應力釋放間隙長度LI和磨料固結層的長度L2均為沿母線軸線方向的長度。
2.如權利要求1所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:所述應力釋放間隙僅由母線構成，或者由母線和母線表面外加電鍍層和/或合金層構成，所述外加電鍍層和/或合金層的楊氏模量遠小于磨料固結層的楊氏模量。
3.如權利要求1或2所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:所述母線為表面自帶有鍍層的金屬絲。
4.如權利要求1或2所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:應力釋放間隙的長度
5.如權利要求1或2所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:所述磨料固結層的長度L2 <0.24* JT D，其中D為鋸線導輪的直徑，π為圓周率。
6.如權利要求1或2所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:所述磨料固結層的長度L2大于切割磨料平均粒徑的100倍。
7.如權利要求1或2所述的異構固結磨料鋸線，其特征在于:切割磨料顆粒在鋸線表面的平均分布密度低于70% ;所述平均分布密度為磨料平均粒徑除以相鄰切割磨料顆粒中心之間距離的平均值。
【文檔編號】B28D5/04GK203600446SQ201320735166
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】勵征 申請人:蒙特集團（香港）有限公司