高速線切割系統張力控制研究

賀敬良，杜開勛，王學軍

HE Jing-liang1, DU Kai-xun2, WANG Xue-jun3

（1. 北京信息科技大學，北京 100192；2. 吐哈油田銷售事業部，新疆 838202；3. 中國電子科技集團公司 第四十五研究所，北京 101601）

0 引言

多線切割技術是對半導體硬脆材料進行超薄、大批量和高精度切割加工的一種技術。主要用于將諸如單晶硅、多晶硅晶錠、砷化鎵和藍寶石等硬脆材料切割成超薄晶片，切片加工工藝要求為：高效率、低成本、窄切縫、無損傷和無環境污染[1]。近年來，隨著太陽能光伏產業的迅猛發展，對光伏發電用硅片的加工提出了更高的要求：一方面由于降低硅片制造成本的要求使得硅片不斷向大直徑和超薄厚度方向發展，另一方面又要求切割后的硅片具有極高的平面度和極小的表面粗糙度[2]，TTV值的波動要小。這將極大的提高硅片的加工難度，由于硅材料具有脆、硬的特點，直徑增大會造成硅片切割過程中的翹曲變形，加工精度不易保證。厚度減薄使得材料的利用率提高，但又更容易碎片，造成成片率降低。多線切割技術具有切割晶片表面質量高、切割效率高、節省材料和可進行大尺寸材料切割、方便后續加工等特點[3]，目前已經廣泛應用于硅材料的切割加工領域。硅片在切割過程中，由切割線帶動碳化硅微粉磨粒高速運動對硅材料進行磨削切割，因此，切割線在硅片切割加工中起著非常重要的作用。其中，切割線徑與切割損耗和硅片產出率密切相關。另外，在切割過程中切割線還需要恒張力控制，這是由于切割線張力波動范圍太大，容易造成硅片表面損傷甚至造成切割過程斷線，張力控制精度通常要求控制在±2N以內。同時，切割線恒張力控制技術更是切片成片率的關鍵所在，由于多線切割張力控制系統具有時變性、非線性及強擾動等特點[4～6]，因此對切割線張力控制系統進行研究，掌握多線切割過程中張力變化的特點和控制方法，對硅晶片的切割具有非常重要的意義。

1 多線切割張力分析

多線切割方式是采用游離磨削的切割方式，晶體在切割過程中將砂漿磨粒噴射在切割線上，通過很細的并具有一定張力的金屬鋼線的單向或者往復高速運動，帶動具有一定粘性的游離磨粒進入晶體加工區域，磨粒通過晶體和切割線之間的機械作用對切割晶體進行切割加工[7]。在加工過程中，磨粒的特性及作用對硅晶錠的切割質量和精度的影響不容忽視，但另一方面，由于磨粒是通過切割線帶入晶錠體的，切割線張力又會直接影響砂漿量，從而影響到硅晶錠的切割質量和精度。通常的切割線張力控制方式有如下兩種：

1.1 采用重錘方式的張力控制系統

采用重錘方式的張力控制機構如圖1所示。

圖1 采用重錘方式的張力控制系統示意圖

控制張力的重錘在上下限位之間運動，當張力變大時，隨著切割線的拉緊，重錘將快速向上運動，張力變小時，切割線會變得松弛，重錘會向下運動，設放線速度為V1，收線速度為V2，重錘的速度為V，則重錘的移動速度為：

假設切割線張力為F，重錘的質量為m，重力加速度為g，則其運動方程為：

由于摩擦等因素對系統影響較小，此運動方程忽略了摩擦因素的影響，方程可變換為：

當張力的變化使得重錘的運動超過上下限位時，線輪的卷繞速度將會加快，從而將張力控制在一定范圍內。由于在高速切割過程中，需要保持張力恒定，而上式中項決定張力波動大小，可通過減小重錘質量和重錘加速度解決，但實際上減小重錘質量并不可行，而重錘加速度的減小由于受控制系統精度的影響，也并不好實現，這種張力控制系統的實時性較差，對于實時性要求較低的場合是適應的，因此對于高速線切割張力系統的控制來說，采用重錘方式進行張力控制是有一定的局限性的[8,9]。

1.2 采用張力計的伺服控制系統

采用張力計構成的張力系統如圖2所示。

圖2 采用張力傳感器的張力控制系統示意圖

由圖2可知，在硅片切割過程中，由于收放線輪繞線直徑隨著供線量的不斷變化會引起切割線張力變化，同時切割線往復運動時驅動電機加減速的變化和切割晶體狀態變化，以及砂漿、晶體和切割線之間的摩擦力變化，均會使得切割線張力也實時變化。當切割線張力變化超過其張力負荷時，將會引起斷線，同時，切割線張力的劇烈突變也會引起斷線，斷線將引起晶片切割質量和精度的變化，嚴重時會引起切割晶體因無法繼續切割而報廢。

