我國環形金剛石線鋸技術在創新中發展

鄭 超

(中國有色桂林礦產地質研究院,桂林 541004)

1 前言

我國的環形金剛石線鋸技術研究起步較晚，始于21世紀初，桂林國家特種礦物材料工程技術研究中心的科研人員參觀了上海斯泰克陶瓷公司，考察了該公司使用的三臺德國進口環形金剛石線切割機用于硼化鈦陶瓷材料切割生產之后，開始立項開展環形電鍍金剛石線的研究[1-4]，筆者亦開始設計研制立式環形金剛石線切割機。在此期間，山東大學，青島科技大學和桂林理工大學的碩士生，博士生在導師指導下，也在開展環形金剛石線制造工藝以及切割機理方面的研究試驗[5]。從切割各種硬脆材料的試驗效果表明環形金剛石線鋸的切割性能優勢明顯，線速度高達50～60m/s，切割效率高，多晶硅切片進給速度均在5mm/min以上，最高達30mm/min[6-8]。這是金剛石長線鋸所無法達到的。所以，它非常適合于多晶硅、單晶硅等硬脆材料多片切割以及其它工序的切割加工。如，可以替代現有的金剛石帶鋸截斷機對單晶硅或多晶硅進行截斷切割加工。目前，國內多家硅晶片生產企業已經用上環形金剛石線截斷機，158×158多晶硅截斷，每刀5分鐘，每根線平均壽命200刀，最多可切割400刀，可望近期內替代帶鋸機，以服務于光伏企業進一步提高晶片生產效率，降低成本。

據悉，十三五規劃期間，我國的藍寶石行業具有爆發性發展趨勢，由于下游應用市場持續高速成長，如LED襯底市場、軍用及民用光學窗口等需求增長以及新型手機屏幕等新應用的需求激增。可以預測藍寶石晶片在LED行業的發展和手機屏幕、半導體方面的運用，預計2016～2020年的總需求量,有望節節攀升，增幅翻番。國內各生產藍寶石的大企業均蠢蠢欲動，安排擴產計劃。藍寶石硬度9，屬于難加工材料，晶體越大越難加工。發揮環形線的性能優勢，克服短板，是解決藍寶石上游切割加工生產鏈的關鍵途徑[9]。其它諸如人工光電晶體、功能陶瓷、靶材的切割，市場需求也相當大[10]。目前，國內仍采用大量的金剛石帶鋸機切割，材料損耗大,切面不平整。

桂林特邦新材料公司的金剛石環形線和立式切割機最先于2015年在國內功能陶瓷行業推廣使用，并多次參加上海光伏展等有關展會。大尺寸KDP晶體是昂貴的國防軍工材料，由于其材質軟且脆，易潮解，是當前世界上公認的難加工材料。而目前使用的帶鋸切割方法，切口大，易破損，甚至在切割過程中經常產生炸裂，造成災難性的損失。金剛石線切割機和環形線，正是克服帶鋸難點的最佳方案，是解決KDP晶體切割攻關的一大創新。經大量切割KDP晶片生產證實，該方法切割力小，切縫窄，切割效率高，實現了對貴重脆性材料的低應力精密切割。實踐證明，環形金剛石線鋸最適合于切割軟脆敏感晶體材料。經過多年努力，國產環形金剛石線鋸技術日趨完善，正進入市場推廣階段，應用范圍也將更加廣泛。

2 光伏硅晶片切割工程市場潛力巨大

我國2020年太陽能光伏裝機目標從1億千瓦(100GW)上調到1.5億千瓦。因此，中國的光伏產量將迎來爆炸式增長。經過不懈努力，目前國產光伏設備在關鍵指標、性能等方面均已達到國際先進水平，國內光伏產品生產企業普遍采取國產設備和進口設備混搭的建線方案，而且國產設備在數量上已占多數。多數企業認識到了沒有國產設備的支撐，中國的光伏企業將喪失最主要的成本競爭優勢。與IC行業相比，光伏設備的技術要求略低一些，這也正是國內企業可大有作為的中低端設備領域。尤其是硅晶切割占據晶片生產成本50%以上，大量采用國產切割技術和設備是光伏企業降低生產成本的關鍵舉措。目前國產金剛石線和多片切割機己經在生產中獲得大量使用，而環形金剛石線鋸技術仍發展滯后。其實，除了多片切割以外，還有大量的切割工作量，如，切兩頭、截斷、拼刀、切厚片等工序使用的帶鋸切割，材料損耗大，若代之以環形線切割技術將帶來可觀的經濟效果。

