（机械制造及其自动化专业论文）多丝切割技术及其张力控制的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 多丝切割是种新兴的硅片切片加工方法，近年来多丝切割已经逐渐取代内 圆切割成为硅片切片加工的主流。本文针对多丝切割机设计和应用中的若干关键 技术进行了研究。 本文在归纳了多丝切割技术的基本特点后，总结分析了研磨粒的“滚一刻” 加工机理和在研磨液不同“弹性一液动”环境下各种工艺因素对于加工效率以及 对金属丝振动振幅的影响。 在多丝切割加工中，金属丝的张力是影响加工的重要因素，本文提出采用张 力控制电机方式实现走丝系统速度差张力控制的新方法，并使用模糊p i d 控制 方法解决了丝辊电机由于卷径变化导致的变参数问题。仿真试验验证了该方法可 以满足走丝系统张力控制的高精度、高响应速度、对参数变化的鲁棒性好的控制 要求。 由于现有的多丝切割理论尚未成熟，切割时诸多工艺参数的确定比较困难。 为了指导实际生产，本文提出了使用人工神经网络理论解决多丝切割工艺建模问 题，并使用训l 练样本对工艺模型进行训练，验证数据表明了该方法的有效性。 目前我国在硅片多丝切割技术方面的研究尚处于初级阶段，本文的研究工作 对多丝切割机的设计、调试和运行提供了一定的理论依据，具有实际应用价值。 关键词：多丝切割加工机理张力控制模糊p d 控制神经网络建模 v 上海太学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i w i r es l i c i n gi san o v e lm e t h o di nt h ef i e l do fw a f e rs l i c i n g ；r e c e n t l y m u l t i w i r es a wh a sg r a d u a l l yr e p l a c e dt h em e t h o do fi ds a w , a n db e c o m et h e p r e v a i l i n ge q u i p m e n ti nt h i sd o m a i n s o m ek e yt e c h n i q u e sa sc o n c e r n i n gd e s i g na n d a p p l i c a t i o no fm u l t i w i r es a w a r er e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef u n d a m e n t a lf e a t u r e so fm u l t i w i r es l i c i n gm e t h o da r ei n d u c e d ，t h e “r o l l i n g i n d e n t i o n ”m e c h a n i s mo ft h ea b r a s i v ea n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si n f l u e n c e o i lm a t e r i a lr e m o v er a t eu n d e rd i f f e r e n t “e l a s t o h y d r o d y n a m i c s l u r r ye n v i r o n m e n t a r eg e n e r a l i z e d i nt h ep r o c e s so fs l i c i n g ，t h et e n s i o no fw i r ei st h ev i t a lf a c t o rt h a tc a nh a v e i m p a c to nt h ep r o c e s s i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wm e t h o do ft e n s i o nc o n t r o li s p r o p o s e dw h i c hi sb a s e do nt h et e n s i o n c o n t r o l l i n gm o t o ra n ds p e e dd i s c r e p a n c y t h e o r y f u z z y - p i dm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o ls y s t e mt os o l v et h ev a r i a b l e p a r a m e t e rp r o b l e ma r o u s e db yt h ec h a n g eo fr o l l sd i