選擇高分辨率張力傳感器監測切割線張力變化并傳回運動控制單元，運動控制單元根據張力變化情況調整扭矩電機的扭矩來使張力調整到一定范圍內，這種張力控制系統可以對每一時刻張力的變化進行調整[10]。如圖3所示。

圖3 采用張力計的控制系統框圖

可見采用張力計實時監測張力變化的控制系統可降低切割線張力波動，系統的實時性大大提高。實際應用中，由于采用了張力傳感器，系統的控制環增加，同時，機械結構的設計中，由于要采取張力計的安裝、防護措施，避免進入砂漿而檢測不準，使得系統的不可靠因素增加，系統的控制難度也相應增加。

2 一種實用的張力控制系統分析

通過對影響多線切割張力變化的因素和張力調整機構的研究，建立如圖4所示無張力傳感器的張力控制系統。

因此，要記住這3種面包的配方，首先要記住法棍面包的配方，通常酵母和改良劑的用量是一定的，食鹽的用量在法棍面包中是2%左右，水的添加量主要看面粉的吸水率。在此基礎上添加一定比例的油、糖、蛋、乳制品可以制作出不同的面包品種，或者說很多面包品種的基礎面團配方都是在油、糖、蛋、乳制品上做比例的調整，并通過添加餡料，改變面包口味，進而變化出很多不同的面包品種。

圖4 張力控制系統示意圖

切割線張力控制方法是通過檢測張力臂扭矩電機轉角大小實時檢測切割線張力變化，并將檢測信號數據送入運動控制系統，其中，運動控制系統采用嵌入式控制器，該控制器實時性強，響應快，通過信號變換，控制張力臂電機扭矩來實時調整張力，其張力調整機構如圖5所示。

圖5 張力控制系統示意圖

當張力F變化時，可調整張力臂OA繞O點旋轉的角度來調整張力F大小，切割線張力變大時，張力F的作用會使調整導輪A點逆時針趨向B點運動，此時可適當減小電機扭矩，使A點向B點運動，以減小張力F，當切割線張力變小時，由于張力F的作用會使調整導輪A點順時針向B點相反的方向運動，此時可增加電機扭矩，以增加切割線張力，通過扭矩電機的頻繁調整，使切割線張力保持恒定。在張力調整過程中，可采用力矩平衡的方式，上圖中除了張力F產生力矩外，張力調整臂OA的重力也會產生力矩，假設電機調整扭矩為N，張力調整臂OA的質量為M，張力臂與X軸夾角為θ，忽略外力擾動產生的影響，則力矩平衡關系為：

式中：α為張力F與張力調整臂OA之間的夾角。

根據圖中的幾何關系及正弦定理可知：

由在OAB形成的三角幾何關系及余弦定理可知：

由此可見，張力F變化時可通過張力臂擺動角度檢測，調整電機扭矩N減小張力臂擺動角度，實現對張力波動的控制，實際工作過程中，由于系統加減速變化，繞動的沖擊、機械系統慣量等因素的變化，控制過程可適當調整。

3 多線切割張力控制試驗分析

實際切割晶體是采用直徑0.14mm鋼線，依據上面安裝方式計算，選擇17位編碼器的驅動電機，實際工作線速度最大為680mm/min，每個循環周期采用加減速方式控制，整個切割過程則采用雙向循環往復的切割方式進行切割，即正向加速、勻速、正向減速、反向加速、勻速、反向減速和正向加速，取其中一段張力檢測數據如圖6所示。

圖6 張力檢測數據（N/T）

從扭矩調整后的張力檢測結果可以看出，當設定張力為23N時，實際張力變化為20.6N-25.5N之間，變化范圍在±2.5N之間，但大多數數據在±2N之間，而超出±2N之外的幾個張力數據實際發生在驅動電機正反向變換之間。由實驗結果可以看出，對于采用雙向循環往復方式進行切割時，為了使切割線張力波動更小，可在每個循環中采用S曲線加減速并平滑加減速曲線，這樣控制精度將會進一步提高，另外，提高線輪的排線精度，進一步提高晶體切割的工藝性等問題，可進一步使張力控制精度保證在±2N之間。還可采用單向走線方式，這將不會存在頻繁加減速的情況，從而減少了切割線張力波動范圍，但同時也會增加切割線的消耗。

可見，此系統滿足了高速線切割系統張力控制的要求。

4 結論

采用檢測張力臂轉角位置的變化值檢測切割線張力變化并調整伺服電機扭矩對系統張力的變化進行調整，能夠準確地檢測張力變化并進行線切割系統張力控制，系統實時性強，響應速度快。可以看出，采用此方法進行多線切割張力系統的控制是可行的，不僅可以確保整個切割過程中的切割線張力恒定，還可降低控制系統的復雜性，使得控制可靠，簡潔，滿足高速線切割系統張力控制的要求。

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