(1)環形金剛石線截斷機取代帶鋸機

目前國內各大型光伏企業均擁有幾十臺帶鋸機用于晶錠，晶棒的截斷切割加工，帶鋸厚度最薄0.7mm，切縫>1.5mm，切面不平整。截斷數量多，造成極大浪費。而國外如韓國Disec公司推出的環形金剛石線截斷機用于15吋的單晶硅棒截斷或切片，頗受青睞[11]。見圖1所示。因此，國內青島測控中心等不少單位研制單長線截斷機和多工位截斷機以取代帶鋸機。而環形線截斷機由于結構簡單而具有更大的替代優勢。最近天瑞公司研制成功的PTM200環形線截斷機已經小批量推向光伏晶片加工市場，初顯切割效率高，操作簡單等優勢，受到客戶青睞，預計年內將獲得普遍推廣。見圖2所示。

目前，國內光伏單晶硅，多晶硅切割市場剛剛推廣各種金剛石長線的截斷機和多工位截斷機，如圖3、圖4所示。而環線PTM200機的出現，卻引起不小轟動。相比較而言，環線機優勢明顯，不但切割效率高，而且結構簡單，造價低，裝拆金剛石線簡便。筆者認為，兩者必有一場相當激烈的競爭，隨著環線機不斷地改進創新，克服短板，必將取得市場的認可和接受，獲得大批量推廣，為我國的光伏產業做貢獻。

圖2 天瑞公司PTM200截斷機Fig.2 The PTM200 cut-off machine of Tian Rui company 線速度：25-50m/s,給進速度：5-30mm/min,線徑：0.65,0.45mm, 周長：2670mm

圖3 晶盛公司DSW40S-ZJS截斷機，機器人在上料Fig.3 DSW40S-ZJS cutting machine from Crystal company, the feeding robot

(2)環形金剛石線開方機優于單線開方機

圖4 青島測控中心GXDW-30多工位截斷機Fig.4 GXDW-30 multiple stations cut-off machine of Qingdao Measurement and Control Center

圖5 上海日進公司單晶硅截斷機Fig.5 Mono-crystalline silicon cut-off machine of Shanghai NISSIN Machine

目前國內金剛石線開方機用量逐年增多，國產金剛石線供不應求，國產開方機也得到大量使用(其中，大量進口游離式開方機改造為金剛石線開方機)。而且，還出現幾款臥式單根單晶硅開方機，如重慶神工開方機和青島測控中心的開方機，其特點是工件不用粘結，機械手上下工件，切割后不必剪斷網線，相對于多工位立式開方機，生產效率高。見圖6所示。但是，比較而言，在環形線性能好的條件下(線徑0.4～0.6mm)，環線開方機更具優勢：

圖6 重慶神工KFD800-1單根開方機Fig.6 KFD800-1 single root cutting machine of Chongqing Shengong

①環線機輪系少，整體結構簡單，造價低，易于推廣；

②環線機裝線快捷，線距調整容易，斷線只換一根環線處理速度快，成本低；

③技術難度低，省去同步裝置系統，排線系統等復雜機構，操作簡單，容易維修。

④環線機線速度快，切割效率高，接近單線開方機的2倍。

(3)切割多晶硅數據充分顯示環形線的技術優勢

受青島隆盛公司委托，對多晶硅錠進行開方切片，從切割工藝參數和結果數據來看，充分顯示了環形金剛石線鋸技術的優勢。

①環形線規格：線徑0.65mm,周長4960mm,2670mm

②工藝參數：線速度28～31m/s，進給速度12～30mm/min，切割效率0.2～0.336m2/min

③切割效果：環形線切割機每5～6分鐘切1片，每米金剛石線平均切割面積0.912m2

環形線切割效率優勢明顯。見綜合比較表1：

表1 環形金剛石線與單長線切割效率比較表

綜上所述，環形金剛石線鋸技術的創新發展必將在我國光伏企業中獲得廣泛應用，開花結果。

3 藍寶石環形線切片開方機是降低加工成本的關鍵

十三五期間，藍寶石行業仍然具有爆發性的發展趨勢。但是，如何有效降低藍寶石蓋板切片的加工成本，是超硬材料工具企業亟待攻克的難關。如果性能優異的藍寶石能在合理成本下進行量產，未來的市場將不可估量。藍寶石在智能手機和可穿戴設備領域的應用，將引爆藍寶石的潛在需求，未來三年藍寶石產業有5倍以上成長空間。蘋果在iWatch 和iPhone 蓋板上采用藍寶石材料后，將占藍寶石總需求的80%。目前，LED襯底切割的多片切割機基本上解決了市場需求，只是擴產增加多片切割機訂單，提高晶片產量問題。表2是近期的藍寶石切片工藝參數。