a m e t e ri nt h ep r o c e s s i n g i ti s v e r i f i e db ys i m u l a t i o nt h a tt h en e wm e t h o dh a v eh i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e s p o n s es p e e d a n dg o o dr o b u s tt ot h ec h a n g e a b l ep a r a m e t e r s ，w h i c ha r ee s s e n t i a lt ot h et e n s i o n c o n t r o l l i n go f t h em u l t i w i r es a w c o n s i d e r i n gt h ee x i s t i n gt h e o r yo fm u l t i w i r es l i c i n ga r ei m m a t u r et od i r e c tt h e p r o d u c t i o no fw a f e r , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wm e t h o dt h a te m p l o y i n gt h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ki nt h ep r o c e s s i n gm o d e l i n gi ss u g g e s t e d s o m es a m p l e sa r eu s e dt o t r a i nt h em o d e l t h er e s u l ta p p r o v et h a tt h em e t h o dc a l le f f e c t i v e l ys o l v et h em o d e l i n g p r o b l e m a tp r e s e n t ，c h i n a sr e s e a r c hi nw a f e rm u l t i w i r es a w i n gi ss t i l li ni t su n d e r w a y p h a s e t h er e s e a r c h i n gr e s u l t o ft h i st h e s i s p r o v i d e ss o m et h e o r e t i cb a s e st o m u l t i w i r es a w sd e s i g n ，d e b u g g i n ga n do p e r a t i o n a n dh a v ep r a f i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m u l t i w i r es l i c i n gp r o c e s s i n gm e c h a n i s m t e n s i o nc o n t r o l f u z z y p i dc o n t r o l a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sm o d e l i n g v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：兰生! i ! ! 上海大学顺士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 硅片切割是电子工业主要原材料硅片( 晶圆) 生产的上游关键技术，直 接影响到整个产业链后续生产的规模和质量。在电子工业中，对硅片的需求主要 表现在太阳能光伏发电和集成电路等半导体产业上。 光伏发电是利用半导体材料光生伏打效应原理直接将太阳辐射能转换为 电能的技术。随着人们环保意识的增强，各发达国家高度重视充分利用太阳能这 种绿色能源，相继制订了一系列鼓励产业发展和应用的优惠政策和庞大的应用计 划，美国总统克林顿1997 年6 月26 日在联合国环境与发展特别会议上宣布 了百万太阳能屋顶计划，日本、德国、意大利等发达国家也同样都制订和宣布了 类似的计划。印度是第三世界推广太阳能的排头兵，也已制订了鼓励开发和生产 太阳能电池的政策和在全国推广150 万套太阳能屋顶计划。在我国，大力发展 太阳能电池的呼声也越来越高，国家己经出台鼓励太阳能电池发展及应用的一系 列政策，部分省、市和企业也相应制订了大规模发展太阳能电池的计划。 据统计世界硅太阳能电池产量的增长率多年来都在30 以上，20 00 、 20 01 年的增长速度更是超过了4o ，其中20 01 年总产量接近400 m w 。