碳化硅用多線切割機張力控制系統技術研究

2021-12-02 01:26:28董同社毛善高段成龍

電子工業專用設備 2021年5期

董同社，毛善高，段成龍

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

碳化硅（SiC）是第三代半導體材料之一，它具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度快、熱導率高等特點，其特殊性能在許多領域得到廣泛應用。碳化硅襯底加工技術是器件制作的重要基礎，只有在成功的加工技術支持下，才能將碳化硅材料的性能發揮出來。然而，由于碳化硅晶體具有高硬度、高脆性、耐磨性好、化學性質極其穩定的特點，使得碳化硅晶片的切割加工非常困難，利用常規晶體材料的加工技術和工藝，無法獲得高質量的碳化硅晶片。

多線切割機是一種用于半導體材料及硬脆材料切割的設備，與傳統的內、外圓切片機相比，多線切割機具有生產效率高、材料損耗少的優點，同時，所加工的硅片具有彎曲度小、翹曲度小、表面損傷層淺及表面粗糙度值小等優點，是目前半導體材料加工的主流設備。但多線切割機也是一種復雜的設備，對控制系統的穩定性、可靠性及實時性都有很高的要求。

張力控制技術廣泛應用于材料加工、紡織、造紙及印刷等行業中，張力控制系統具有時變性、非線性及強擾動等特點，是工業自動化系統中常見的典型控制系統，也是多線切割機設計中的難點。其難點在于收、放線輪系統本身是一種高速的運動控制系統，張力的瞬間波動可造成整個線輪不可逆的破壞，因此必須時刻對鋼線張力進行高速檢測與精確控制，在收線以及放線的過程中線輪半徑在不斷的發生著變化，收線的線輪半徑在不斷的增大而放線的線輪半徑在不斷的減小，鋼線的速度也會根據生產過程中的要求進行調整，尤以升速和減速的瞬間對張力造成的波動較大，為一多輸入多輸出且系統參數不確定性較大的系統。因此張力控制系統要求考慮多種因素對其造成的影響并能以較快地抵抗擾動。而且收、放線輪系統的恒張力控制技術還具有重要的工程意義。在多線切割機材料加工過程中，若張力控制系統出現故障導致鋼線斷裂，會給用戶造成較大的經濟損失。張力控制技術也是確保多線切割機能夠穩定工作的一項關鍵技術，它涉及機電系統的技術細節，例如：控制算法、建模技術、濾波技術、補償技術、擾動控制技術等方面。

為了使多線切割機在切割過程中保持預先設定的恒張力，一般都采用張力控制，它是多線切割機的關鍵技術。線的布置和走向以及張力控制等決定著多線的切割效率和穩定性；準確控制恒定的張力值，減小張力波動既能保證切割過程中不斷線，又能提高切割材料的成品率。

在類似碳化硅這種超硬（莫氏硬度高達9.5）晶體的多線切割過程中，通常的切割方式是用鋼線帶動游離砂漿對材料進行磨削切割。通過大量的切割實驗驗證，采用擺動切割的方式進行切割具有切割效率高和切割面的質量好等優點。目前，從擺動方式上來看有兩種方法：一種是金剛線網的擺動，另一種是被切割材料的擺動。在國際上，線網擺動切割的設備代表廠商是日本的高鳥，其經典機型為MWS-612DD，料擺動切割的設備代表廠商是瑞士的梅耶博格，其經典機型為NTC SPI3000。分析證明，對線網擺動設備，當其擺動中心位于線網上方時，切割軌跡為圓弧形，線網與被切割材料能夠實現平滑接觸，因此切割過程中的接觸長度和接觸壓力等較為均等，再配合合理的工藝參數，其切割方式是最佳的，容易實現較高質量的切割。因此，本文以45所生產的TDQ-602型多線切割機為例，來探討其的張力控制技術。

1 張力控制系統的結構

如圖1所示，張力控制系統結構主要由切割進給機構、砂漿供給系統、切割擺動機構、主軸機構、收線（放線）張力機構、收線（放線）橫移架布線機構、收線（放線）自適應機構和收線（放線）輪等組成。