表2 近期藍寶石切片工藝參數

由表中可知，金剛石單長線切割效率是非常低的，切割成本居高不下。最近，國內各媒體，網站充斥大量的對藍寶石手機蓋板未來市場的預測報告，但是，蓋板的開方切片的方法，并未解決。藍寶石作為玻璃的替代品，目前制造成本相當昂貴，若將藍寶石材料做成iPhone手機屏幕大小，成本將是康寧大猩猩玻璃的四倍以上，且該項技術在中大尺寸玻璃上難以實現，目前僅能用在小尺寸領域。 分析人士認為，此次蘋果新品在技術創新上低于預期，作為高端產品標桿的蘋果創新腳步進一步放緩，也顯示出高端智能手機的創新遭遇到了一定的瓶頸。專家預計，一旦開方切片問題解決，2016～2020年的蓋板使用數量將超過各家報告所說的市場預期，最大產量達到每年5000萬片以上。如此大的市場機遇，業內多家超硬材料公司覬覦己久，始終努力探索，也取得不少成績，正在努力攻關，希望在近期內有所突破。

(1)金剛石長線開方機和帶鋸機是當前市場主力

目前，國內有幾家企業生產藍寶石多線開方機和切片機，如，重慶源啟科技公司和重慶四和晶工公司合作生產了SDX300藍寶石開方機、SDX500藍寶石開方機、DX300藍寶石單線切機和QPD2530(6”)藍寶石切片機。見圖7、圖8所示。

圖7 SDX500藍寶石開方機Fig.7 SDX500 sapphire root machine

圖8 SDX300藍寶石開方機Fig.8 SDX300 sapphire root machine

現有長線開方機存在問題分析：

①長線機固有問題，輪系多，結構復雜，故障多，同步排線技術不成熟，生產效率低，造價高，故仍未在生產中大量推廣使用。

②標明的線速度20～25m/s，實際做不到，因此，影響切割效率，進給速度標明最高1.8mm/min，但實際估計在0.3～1mm/min之間。

③裝線，拆線相當麻煩，用0.25mm細線，壽命不長，晶體越大，適應性越差。

盡管如此，當前還沒有更好的設備，重慶四聯光電集團依靠它建造藍寶石基地，將形成1800萬片的年生產能力，屆時四聯集團僅僅是LED基地的年產值就將超過100億元。

(2)克服短板，發揮優勢，敢于競爭

環形金剛石線切割機，在試驗和使用中，充分顯示出設備構造簡單，切割效率高的優勢，尤其是在切割人工晶體方面更是得心應手，游刃有余。德國學者著文，闡述實驗結果，線速度越高，切割力越小，切面越平整。見圖9所示。但是，在切割硬度高的藍寶石時，卻暴露出環形線的短板。一是線徑不夠細；二是工作壽命短。因此，在設計開方機時遇到難題，必須有意增加線的周長，提高線的壽命，從而結構顯得龐大不緊湊。要提升競爭力，關鍵在于創新，切割機要發展也要不斷創新，克服短板，才能在競爭中立于不敗之地。

圖9 不同線速度與切割力關系圖Fig.9 Relationship between cutting speed and cutting force

①減少線徑，提高單位長度壽命是環形切割機研制的關鍵。

2.2.2 抑郁心理:患者本身對手術的了解相對較少,對術后的恢復也存在消極的心理,從而導致其整日處于悲觀、絕望的狀態,部分患者甚至出現了嚴重的失眠。

目前，常用的環形線徑是0.65mm，正在研制的還有0.4mm、0.3mm的，要把握環形線自身的特點，不能與長線比粗細，可以想象在有限長度內，線徑越小，則壽命越短。關鍵是要在工藝上做足功夫，提高環線的抗拉強度，提高單位長度的工作壽命。

②設計廻轉支架，讓晶體處于旋轉狀態中切割，變線接觸為點接觸，有利于提高切割效率，目標要達到2～3mm/min。

③盡可能延長環形線周長，保證每根環形線切完300mm×400mm晶體面積，因此，周長受限是環形線鋸的短板。

通過以上創新措施，使環形線鋸切割藍寶石的綜合指標優于長線鋸，以期獲得藍寶石切割市場認可。見圖10、圖11所示。

圖10 藍寶石在環形線立式機上切割試驗Fig.10 Cutting sapphire on the ring type vertical cutting machine