到上世纪末，全世界累计装机容量达到13 0 0 m w 。预计到2 0 5 0 年将再增 加5 0 倍，达到世界发电总量的1 0 一2 0 ，成为人类基本能源之一。晶体硅片是 制作光伏太阳能电池的主要材料，每生产1 m w 的太阳能电池组件需要1 7 吨左 右的硅片材料。显然太阳能电池的迅速发展需要充足的硅片材料供应来支撑。 除太阳能电池外，硅片的巨大需求同样表现在集成电路等半导体产业上，半 导体产业是人类技术进步和应用发展的关键产业，它影响到几乎每种工业品、 消费品的发展以及人类生活的方方面面，现代科技发展和技术进步很大程度上得 益与半导体产业的发展。 单晶硅片是半导体器件生产的关键性基材，其生产规模和质量直接反映了 个国家半导体工业的水平。以我国为例，2 0 0 4 年中国的集成电路制造业实现 了超高速增长，在下游市场的拉动下，2 0 0 4 年单晶硅片的市场需求量达到了 上海大学颂十学位论文 6 8 1 9 8 3 万平方英寸，实现了1 3 3 5 的增长 6 7 】。但国内的硅片生产工业化程度低， 生产规模小、产量少、直径小、品种单一，远远无法满足市场的需求，还需要大 量从国外进口。近几年国内每年进口4 、5 英寸单晶硅片约6 0 万片( 折合单晶硅 1 0 吨) ，花费外汇9 0 0 万美元。 图1 一l2 0 0 0 2 0 0 4 年中国半导体行业抛光硅片市场需求情况 从国际上看，半导体硅材料市场发展也呈上升趋势，目前半导体芯片产品 仍将由电脑和通讯产品主导，其中p c 用半导体芯片需求占2 9 、通讯产品占2 4 、 消费性电子产品占1 3 。进入2 l 世纪，半导体市场预计仍将以2 位数的增长速 度增加，2 0 0 0 - - 2 0 0 2 年，世界半导体销售额及硅片需求量分别为1 7 2 2 5 3 、 1 9 9l 4 6 、2 3 3 4 8 6 亿美元和4 5 1 、4 9 6 、5 4 6 亿平方英寸，从而导致了半导体 硅材料供应的巨大缺口。就在2 0 0 4 年，即使美国的英特尔( i n t e l ) 、i b m 、微软 等这样的以硅片为原材料的知名大公司也时常发生缺货现象。 硅片加工工艺流程一般经过晶体生长、切断、外径滚磨、平边、切片、倒 角、研磨、腐蚀、抛光、清洗、包装等阶段。近年来集成电路等半导体技术的超 常规发展给硅片的加工提出了更高的要求：一方面为了降低制造成本，要求硅片 直径越来越大，其直径发展趋势如图1 2 ；另一方面，为了提高芯片的集成度， 硅片的刻线越来越细，就要求硅片有极高的平面度和极小的表面粗糙度。按照美 国半导体工业协会( s i a ) 提出的微电子技术发展构图，到2 0 0 8 年将开始使用 直径4 5 0i n l i l 的硅片，实现特征线宽0 0 7 o n ，硅片表面总厚度变化( t t v ) 要求小 于0 2 a n ，硅片表面局部平整度( s f q d ) 要求为设计线宽的2 3 ，硅片表面粗糙度 要求达到纳米和亚纳米级。另外，为了满足集成电路芯片封装的要求、提高集成 上海大学硕士学位论文 电路尤其是功率型集成电路的可靠性、散热能力、降低热阻，还要求芯片厚度薄 型化【2 ”。 图1 2 硅片直径的发展趋势 在硅片的生产流程中切片加工是一个关键，其加工效率和加工质量直接关系 到整个硅片生产的全局。由于硅材料具有脆、硬等特点，无法用锯床等传统的切 割方法切割，以往把硅碇切割成较薄的硅片一般使用内圆锯切割方法，但内圆锯 切割加工效率低，加工成本高，加工出的硅片质量差，无法加工2 0 0 r a m 以上的 大中直径硅片，从而严重制约了太阳能光伏发电和半导体行业的迅速发展。 硅片多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切片技术。它通过金属丝 带动s i c 研磨料对硅碇进行研磨加工来切割硅片。和内圆切割相比，多丝切割具 有切割效率高、材料损耗小、成本降低、硅片质量高、方便后续加工等特点。表 1 1 为多丝切害4 与内圆切害0 的比较口o 】f 2 扪。 d i a m o n d c u l l e r ( a ) 为内圆切割( b ) 为多丝切割 图l 一3 多丝切割与内圆切割原理示意图 鉴于以上比较，多丝切割已经逐渐取代传统内圆切割成为目前硅片切片加 工的主要切割方式，国外企业基本都已换装多丝切割机进行硅片切片加工。 上海大学硕士学位论文 特点多丝切割内圆切割 切割方法研磨磨削 硅片表面特征丝痕断裂& 碎片 破坏深度( a n ) 5 1 52 0 - 一3 0 生产效率( c m2 h r )1 1 0 一2 0 0l o 一3 0 每次加工硅片数2 0 0 4 0 0l 刀损( p r n ) 1 8 伊一2 1 0 3 0 0 一5 0 0 硅片最小厚度( a n ) 2 0 03 5 0 加工硅碇直径( r a m )3 0 0 以上最大2 0 0 表l 一1 内圆切割和多丝切割的对比 由于我国目前还不能生产具有自主知识产权的多丝切割机，国内企业只能 高价从国外引进。