环形金刚石线锯丝制造技术及锯切实验研究

论文摘要

集成电路（IC）多以单晶硅片为衬底材料,为降低单元制造成本,要求单晶硅片的直径也越来越大。切片是硅片制造的关键工序,对于直径大于300mm的单晶硅普遍采用往复式自由磨料线锯切片技术。往复式自由磨料线锯加工,其材料去除机理是研磨,加工效率较低,且不能切割硬度更高的碳化硅晶体、陶瓷等材料。本文提出环形树脂结合剂金刚石线锯切割这一新工艺,利用固结在线锯丝基体上的金刚石磨粒直接磨削去除材料,减轻加工面表层损伤,环形线锯丝单方向高速连续运动,大大提高切割速度和效率。可用于硅晶体切片及高硬度材料切割加工。具有切割精度高、制造成本低、对环境无污染等优点。本文设计制造了环形锯丝线锯床。该锯床使用环形金刚石线锯丝,可实现环形线锯丝单方向连续运动。线锯丝走丝变速范围是4.5-28m/s,满足切割不同材料的要求。根据锯切实验要求,可实现无级调速的伺服电机驱动和是恒进给力驱动的两种进给方式。利用外加力矩张紧线锯丝,张紧力可以定量调节,张紧力范围14.6-25.2N。通过装配时精密研磨轴承安装孔、配装调节轴承间隙等关键工艺,提高了锯床精度和刚度,大大降低了线锯丝振动振幅,提高了锯切表面面形精度。分析研究了304不锈钢丝（直径0.4mm）、304L不锈钢丝（直径0.3mm）、65Mn弹簧钢丝（直径0.3mm）以及SWPB钢琴丝（直径0.3mm）的力学性能。304不锈钢丝屈服拉力为140N;304L不锈钢丝的屈服拉力为45N;65Mn弹簧钢丝断裂拉力为131N,SWPB钢琴丝断裂拉力为104N。304L不锈钢丝的弹性变形较小,而SWPB钢琴丝含碳量高、焊接性能差。故选304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝作为环形线锯丝的基体材料。两种材料的弯曲疲劳寿命均达到1×106次以上。采用电阻对焊工艺,分别将304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝焊接成环状。304不锈钢丝焊接接头断裂拉力为110N,65Mn弹簧钢丝焊接接头的断裂拉力90N。304不锈钢焊缝区由细小的奥氏体和铁素体组成,具有较大的强度和韧性。因此,304不锈钢丝更适合作为环形线锯丝的基体材料。实验研究表明,304不锈钢丝和65Mn弹簧钢丝焊接接头的疲劳寿命均达到1×105次以上。在本文实验条件下,304不锈钢丝焊接接头的平均疲劳寿命约100分钟,65Mn弹簧钢丝平均疲劳寿命约50分钟。对树脂结合剂金刚石线锯丝制造工艺进行研究和优化。树脂结合剂金刚石线锯丝制造成分包括树脂、金刚石磨粒和粉粒添加剂等。树脂主要起粘接作用,将金刚石磨粒和线锯丝基体牢固地黏接在一起,金刚石磨料是切割工件的主体材料,分别选用了超细铜（Cu）粉、纳米氧化铝（Al2O3）粉、纳米二氧化锆（ZrO2）粉、纳米氮化钛（Ti（CN））粉作为树脂添加剂,研究了不同添加剂对结合剂耐磨性的影响规律,实验证明纳米二氧化锆（ZrO2）粉作为添加剂效果最好。实验研究了固化温度、固化时间对树脂结合剂强度的影响规律,随固化温度增高、保温时间延长,结合剂强度增大。根据锯切实验结果,用正交试验法对线锯丝制造成分的含量进行了优化,树脂结合剂中环氧树脂含量对结合剂的耐磨性影响最大。研究了锯切参数对锯切表面粗糙度的影响规律。线锯丝速度分别为4.5m/s,7.7m/s和11.8m/s,工件进给速度分别为0.033 mm/s,0.083 mm/s和0.140 mm/s三种,也采用了恒进给力驱动方式。线锯丝的张紧力分别为14.6N,19.9N和25.3N。实验揭示了线锯丝速度、进给速度、线锯丝与工件接触长度、线锯丝张紧力以及恒进给力驱动进给方式对锯切表面粗糙度的影响规律,并对实验结果进行分析。进行了不同线锯丝运动方式和不同结合剂锯丝的锯切比对实验。与往复运动锯切表面相比,环形线锯丝锯切表面切割纹理没有明显的方向性。与金属结合剂金刚石线锯锯切表面相比,树脂结合剂线锯丝锯切表面平整,无崩碎现象,并且凹坑及凸起处棱角圆滑。可见环形树脂结合剂线锯丝能获得质量更好的切片表面。树脂结合剂磨损和脱落是树脂结合剂线锯丝的微观失效原因。优化各种材料的含量、改善结合剂的固化工艺是提高树脂结合剂的强度的有效措施。分析了环形线锯丝的工作状况,建立了环形线锯丝最小预紧力数学模型。线锯丝最小预紧力与从动轮的摩擦力矩、导轮直径、线锯丝与导轮之间的摩擦系数、线锯丝包角以及线锯丝速度都有关系。导轮摩擦阻力越大,导轮直径越小,所需的预紧力就越大;线锯丝包角越小,所需的预紧力也越大。反之,所需预紧力减小。用实验方法测量实验设备轴承的摩擦力矩,据此计算出使用本线锯床时,线锯丝的最小张紧力为7.8N。建立了线锯丝上单个磨粒受力模型,在不考虑线锯丝弯曲变形的情况下推导出锯切力公式。锯切力与多种因素有关,本文应用实际测量的方法确定锯切力随线锯丝速度以及工件进给速度的变化规律。分析了线锯丝弯曲变形、线锯丝变形位移以及锯切力大小对线锯丝拉力增量的影响规律,拉力增量与切割区线锯丝弯曲曲率半径及线锯丝单位长度上法向力成正比:锯切力引起的增量还与线锯丝受力后相对原始位置的位移有关,位移增大,线锯丝拉力增量减小。虽然锯切力很小,但使线锯丝产生的拉力增量不可忽略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的与意义
