金剛石線鋸技術問題探討①

談耀麟

(桂林礦產地質研究院,廣西桂林 541004)

金剛石線鋸技術問題探討①

談耀麟

(桂林礦產地質研究院,廣西桂林 541004)

探討金剛石線鋸的技術問題,包括母線的材質、規格、強度、連接方法和結構形式;金剛石磨料的粒度、某些物理特性以及金剛石磨料在母線上的電鍍固著方法和樹脂粘結法及其改進措施。文章還提出了有待探索研究的課題,包括復合固著法、母線精細噴砂處理、金剛石磨料表面織構化處理以及微水刀激光技術應用于晶片切割的可行性。

金剛石線鋸;母線技術要求;金剛石磨料;固著;噴砂;表面織構化;微水刀

自上世紀70年代末能源危機之后,作為重要而有效的可再生清潔能源。太陽能引起了全球的關注。到了上世紀90年代末,太陽能技術迅速發展,進入本世紀后,光伏產業年均增長40%。據報道,2010年傳統的歐洲光伏市場強勢復蘇,亞洲、美洲等新興光伏市場也因為政策的推動而大步邁進。我國光伏產業發展亦十分迅猛,規模與出貨量均位居世界前列,目前全球對太陽能光伏的研究與應用方興未艾。

太陽能光伏產業的發展核心在于硅晶片,硅晶片是光伏電池的關鍵元件,在總成本中占相當比重,因此在硅晶片的生產中應盡可能降低其成本。而降低硅晶片的生產成本主要在于減小晶片厚度、減少切縫損耗、提高產量,為此,先進的線切割技術至關重要。就當前技術而言,金剛石線鋸是發展趨勢。國際上許多制造廠商紛紛致力于金剛石線鋸的研制。現將金剛石線鋸的有關技術問題論述于下。

1 金剛石線鋸的母線

金剛石線鋸是把金剛石磨料固結到金屬母線上構成的。母線的材質、規格、強度與連接等技術要求對線鋸性能至關重要。

1.1 材質

金剛石線鋸工作時承受較大的拉力。通常母線需用高強度鋼絲制作,例如不銹鋼絲、鎢鉬合金絲、優質碳素結構鋼鋼絲或鋼琴線等。

鋼琴線一般采用彈性和韌性高的合金材料或不銹鋼鋼絲等制成,常用直徑范圍0.15mm～0.5mm,標準平均拉力為900N。采用鋼琴線制作金剛石線鋸比較便捷,強度和規格可滿足一般技術要求。但有不少金剛石線鋸生產廠家一直在尋求其它更理想的材料來制作母線。例如美國Kaser Technology West公司采用的Carpenter Stainless Steal Type 321是一種鈦穩化奧氏體鎳鉻不銹鋼;也有采用高強度珠光體高碳鋼的。有人認為母線最好采用碳素鋼,最低含碳量為0.70wt%,所制出的母線可達到較小的直徑而且可滿足強度要求。日本住友電工公司采用的是SWRS77A和SWRS 82A號鋼制作母線,它是一種優質碳素結構鋼。比利時Bekaert Group公司則采用冷板高碳鍍鋼線制作母線,可達到較高的強度。

1.2 規格

Kaser Technology West公司的研究認為,金剛石線鋸母線的直徑要小于0.58mm,最好在0.20至0.30mm之間。

從目前使用的金剛石線鋸來看,采用的母線直徑范圍是0.15～0.30mm、0.50mm和0.80mm。但從鋸切效率來看,特別是鋸切貴重的晶體材料如紅寶石等,要求母線的直徑當然是越小越好。就目前技術水平而言,拉制的高強度線材的直徑最小可達0.12mm,據稱比利時Bekaert Group公司已掌握超高抗拉強度線材的拉制技術,可生產出直徑小至0.10mm的線材。該公司目前生產的高強度冷板高碳鍍銅鋼線的技術規格見表1。

表1 Bekaert高強度鋼線技術規格Table 1 Specifications of the high strength steel wire made by Bekaert Group