但是随着对硅片直径、厚度以及加工质量方面要求的不断提高， 需要对切割工艺不断进行变革，而每次较大的变革( 例如硅片直径从2 0 0 r a m 增 加到3 0 0 m m ) 都不会再是对加工设备和工艺的简单放大，而是质的变化【2 7 l 。如 果一味引进国外的加工设备和工艺而不重视自主开发，不仅花费巨额外汇，而且 由于核心技术始终被国外牢牢掌握，将使我国光伏发电和半导体产业的自主发展 遇到极大的障碍和桎梏。 因此研制和生产具有我国自主知识产权的“多丝切割机”不仅能填补国内空 白、赶超国际先进水平，还在自主掌握硅片生产的核心技术方面有重要意义，其 市场也必将伴随光伏发电和半导体产业的发展显示良好前景。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外著名半导体研发公司s e m a t e c h 预测【6 8 1 ，未来半导体行业的生产将基于 1 2 英寸的硅片来进行，而切片加工是整个硅片生产流程现有工艺中唯一需要升 级的技术。鉴于多丝切割在硅片生产中的重要作用，许多发达国家都把发展自己 多丝切割技术研究做为重点。例如在美国，多丝切割技术的研究被列为了n s f t 海大学硕上学位论文 ( 美国国家自然科学基金) 和d o e ( 能源部) 基金资助项目。 目前，多丝切割技术研究的主要成果出自目本和欧美。德国弗莱堡大学的 m jl l e r 教授对多丝切割的加工机理做了深入分析，得出了基于试验的“滚一刻” 加工模型。瑞士h c t 公司的r m n a s c h 和c h a u s e r 研究了研磨液重复利用技术。日 本学者h i t o s h is u w a b e ，k e n i c h ii s h i k a w a , a k i h i s ak i t a j i m a 等人研究了研磨液的 冲刷作用对切割加工的影响。日本学者j u ns u g a w a r a ，h i r o s h ih a r a ，a k i r a m i z o g u c h i ，台湾学者郑嘉葳，左培伦等人试验研究了利用固定磨粒减少刀损的 方法。新加坡学者t w n g ，r n a l l a t h a m b y 对基于光学检测的硅碇夹紧系统研制 做了有益的尝试。 美国纽约州立大学斯东尼布鲁克分校的i m i n k a o 教授以及m i l i n db h a g a v a t ， s o n g b i nw e i ，l i q u nz h u 等人在n s f 和d o e 的资助下对多丝切割技术做了系统研 究，主要集中在以下部分： 1 ) 多丝切割加工的“滚一刻”模型建模 2 ) 利用流体力学对研磨液于高速运行金属丝的影响进行分析 3 ) 金属丝振动和扭转对于刀损的影晌 4 ) 加工过程的弹塑性建模 5 ) 莫尔条纹塔尔波特效应在硅片表面测量的应用 6 ) 加工中硅片断裂机理建模 7 ) 研磨加工过程的有限元分析 8 ) 基于光测弹性学的硅片表面应力分析 9 ) 加工过程中金属丝的刚度控制 通过近十年的研究，他们取得了许多重要研究成果，发表了许多极有参考价 值的文献，为多丝切割技术的进步做出了重大贡献。 上述研究都侧重于加工机理方面，对设备制造以及生产中的实际问题如张力 控制阻及工艺参数的具体制定可查阅到的文献极少。 1 2 2 国内研究概况 与国外研究的方兴未艾相比，出于种种原因，国内鲜有这方面的类似科研项 目。近几年在国家政策的引导下，有关部门和许多省市政府和科研机构相继立项 上海大学硕士学位论文 研究大直径硅片切割加工关键技术的机理、实现方法以及相关的工艺与装备。 河北省信息产业厅将硅片多线切割设备的开发与产业化列为2 0 0 5 年度电子 信息产业发展基金项目。江苏省科技厅下发的通知关于组织申报2 0 0 5 年度省 社会发展自然科学基金项目及省国际合作项目中，其中之一就是大直径硅片切 割加工关键技术基础研究。 由于技术的复杂性，以及长期倾向于引进而不重视基础研究的传统，到目前 为止，国内只有兰州瑞德实业集团有限公司( 原兰州新集团) 有类似的简易产品 x 0 7 1 5 0 1 型多线切割机投入试制。除此以外国内并无其他科研机构或者企业从 事类似研究。 从可查阅到的国内相关文献看，尽管有不少是关于平面研磨工艺和普通卷取 张力控制研究，但没有专门针对多丝切割加工特点进行相关分析的，多丝切割工 艺的特殊性也决定了不能把上述技术简单移植到多丝切割中。 可见，对于多丝切割技术领域的研究，国内还是块处女地，值得我们去做 进一步开发。 1 3 课题来源与论文主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于上海日进机床制造有限公司，该公司成立于1 9 9 5 年，是一家 致力于设计制造各类高精度电子材料加工专用设备的高新技术企业，现有产品种 类己达数十种，适用于光学玻璃、电子陶瓷、压电晶体、磁性材料等行业。