圖11 藍寶石在臥式機上切割試驗Fig.11 Cutting sapphire experiment on the horizontal machine

4 環形金剛石線鋸用于人工晶體切割大有作為,市場有待擴大

于2014年研制的懸臂式TXJ-1000環形金剛石線切割機己經成功地替換帶鋸機用于福建某研究所的大型KDP晶體激光材料的切割生產。經二年多切割生產證實，該設備配置的線鋸切割力小，切縫窄，不易崩裂，切割效率高，實現了對貴重脆性材料的低應力精密切割。這是我國第一臺自主創新研制的大型環形金剛石線切割機，為國防軍工做出了貢獻，意義重大。見圖12、圖13所示。

近年來，人工晶體越來越向高端發展，價值極其昂貴，切割加工過程十分精細，平穩，不但切縫要小，還不得出現微小裂紋。從事環形線切割技術的企業應創新研制更多的精密切割機以適應切割高端晶體材料的需要，重要的是要盡快尋找客戶，將產品推向市場，讓更多的人工晶體企業用上先進的精密環形金剛石線切割設備。

圖12 TXJ-1000環形金剛石線切割機Fig.12 TXJ-1000 ring diamond wire cutting machine

圖13 大型KDP晶體(600×600×600)在切割中Fig.13 Large KDP crystals (600×600×600)being cut

5 陶瓷靶材切割市場潛力大

靶材加工是個新興產業，由于智能手機、平板電腦等移動終端的流行，靶材市場需求量也非常之大。與環形線切割有關的主要是陶瓷靶材，上述提到的上海某公司10年前就引進三臺環形線切割機，用于切割氮化硼蒸發舟。2015年，天瑞公司為寧波某材料公司提供TLB350立式環形線切割機專門用于Zno靶材的切圓和對剖切片生產。最近又為北京有研公司的Mgo、Al2O3、鎢合金靶材進行切圓，切片試驗。見圖14、圖15所示。

圖14 TLB350立式環形線切割機Fig.14 TLB350 vertical ring line cutting machine

圖15 寧波ZnO靶材正在切圓Fig.15 The target of Ningbo ZnO being cut in circle

表3 不同切割方式切割ITO靶材切割效率

6 我國晶圓芯片切割加工也應有環線切割技術一席之地

2017年，我國晶圓芯片加工進入大規模發展的黃金時代，其上游的晶圓切割加工鏈中仍然為大量的金剛石帶鋸所占據。見圖16所示。望業內有識之士能預見，這是發展環線切割技術的又一個大商機，切莫錯失。目前晶圓直徑正向更大方向發展，從原來的8、10、12、15英寸甚至到了20英寸,越大越適合環線鋸切割，如圖17，某晶圓芯片公司的Φ350mm晶圓在環線立式機切片,效果十分滿意,其工藝參數為：

線速度38m/s,進給速度15～30mm/min,切割面精度0.02～0.05μm,片厚2～5mm。

圖16 有研的450mm晶圓在帶鋸上切兩頭Fig.16 450mm wafers being cut on both ends of the band saw in Grinm

圖17 350mm晶圓在環線立式機上切片Fig.17 350mm wafers being sliced on a loop vertical machine

7 結論

(1)環形金剛石線鋸切割技朮是我國超硬材料工具發展中的一朵奇葩，具有獨特的優勢，尤其適用于硬脆材料和敏感材料的精密切割。應用范圍廣泛，且規模大，涉及太陽能光伏晶片、晶圓芯片、藍寶石、人工晶體和陶瓷靶材等，市場前景無限,應引起業內人士關注，讓更多企業投入創新，創業。

(2)國內從事該項技術研究的單位甚少，這是一項需要投入更多創新的獨特技術，要獨辟蹊徑，有難度，也有短板，甚至也有風險。但闖過風險，就會有豐厚的回報。

(3)藍寶石在智能手機和可穿戴設備領域的應用，取決于切割晶片成本的降低，切片面積越大，環形金剛石線鋸的優勢越明顯，一旦成功，即可創造很大價值。

(4)環形金剛石線和設備要以市場為中心，緊密結合，相輔相成，這是企業賴以成功的創業法寶，是目前市場上的不可替代產品，具有定價能力，應予以極力保護。

(5)我國環形金剛石線鋸技術還要在不斷創新中發展，產品還有待市場驗證，我國超硬材料同行要加倍努力，砥礪前行，引領金剛石環形線鋸技術向更高端發展。