國際上能生產工業用高強度優質碳素鋼線材的國家除比利時外還有日本住友電工公司。該公司采用直徑為1.0或1.2mm的鋼線為原材,經過20多道拉板工序與20多個天然金剛石拉絲模才能將直徑細化到0.160～0.177mm。每經過一道拉絲模的拉制,直徑縮小約0.05mm。成品用激光掃描測微儀檢測,觀察其表面是否有刮傷痕跡,直徑差控制在±1μm。

1.3 強度

美國LTW公司的研究認為,金剛石線鋸母線的強度至少在2070MPa或以上。

母線強度除了取決于本身材質還與熱處理工藝密切相關。Kaser Technology West公司研制的Superwire和Superlok金剛石線鋸的母線采用的是一種奧氏體鉻鎳不銹鋼,經熱處理后抗拉強度可達到276kg/mm2。其熱處理工藝為1750～1950F退火,水淬,再經過1550～1650F穩定化處理以消除內應力。

比利時Bekaert Group公司生產的冷板高碳鍍銅鋼線的強度如表2所列。

表2 Bekaert鋼線強度Table 2 The strength of steel wire made by Bekaert Group

日本住友電工的標準母線直徑為0.14～0.18mm,抗拉強度為2900～3200MPa。

有的公司采用最低含碳量為0.70wt%的碳素鋼制作母線,其不同直徑的抗拉強度見表3。

表3 碳素鋼母線強度Table 3 The strength of carbon steel wire

1.4 連接

金剛石線鋸有兩種:一種是單直線金剛石線鋸,裝在鋸床上作復位運動完成鋸切作用;一種是環形線金剛石線鋸,兩端頭尾相接成環形線,進行周而復始的連接循環鋸切。后者的傳統連接方法是將兩端頭做成斜面搭接在一起或做成鈍圓狀對接后進行熔焊。這種連接方法往往在焊接處產生脆性區,工作時容易裂斷。為了解決此問題,可將線兩端頭垂直切平對接進行精密電焊,去除焊渣后進行熱處理,加熱至1450～1550F,空氣中冷卻。

1.5 其它結構形式

金剛石線鋸的母線結構除了單線還有絞合線,單線截面形狀有圓形也有水滴形。

Suwake Hitoshi等人曾用兩根直徑為58μm的鋼琴線捻成雙股絞線制成外徑為150μm的金剛石線鋸。在鋸切硼硅酸耐熱玻璃的試驗中鋸切效率可提高2倍,使用壽命延長,切割面光潔度也有所提高。應指出的是,耐熱玻璃是硬度不算很高的脆性材料;絞合線的強度比單線的高,但其外徑增大了,勢必增加了鋸縫損耗;而且在鋸切過程中,線鋸張緊度不夠穩定。因此雙股絞合形式的母線是否適合于制造鋸切硅晶片等高硬脆材料的金剛石線鋸值得探討。

2 金剛石磨料的選擇

金剛石線鋸所采用的金剛石磨料為天然金剛石或人造金剛石。選用時主要考慮的是粒度。根據使用條件與制造工藝要求還應考慮其它物理特性。

2.1 粒度

金剛石線鋸切割各種硬脆材料薄片時,不但要盡量減少鋸縫損耗,還要確保薄片嚴格的質量要求,即厚度均勻、極少扭曲、表面損傷深度越小越好,因此金剛石線鋸選用的金剛石磨料粒度十分細小,一般可用粒度范圍是:2～4μm,4～8μm,10～15μm,20～30μm,30～40μm。為了降低成本,從鋸切效率考慮,金剛石磨料的粒度不可太細小。根據新鋸切材料的質地不同,金剛石線鋸新選用的金剛石磨料的粒度亦不同。例如鋸切單晶硅的金剛石線鋸通常選用10～20μm的金剛石磨料;鋸切硬度大于硅的藍寶石等則是選用30～40μm的金剛石磨粒。此外,母線直徑越小宜選用粒度較小的金剛石磨料以減小切削力,因為母線直徑越小可承受的拉力也越小。但是,金剛石磨料粒度越小則切削效率也越小,會影響鋸切效率。總之,金剛石磨料粒度的選擇應綜合考慮。

2.2 其它物理特性

對不同的使用條件應考慮金剛石磨料的其它物理特性,有些易裂碎的金剛石磨料更有利于鋸切效率的提高。一般人造金剛石的易碎性大于天然金剛石,而且價格也更低廉,所以比較適合于制造金剛石線鋸。