鉴于 多丝切割机的广阔发展前景，早在2 0 0 3 年公司就开始关注多丝多丝切割机，并 对其研发、生产做了市场调研和可行性分析。 为了更好掌握多丝切割技术的加工机理以及其他关键技术，以指导整机的设 计和试制，为整个产品的设计和进步升级打下坚实的理论基础，上海日进机床 有限公司邀请上海大学机械与自动化学院一起参与该项目的研究工作，目标是研 制出达到当前国外先进水平的多丝切割机。其中上海大学负责切割加工机理、走 丝系统张力控制方法、金属丝的振动控制和预防、加工工艺建模和参数优化等科 研课题。力图通过这些研究工作填补我国在本领域研究工作的空白，进而为整个 上海大学硕上学位论文 机床的设计试制奠定理论基础。 1 3 2 论文主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题为基础，主要工作包括以下内容： 1 ) 详细介绍多丝切割加工技术，重点讨论其“滚一刻”加工机理和在不同研磨 液厚度情况下各种工艺因素以及研磨粒形状对于加工效率的影响，同时分析影响 金属丝振动振幅的各种因素。 2 ) 分析各种张力控制方法的优缺点，设计多丝切割机走丝系统的结构并分析其 对张力控制的特殊要求，设计基于张力控制电机的张力控制方法。 3 ) 设计走丝系统中各电机的控制策略，重点设计收放丝辊电机的模糊p i d 控 制方法，并通过对其进行仿真验证该张力控制方法对于多丝切割加工的可行性和 模糊p i d 控制相对于普通p i d 控制的优越性。 4 ) 将b p 神经网络的逼近功能应用到多丝切割工艺建模中，通过验证证明该方 法建模结果的正确性。 e 海大学硕士学位论文 第二章多丝切割技术及其加工机理 2 1 硅片的多丝切割加工技术 l 一加工撬2 一研磨剂喷嘴3 一硅骧4 一工作台5 一金属丝p 图2 1 硅片的多丝切割方法 多丝切割是目前把硅碇切割成硅片的主流方法，其加工原理如图2 l 所示， 在加工区域有呈三角形分布的三个加工辊( 也可是双辊，四辊结构，视加工工件 尺寸而定) ，辊上平行刻有具有一定深度的沟槽，金属丝缠绕在这些沟槽上形成 了由4 0 0 一7 0 0 根平行金属丝构成的金属丝网，沟槽保证了加工过程中金属丝始 终保持平行不会跑偏。三个加工辊通过同步带相连，由同一个电机拖动，电机运 行时，缠绕在加工辊上的金属丝就会按照设定速度做单方向或往复水平运动。一 般来讲，金属丝单方向运动加工出硅片的表面质量较差，可用作太阳能光伏电池 材料，金属丝往复运动加工出的硅片表面质量较高，可以用作半导体行业的基材。 待加工的硅碇用胶水粘在工作台上，放置在金属丝网的下方。加工开始时 硅碇随工作台一起向上缓慢移动直至接触到金属丝网，硅碇使金属丝网形成一定 弧度以使金属丝网对硅碇保持一定压力，如图2 3 所示。浆液喷嘴向运动中的 金属丝网喷射研磨液形成研磨液膜，通过金属丝网带入加工区域进行研磨加工， 如图2 2 所示。 在研磨加工作用下，硅碇材料慢慢被去除掉，金属丝逐渐切入到硅碇。在 金属丝网下面设鼍一个传感器，如图2 3 所示，用来测量金属丝网向上弯曲变 形的程度，当检测到金属丝变形小于设定值时，工作台带动硅碇向上移动，使金 属丝网始终对硅碇保持一定压力，以保证研磨过程始终发生。 海大学坝士学位论文 图2 2 研磨液膜 图2 3 加工时金属丝和硅碇的相对位置 总的来讲，多丝切割加工的目标是使用较少的研磨液以减少加工成本，达 到较高的材料移除率( 即加工速度) 、较好的硅片质量以及较少的切削损失。 已有实际生产经验表明多丝切割研磨加工的品质取决于诸多因素，例如：金 属丝速度，金属丝振动，金属丝张力，研磨液中的硅切屑比例，研磨液的粘度， 研磨颗粒的形状和尺寸分布等。 研磨液由切削油和悬浮在其中s i c 研磨粒组成，其主要作用如下：1 ) 携 带研磨粒进入加工区域；2 ) 冲洗硅碇和金属丝的切屑和残留物；3 ) 带走研磨加 工产生的热量。研磨液韵成本约占整个加工成本的2 5 一3 5 ，使用的s i c 颗 粒平均直径一般为5 3 0 , o n ，约占整个研磨液体积的3 0 - - 6 0 。一般情况下 只有很少一部分的研磨液能被带入加工区域参与加工，被带入量的多少取决于研 磨液的粘度和金属丝的走丝速度。由于加工中温度的变化会改变研磨液的粘度， 因此加工过程中研磨液必须进行温度控制。另外，研磨液的粘度也会因研磨加工 产生的硅切屑混杂而改变，因此在加工过程中，研磨液必须随时更换或者补充新 鲜产品。 加工时两片硅片之间由切割作用产生的缝隙宽度称为切削损失，也称刀损。 从经验得出，硅片的表面质量和刀损主要取决于金属丝直径、研磨颗粒的直径分 上海大学硕士学位论文 布和加工过程中金属丝的振动振幅f 3 “，其中金属丝的振动幅度主要由金属丝的 张力和研磨液对其冲刷力决定，增加金属丝张力可以减小振动的振幅，从而可以 减小刀损。