圖1 張力控制系統結構圖

2 張力控制系統工作過程

張力控制系統原理如圖2所示。首先，放線輥上纏有滿足切割要求的一定規格的鋼絲線，工作時，鋼絲線由放線輪釋放，經過橫移架布線系統，導向輪系移到放線端的張力臂處；然后再經過導向輪系導入2個切割加工主軸輥。進入加工主輥后，鋼絲線均勻地排布在刻有一定間隔的主輥（羅拉）槽內，整齊排列的鋼絲線組成了切割工作面；之后，鋼絲線又由導向輪系導出切割加工主輥（羅拉）組，經過收線端張力臂，最后再經過導向輪系進入收線輥。2個加工主輥（羅拉）由一個電機通過三角皮帶帶動，整體主軸網線組在電機驅動同步齒形帶的帶動下邊擺動邊切割。與此同時，切削液供給系統源源不斷地提供一定黏度的切削液在鋼絲網上形成液膜，最終實現對材料的均勻切割。

圖2 張力控制系統原理圖

切割主輥（羅拉）擺動機械結構組成如圖3所示，圖3中只畫出放線輪部分，收線輪與放線輪結構對稱，下文分析放線輪（收線輪是放線輪的逆過程）。主動輪通過皮帶帶動3個加工軸輥做高速往返運動，同時擺動軸繞其中心做搖擺運動。

圖3 切割主軸擺動機械結構原理示意圖

張力控制的非線性主要是兩個方面：第一，擺動機構處于工作狀態時，放線輪的半徑會逐漸變小，主動輪的半徑由于主輥（羅拉）損耗也會變小；在放線過程中電機自身參數會發生變化，由于轉動慣量的變小會引起的電機固有加速時間變小、半徑變化導致的電機線速度與角速度之間關系的變更，這種變化為內部非線性；第二，搖擺軸做擺動運動時會引起鋼絲線時松時緊，觀察張力擺杠會發現其劇烈抖動，從而可能斷線，這種變化為外部非線性擾動。

另外，還有高速往返運動中換向瞬間的間隙和粘滯摩擦系數變化，以及金屬線彈性形變等非線性誤差使得擺動機的張力控制系統是一個非線性、強耦合、時變系統。

3 張力控制系統原理及分析

張力控制系統總體框圖如圖4所示，控制方案實施前要正確分析多線切割的工藝過程，建立控制系統的理論模型，這樣既能夠從理論上深入分析整個系統，找出最優方案；而且能夠縮短后續工藝實驗周期，降低成本，提高效率。

圖4 張力控制系統總體框圖

張力臂結構原理如圖5所示。

由圖5可得：

圖5 張力臂結構原理圖

式（1）中：V3為張力臂的線速度；L為張力臂長；ω3為張力臂的角速度；V1為加工主輥（羅拉）電機的線速度；V2為線輪的線速度。

忽略摩擦力，當張力臂轉過微小角度?時，可得張力臂運動學力矩平衡方程：

式（2）中：T為鋼絲線的張力；J為張力臂的轉動慣量；G為張力臂重力；?為張力臂轉動的角度；M為氣缸相對于回轉軸中心的轉矩。式（2）變形后可得：

由式（3）可知，工作時氣缸恒壓控制，張力臂質量、臂長及轉動慣量一旦優化設計后不再改變，只有轉角?變化與張力T大小密切相關。

又由：

式（4）中：R1為加工主輥半徑，ω1為加工主輥（羅拉）的角速度；

式（5）中：R2為放線輪半徑，ω2為放線輪的角速度。

將式（4）、式（5）代入式（1）中變形可得：

式（6）表明，張力臂角速度ω3是放線輪與加工主輥（羅拉）的速度同步跟隨誤差，式（8）表明，張力臂角位移?反映的是放線輪與加工主輥（羅拉）在整個走線過程中速度同步跟隨誤差的積分，即速度同步跟隨的累積誤差[1，2]。

因此，通過在張力臂的轉動軸上安裝編碼器反饋角位移的變化量，進一步控制放線輪的電機轉速，保證放線輪與加工主輥（羅拉）的速度同步跟隨控制。具體過程為：當編碼器反饋的角位移值大于零時，表明放線輪的線速度慢于加工主輥的線速度，因此需要放線輪電機加速來減小速度差，使張力臂回到平衡位置；當編碼器反饋的角位移值小于零時，表明放線輪的線速度快于加工主輥（羅拉）的線速度，因此需要放線輪電機減速來減小速度差，使張力臂回到平衡位置。

圖6為多線切割機控制系統運動學模型，由于在放線的過程中，放線輪的直徑實時變化，所以，放線輪線速度V2與反饋的角位移?需要用PID控制器表達二者之間的函數關系，從而保證放線輪與加工主輥（羅拉）之間的速度同步控制。