就制造工藝而言,電鍍金剛石線鋸選用的金剛石磨料應具有較好的導電性,或者采用鍍金屬衣的金剛石磨料如鍍鎳金剛石等。

3 金剛石磨料在母線上的固著方法

在一般金剛石工具制造中,將金剛石固著在基體上有多種方法,金剛石線鋸是一種特殊金剛石工具,金剛石作為磨料如何固著到細長的母線上?從技術的角度考慮,應對金剛石濃度嚴格控制,使金剛石磨料以單層形式均勻分布在母線表面;從生產角度考慮應有穩定的工藝流程,從使用角度考慮應對金剛石有足夠大的包持力。能夠滿足這些條件的固著方法目前可行的有兩種:一是樹脂粘結法;另一是電鍍固著法。

3.1 樹脂粘結法

樹脂粘結金剛石線鋸具有很多優點,而且生產成本較低,所以廣泛被采用。可選用的樹脂有苯酚甲醛樹脂、三聚氰胺酚甲醛樹脂、環氧胺樹脂、丙烯酸樹脂類等,而最常用的是酚醛樹脂即樹脂粘結型砂輪所用的樹脂。但在實際應用中的主要問題是所制成的金剛石線鋸強度低,易發生扭曲和裂斷。原因是在樹脂加熱固化過程中,容易引起作為母線的金屬線變脆。可在樹脂粘結劑中加入金屬粉末例如銅粉等,不但可提高強度,而且也提高了耐熱性和耐磨性,從而提高了鋸切效率。當然,何種類型的樹脂適宜加入何種金屬粉末,金屬粉末的配比及其目數等工藝問題都有待深入研究。

3.2 電鍍固著法

電鍍固著法的最大優點是對金剛石磨料的包持力比樹脂粘結法的大,線鋸能夠以較高的鋸切速度工作,為了進一步提高對金剛石的包持力,有的制造廠家采用鍍金屬衣的金剛石,即在金剛石表面以電鍍或化學鍍的方法鍍上一薄層金屬如鈦、鉻、銅或鎳等,最常用的是鎳。

在電鍍金剛石線鋸的制造過程中很重要的一點是,不但要保持金剛石磨料在母線上的均勻分布,還要控制好鍍層的應力以防止線鋸在工作中發生鍍層剝落。

目前電鍍金剛石線鋸因具有較高的鋸切速度和耐磨性,已得到用戶的普遍認可,但由于電鍍過程花費時間太長,制造成本高,為此,在本世紀初,日本三菱電氣和東京大學都在研究快速電鍍技術,其研究內容包括金剛石磨料的導電性、表面活性劑、毛氈刷的形狀以及金剛石磨料數量控制和保持線鋸外徑的均一性等。

4 有待探索研究的課題

4.1 復合固著法

固著磨料型線鋸除了用樹脂粘結或電鍍固著金剛石磨料之外,還有一種復合固著法,即以較硬金屬制成母線的芯線,外包一層較軟金屬,將金剛石磨料嵌入軟金屬層中,再用一層有機粘結劑增強對其包持力。換言之即將金剛石磨料顆粒的一部分嵌入軟金屬層中,一部分嵌入有機粘結劑中,受到雙重包持作用。芯線最好采用高強度珠光體高碳鋼拉制,外包層用硬度較低的低碳鐵素體鋼或者銅、錫、鋅、鋁、鎳的合金等金屬;有機粘結劑為熱固性高分子聚合物如酚醛樹脂、苯酚甲醛、三聚氰胺樹脂或丙烯酸樹脂類。這種復合固著磨料線鋸可望在太陽能和半導體工業中鋸切硅晶片或在鋸切貴重晶體材料方面獲得實在性進展。

4.2 母線精細噴砂處理技術

目前使用的固結磨料線鋸有樹脂粘結金剛石線鋸和電鍍金剛石線鋸。無論何種固著方式都存在進一步提高固著強度的問題。眾所周知,噴砂處理是對金屬表面進行清理凈化和使表面變粗糙的一種技術。若能夠采用特殊的精細噴砂處理技術對細長的金屬母線進行噴砂處理,可提高其表面粗糙度,從而有可能提高金剛石磨料在母線上的固著強度。