减少金属丝直径也可以减少刀损，一般加工使用1 5 0 一1 8 0 加1 的镀铜 切削专用钢丝，在正常生产条件下产生的刀损大约为2 0 0 一2 5 0 j 肼。 2 2 多丝切割基本加工机理 2 2 1 “滚一刻”加工模型 如图2 4 所示，进行多丝切割加工时，研磨液充满了金属丝和硅碇之间的 加工区域，但研磨加工需要一定的压力才能进行，故只有金属丝正下方和侧面的 研磨颗粒起到加工的作用，而金属丝上方的研磨粒无法参与研磨加工。 很显然，位于金属丝正下方的研磨粒受到的压力最大，其研磨作用最为明显， 压力在其他方向依次减少。但由于金属丝的横向振动，侧面方向的研磨粒也受到 一定压力而产生研磨作用。因此可以对金属丝正下方和侧面产生的研磨作用做类 似分析。 图2 4 多丝切割研磨加工区域截面图 使用扫描电镜观察成品硅片，如图2 5 所示，可以看出硅片表面是由许多 形状相似的直径为几个胛z 的小凹坑组成，这主要是由于大量自由滚动的研磨粒 l 海大学硕士学位论文 在金属丝的压力下和硅碇相互作用，对硅材料进行研磨，把其变成细小的硅屑逐 渐去除引起的。由于直径较小，在金属丝和流体压力的作用下，研磨粒在加工区 域中“滚动”前进，同时研磨粒的棱角比较锋利，能够对加工硅碇的局部形成较 高的压力，对硅碇表面进行“缺刻”加工，这个“滚一刻”模型就是多丝切割过 程中研磨加工的力学基础。 图2 5 扫描电镜下硅片的表面形状 多丝切割加工的“滚一刻”模型和一般的平面研磨加工中的f a m ( f r e e a b r a s i v em a c h i n i n g ) 模型既有类似又有不同，其不同之处在于多丝切割在理想加 工条件下，研磨粒和硅碇之间没有相对滑动，因此加工出的硅片表面没有长长的 划痕。只有当在加工区域的硅材料或者金属丝中嵌入了研磨粒时才会产生划 痕。 需要说明的一点，只有在脆性材料如硅、水晶的研磨加工中，研磨粒才可以 通过“滚一刻”作用使被加工材料变成碎屑被移走，而对于其他较为柔韧的材料 如钢丝，上述加工方式却不能有效的发挥作用。因此在多丝切割加工中，金属丝 的磨损量远远低于硅碇的材料移除量，其磨损方式主要是极少的表面划痕和研磨 颗粒造成的塑性压痕。使用扫描电镜观察加工前后金属丝表面及其直径变化来进 行验证以上说法，如图2 6 所示，可以看出加工前( a ) 与加工后( b ) 金属丝 直径变化不大，只是加工后在金属丝表面布满了细小的凹痕。多丝切割金属丝的 磨损量远远低于硅碇的材料移除量的事实是多丝切割加工能够完成的一个重要 慕础。 上海大学硕士学位论文 图2 6 加工前后金属丝表面情况比较 2 2 2 单个研磨粒的加工机理 研磨粒在压力的作用下，其尖锐棱角首先使硅碇产生永久塑性压痕变形，硅 的晶格在压力作用下转变为其他的晶格结构。随着压力的增加到一定阈值，加工 区域的硅材料开始产生裂纹，这时的裂纹分为两种：从塑性变形向周围区域放射 的称为放射裂纹( r a d i a lc r a c k ) ；位于塑性压痕的正下方，向硅碇的深处延伸的 称为中间裂纹( m e d i a nc r a c k ) 。这两种裂纹结合在一起会形成圆形的侧向裂纹 ( 1 a t e r a lc r a c k ) 。当研磨粒滚动移走，压力卸载以后，塑性压痕和中间裂纹的残 余应力使侧向裂纹延伸到表面，待移除材料从硅碇上崩落下来被研磨液冲刷移 除，这就是多丝切割研磨粒“缺刻”加工中的主要过程( 2 5 】( 2 8 l 。如图2 7 所示。 l 一海大学硕士学位论文 在整个材料移除过程中起首要作用的是侧向裂纹，它在压力的卸载阶段发挥 作用，卸载时的残余应力决定着材料的移除量。放射裂纹和中间裂纹发生在研磨 粒对硅碇的压力加载阶段，中间裂纹决定着卸载时残余应力的大小，中间裂纹越 大，残余应力也就越大，被移除材料体积就越多；而放射裂纹则会减小残余应力 的大小，不利于材料的移除，但只有放射裂纹和中心裂纹同时发生才能形成侧向 裂纹并最终实现对硅材料的移除，因此放射裂纹对于加工过程也是必不可少 的【4 5 。 加载 负载 ( a ) 卸载 草= 警 ( c ) 图2 7单个研磨粒缺刻加工过程 整个过程的发生首先需要一个压力来产生塑性压痕，产生塑性压痕以后还需 要施加一个闽值压力才能完成研磨加工，这个阈值压力取决于硅的硬度、断裂强 度以及加工区域硅材料的表面粗糙度等，只有当研磨粒受到的正向压力大于这个 阈值压力时，整个研磨过程才有可能发生，否则只能使硅碇的加工区域表面产生 碍 妒一 丫t e 海大学硕士学位论文 很小的塑性压痕变形而无法移除材料。一般说来，研磨粒缺刻加工的深度与其受 到的正压力成正比关系。 2 2 3 研磨粒的接触状态分析 切割加工时，金属丝高速运行，在接近硅碇的地方，其携带研磨液以极高的 速度冲击硅碇。这个冲击力尽管很小，但考虑到金属丝本身的柔性，足以在加工 区域入口处把金属丝和硅碇分开，为其余研磨液进入加工区域创造了条件。