• 1.2 硅晶体切片典型工艺
• 1.2.1 内圆切片机切片工艺
• 1.2.2 往复式自由磨料线锯切片工艺
• 1.3 固结磨料线锯切割技术研究
• 1.4 固结磨料线锯丝制造技术研究
• 1.4.1 金属结合剂线锯丝制造技术
• 1.4.2 树脂结合剂线锯丝制造技术
• 1.5 本研究领域存在的主要问题
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第2章 环形锯丝线锯床的研制
• 2.1 环形锯丝线锯床总体方案
• 2.2 环形锯丝线锯床的布局及工作原理
• 2.3 环形锯丝线锯床的模块化设计
• 2.3.1 主运动功能模块设计
• 2.3.2 进给运动功能模块设计
• 2.3.3 锯丝张紧机构模块设计
• 2.3.4 控制模块设计
• 2.4 锯床制造关键技术
• 2.4.1 锯床精度对切割精度的影响
• 2.4.2 加工及装配关键技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 环形线锯丝基体研制
• 3.1 环形线锯丝基体的基本要求与材料选择
• 3.1.1 基体的基本要求
• 3.1.2 基体材料的选择
• 3.2 线锯丝基体材料的力学性能实验
• 3.2.1 基体的拉伸实验
• 3.2.2 基体的弯曲疲劳实验
• 3.3 环形线锯丝基体的焊接性能研究
• 3.3.1 焊结原理及焊接设备
• 3.3.2 设备调节及焊接操作工艺
• 3.3.3 焊瘤缺陷及产生原因分析
• 3.3.4 304不锈钢丝焊接性及金相组织分析
• 3.3.5 焊接裂纹及分析
• 3.3.6 防止焊接热裂纹的措施
• 3.4 焊接接头的拉伸试验
• 3.5 锯丝基体焊接接头的疲劳性能实验
• 3.5.1 锯丝疲劳实验方案
• 3.5.2 疲劳实验载荷
• 3.5.3 锯丝疲劳实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 树脂结合剂线锯丝的制作及工艺优化
• 4.1 树脂结合剂涂层制作材料选择
• 4.1.1 树脂结合剂选择
• 4.1.2 磨料选择
• 4.1.3 添加剂选择
• 4.2 树脂结合剂线锯丝制作工艺
• 4.2.1 磨粒表面处理
• 4.2.2 树脂均匀混合
• 4.2.3 锯丝基体材料表面处理
• 4.2.4 树脂涂层固化工艺
• 4.3 树脂结合剂线锯丝的制作实例
• 4.3.1 线形长锯丝的制作
• 4.3.2 环形线锯丝的制作
• 4.4 树脂结合剂固化温度及固化时间研究
• 4.4.1 胶结件的拉伸试验
• 4.4.2 实验结果及分析
• 4.5 添加剂对线锯丝耐磨性的影响
• 4.5.1 线锯丝使用寿命检测实验
• 4.5.2 实验结果及分析
• 4.6 涂层混合物成分的正交试验优化
• 4.7 本章小结
• 第5章 环形金刚石线锯丝锯切实验研究
• 5.1 锯切表面粗糙度研究
• 5.1.1 锯切实验条件
• 5.1.2 锯切表面粗糙度
• 5.2 线锯丝不同运动方式的比对实验
• 5.2.1 实验设备及线锯丝
• 5.2.2 不同运动方式下锯切表面形貌
• 5.2.3 锯切表面粗糙度分析
• 5.2.4 不同运动方式下锯切效率比较
• 5.3 不同结合剂线锯丝锯切比对实验
• 5.4 树脂结合剂线锯丝微观失效分析
• 5.4.1 树脂结合剂的磨损
• 5.4.2 树脂结合剂脱落
• 5.5 本章小结
• 第6章 环形线锯丝锯切力分析
• 6.1 环形线锯丝工作状态分析
• 6.1.1 环形线锯丝最小预紧力确定
• 6.1.2 导轮轴承摩擦力矩的确定
• 6.1.3 环形线锯丝最小预紧力计算
• 6.2 锯切力数学模型的建立
• 6.3 锯切力的测量
• 6.3.1 锯切力的测量方案
• 6.3.2 锯切力的测量结果
• 6.4 锯切力对线锯丝拉力增量的影响
• 6.4.1 线锯丝弯曲变形的影响
• 6.4.2 线锯丝变形位移的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研情况
• 致谢
• 已发表（可发表）英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表