4.3 金剛石磨料表面織構化處理

表面織構化處理(Surface textured)即對材料表面進行高溫蒸汽侵蝕使其表面變得粗糙呈織物紋理狀。實驗證實,這種處理技術可用于微米級單晶金剛石和鋸片級金剛石,粒度從4～8μm到25/30目。金剛石經過表面織構化處理后提高了表面粗糙度,增大了表面面積。無論對樹脂粘結金剛石或電鍍金剛石都可增加粘結的有效面積同時提高表面粗糙度,從而提高粘結劑或電鍍層對它的包持力。此外,處理后的金剛石表面化學性質無改變,無石墨化現象,而且經過處理后消除了有裂紋和有危弱尖棱的金剛石顆粒,從而提高了整體金剛石磨料的抗壓碎強度,十分有利于樹脂粘結金剛石線鋸和電鍍金剛石線鋸性能的提高。

4.4 微水刀激光技術

藍寶石是優良的透波材料,廣泛用于國防、科研和各工業部門,可滿足多模式復合制導(電視、紅外成像、雷達等)的需求,軍事上用作紅外線裝置和高強度激光器的窗口材料,也是目前發藍光或白光二極管和藍光激光器的首選基片材料。鋸切此類不可再生的貴重硬脆材料很重要的一點就是盡可能減少切縫損耗以便充分利用原材料,降低元器件的生產成本。

目前線鋸切技術已廣泛應用于光伏電池行業中硅晶片的切割。為了大幅度降低光伏電池的生產成本,必須減少晶錠的鋸切損耗、減小晶片的厚度、提高晶片的鋸切效率。據預測,下一代超薄型晶片的厚度將從目前的200μm減薄到100μm或以下。而現有的線鋸切技術,無論是電鍍金剛石線鋸或樹脂粘結金剛石線鋸,由于其固著的局限性很難滿足要求。因此線鋸生產廠家一直在尋求最大程度減小線鋸鋸縫的途徑,甚至提出零鋸縫的概念——即無鋸縫切割技術。

在前沿科技領域中,微水刀激光切割技術已應用于堅硬材料的精加工。因此將它應用于硅晶片的切割,實現無鋸縫切割是有可能的。因為從理論上說,微水刀激光切割技術的特點與特性具備晶片切割的要求條件。其一,激光的能量足以切割高硬脆性材料;其二,微水刀的水射流呈圓柱狀,被導向的激光束是平行的,切割面可保持高度平行垂直;其三,微水刀激光切割的切縫寬度只有30～40μm,比現有線鋸的鋸縫小得多;其四,由于水射流的作用可避免被切割材料的熱損傷;其五,切割面有一薄層水膜覆蓋可避免切割過程中熔屑的沾污。

當然,科學技術要轉化為生產力,仍需科學試驗與生產實踐。

[1] US Patent 6065462.

[2] WIPO Patent Application Wo/2001/138129.

[3] www.bekaert.com

[4] Suwabe Hitoshi:Thin wire tool eleetrodeposited diamond grains and high-speed slieing system,Journal of the Japan Society for Abrasive Teehuology,2001,Vol45.No8.

[5] T.Enomoto.Y.Shimazaki,Y.Tani,M.Suzuki:Development of a resinoid diamoud wire containing metal powder for slieing a silicou iugot.

[6] Chiba Yosuaki et al.Development of high-speed electroplating method of a wire for slicing a silieon ingot.

[7] US Patent Application 20120017741.

Discussion on technology for fixed abrasive diamond wire saw

TAN Yao-lin
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,China)

Technology for fixed abrasive diamond wire saw including the material,size, strength,connection and structure of the core wire;particls size and some physical characteristics of the diamond abtasive,along with the electroplated fixation menthod and resinoid fixation method for diamond abrasives on the core wire and its improvement measures were discussed.The subjects that need to be discussed and studied including composite fixation method,fine sand blsting on core wire,surface texture of diamond abrasives and feasibility of the application of laser microjet in wafer slicing were suggested in this paper.

diamond wire saw;core wire specification;diamond abrasive;sand blasting; surface texture;laser mierojet

TQ164

A

1673-1433(2013)04-0045-04

2013-10-15

談耀麟(1936-),男,高級工程師,長期從事超硬材料科研和情報方面的工作。