当足 够具有一定粘度的研磨液进入加工区域形成研磨液膜，将产生一定的流体压力。 由于金属丝和硅碇的接触属于线接触高副，接触面积很小，故接触区内单位压力 很高，金属丝表面在研磨液这种极高压力下发生弹性变形，当变形达到与研磨液 膜厚度相同数量级时，必将改变研磨液膜的几何形状，而研磨液膜形状的改变又 反过来影响接触区的压力分布规律。因此这个问题属于弹性液动问题。 从上一节可以得知，“滚一刻”过程中硅碇材料的移除主要在发生在压力的 卸载阶段。“缺刻”过程主要由研磨粒所受的正压力完成，而研磨粒的“滚动” 则是造成压力卸载的主要动因，加工时的研磨粒滚动主要是由研磨液的流体压力 引起的，也就是说研磨粒的综合力学行为在相当程度上取决于硅碇和金属丝之间 研磨液膜的流体力学条件。 根据硅碇和金属丝之间研磨液膜厚度不同，研磨粒的工作状态可分为两 种： 1 ) 半接触状态：研磨粒与金属丝、硅碇两者同时接触。 2 ) 不接触状态：研磨粒自由悬浮在研磨液中，不与金属丝、硅碇接触。 由摩擦学理论，如果相对于研磨液膜的厚度金属丝的弹性变形可以忽略，那 么多丝切割的线接触状态属于刚性一等粘度区( i r ) ；如果金属丝的弹性变形不 可忽略或者研磨液的粘度的变化可以忽略，那么接触状态属于弹性一等粘度区 ( i e ) 5 4 1 5 5 1 。国外学者m i 5 1 1 e r 等人根据弹性流体动压理论，在假定研磨液温度 恒定不变，金属丝和硅碇表面充分光滑的条件下，使用以下公式计算研磨液膜的 最小厚度【2 2 1 ： 刚性等粘度区：h m = c i r v 2 ，2 屹f 弹性等粘度区：h 。= c 。v 0 - 6 6 “6 瓦r “e “4 上海大学硕士学位论文 式中：v 走丝速度， “研磨液粘度 f 。研磨液膜对金属丝的总压力，等于金属丝对研磨液膜的压力 e 金属丝和硅碇的有效弹性模量 c 。，c 。金属丝和硅碇的形状参数 从上述公式可以看出，无论处于何种接触状态，当研磨液粘度和走丝速度增 加时，研磨液膜的最小厚度也随之增加。在正常加工条件下，研磨液的粘度取决 于流体压力、温度和研磨粒的密度。一般说来在加工区域的入口和出口处，流体 压力最小，加工区域的中间流体压力最大，因此在加工区域的两端研磨液的粘度 和研磨液膜的最小厚度最小。 2 2 3 i 半接触状态 进行加工时，半接触状态一般发生在金属丝的侧面，如图2 4 所示。半接 触状态下，研磨粒受的力是主要是由金属丝直接旋加的正压力，只有那些既和金 属丝又和硅片表面直接接触的研磨粒参与了加工过程。由于硅片和金属丝存在一 定刚度，这样金属丝和硅片之间的距离就取决于研磨液中磨粒的平均最大直径 ，。，这时侧面研磨液膜的厚度不会大于z 。 注意到：f , o ，= m 日 式中：m 参与研磨的研磨粒数量 目每个研磨粒所受到的正压力 f 。，金属丝施加给侧面的总压力 当金属丝向侧面施加压力只。的增加，侧面研磨液膜的最小厚度减少，参与 加工的研磨粒数聊就越多。因此在忽略硅片表面粗糙度的影响情况下，参与加工 的研磨粒数可以由研磨粒直径的分布( 分布曲线可由研磨粒生产厂家提供) 得到。 由于瓦，脚同时增加，故每个研磨粒受到的正压力以及由正压力引起的缺 刻深度基本保持不变，这点和一般的平面研磨加工相类似。因为参与加工的只是 少数研磨粒，故在半接触状态下加工效率主要取决于走丝速度和金属丝施加给研 上海大学硕上学位论文 磨液膜的压力以及研磨粒的平均最大直径，与研磨液的粘度关系不大。国外学者 m g l l e r 推导得出加工效率与上述三种因素的关系式口2 】： k = v f 。蹭2 式中：v 一金属丝走丝速度 厶一研磨粒平均最大直径 ” 从上式可以看出，加工效率与走丝速度以及金属丝压力成正比关系，而与 研磨粒平均最大直径关系较弱。 半接触状态下，只有少数直径最大的研磨粒参与了加工过程，显然参与加 工的研磨粒数过少在一定程度上会降低加工效率，另外参与加工的研磨粒与硅 片、金属丝同时接触，切割加工的刀损就取决于研磨粒的平均最大直径，因此可 以在加工时通过控制研磨粒的直径分布来减少刀损。 2 2 3 2 非接触状态 与半接触状态不同，非接触状态一般发生在金属丝正下方，也就是说金属丝 正下方的研磨粒既不和金属丝也不和硅碇接触，而是自由悬浮。非接触状态下， 研磨粒受力主要为正压力和流体压力形成的剪力。假设研磨液为牛顿流体，剪应 力可以由以下公式计算： d v v 7 2 “磊2 i 式中：“研磨液粘度 v 走丝速度 h 研磨液膜厚度 研磨粒的受力状态如图2 8 所示。在非接触状态中，几乎每个磨粒都参与 了研磨，但是由于剪应力方向基本平行于待加工的硅碇表面，不产生缺刻作用， 所以每个研磨粒施加给硅碇待加工表面的正向压力都很小，因此半接触和非接触 两种状态的加工效率基本相同。 在非接触状态下，加工效率除了取决于走丝速度和金属丝施加给研磨液膜的 压力，还与研磨液粘度有关，和半接触状态不同的是其加工效率取决于研磨粒的 平均直径。同样推导得出加工效率经验公式如下f 2 2 】： k = 如1 。f ：6 7 圪4 上海大学硕士学位论文 式中：k 系数 f 。，金属丝施加给研磨液膜的正压力 “研磨液粘度 v 走丝速度 一研磨粒平均直径 从上式可以看出：研磨粒平均直径对加工效率的影响最大，走丝速度次之， 再次是正压力，研磨液粘度影响最小。如果金属丝正下方的研磨粒处于半接触状 态，则进入加工区域的研磨粒数量剧减导致加工效率降低，甚至由于金属丝和硅 碇直接接触造成断丝。 图2 8 单个研磨粒受力状态 2 3 研磨粒形状对加工的影响 研磨粒的形状对加工效率的影响很大，细长形的研磨粒比椭圆形的研磨粒在 加工过程中滚动的机会少，产生缺刻的机会也少，加工效率较低，而没有尖锐棱 角的椭圆形磨粒需要较大的压力才能完成缺刻，也会使加工效率降低。 从微观角度上分析，在足够的正压力条件下，较锐利的研磨粒产生的塑性变 形要小于稍钝的研磨粒产生的塑性变形。而如图2 7 所示，由于在卸载时整个 塑性变形区都将会被移除，因此稍钝的研磨粒有利于材料的移除 5 4 1 。 国外学者b h a g a v a t 通过一系列试验数据拟合出塑性区深度与研磨粒形状参 数之间的关系： e 海大学硼，j 学位论文 d = 0 f ； 式中：d 塑性区深度( , u m ) ，y 研磨粒形状参数 研磨粒尖角角度卢 y 9 06 7 8 0 5 0 4 2 1 0 51 2 2 50 5 2 5 9 1 2 01 0 9 205 0 1 8 1 3 61 1 2 30 5 0 7 9 1 5 01 0 2 40 4 9 6 5 r 研磨粒所受到的正压力 使用扫描电镜观察实际生产中使用研磨粒样本的形状，如图2 9 所示，其中 ( a ) 为未使用过的研磨粒，( b ) 为使用后的研磨粒，图中的微小杂质就是研磨 下来的硅屑。 ( a )( b ) 图2 9 扫描电镜观察多丝切割使用研磨粒的形状 2 4 金属丝振动对切割加工的影响 衡量多丝切割加工品质好坏的一个重要指标就是刀损的大小和硅片表面质 量，这两项指标由金属丝侧面的研磨作用完成。在金属丝的侧面，正压力主要由 金属丝的横向振动施加，因此刀损以及硅片表面质量和金属丝的横向振动有着密 切的联系，正确的振动分析有利于预测振动而引起的刀损变化。另外，金属丝的 适当振动还有利于研磨粒和硅碇的接触而提高加工效率。因此总希望控制金属丝 上海大学硕士学位论文 振动的振幅在一定范围内。 2 4 1 加工区域金属丝产生振动的原因 在多丝切割过程中，在金属丝轴向运行的带动作用和研磨液流体压力下，研 磨粒在金属丝和硅碇之间做滚动运动，同时进行缺刻加工，不断变化的缺刻反作 用力通过研磨粒传递到金属丝，在多个研磨粒同时激振作用下，金属丝就产生振 动。另外研磨液的冲刷作用和金属丝张力的波动变化也会引起金属丝的低频振 动。 试验发现激振点多于5 0 个时，金属丝的最大振幅将趋向于稳定值。由于实 际加工中，在任意时间总有多于5 0 个研磨粒和金属丝接触，也就是说金属丝的 激振点总会多于5 0 个，因此可以认为加工过程中金属丝振动的最大振幅为稳定 值口”。据此就可以分析金属丝振动对刀损的影响。针对多丝切割，金属丝的振 动分析可以做如图2 1 0 简化【6 8 l ： t 图2 1 0 金属丝振动简化模型 轴向等速度运动金属丝的固有频率可以按照下式计算【4 9 卟鼍萨 式中：n 振动模态阶数 r 金属丝张力 矿金属丝轴向运行速度 p 单位长度金属丝质量 t 属丝 卜海大学硕士学位论文 加工区域金属丝长度 f 定义金属丝运行速度= ，f 三为临界速度，如果金属丝实际运行速度接近该 vp 临界速度时，金属丝的振动将会变的发散而不稳定。在实际应用过程中，金属丝 一般选用直径很细的钢丝，其单位长度质量p 很小，而张力t 一般取为l o 一3 0 n ， 故金属丝临界速度很高( 约为3 0 0 r n s ) 。因此一般不需要考虑金属丝振动的发散。 2 4 2 影响振幅的主要因素 1 ) 金属丝运行速度 金属丝振幅的大小对金属丝的运行速度变化并不敏感，尤其当运行速度低于 2 5 耐s 时，速度的变化几乎对金属丝振动振幅大小不产生影响 5 ”。其频率响应见 图2 一1 1 。由此可以通过增加金属丝速度的办法来提高切割效率而不必担心因为 金属丝振动而带来的刀损增加或表面质量降低。 2 ) 金属丝张力 张力是影响金属丝振幅的最关键因素，金属丝张力增加，使系统的刚度增加， 从而振幅减小，金属丝张力的微小波动都会引起振幅的巨大变化，从而使刀损和 表面质量变的不稳定，如图2 1 2 所示。 d0 2i j 40 60 - 8 1 0l2i 4l6 1 - 82 t 0 ， 图2 11 张力为2 0 n 时走丝速度和振幅之间关系 上海大学硕士学位论文 山，( - 图2 1 2 走丝速度为1 0 r n j s 时金属丝张力和振幅之间关系 图2 1 3 金属丝张力为2 0 n 时粘性阻尼与振幅之间关系 3 ) 研磨液的粘性阻尼作用 在给定金属丝张力和运行速度条件下，研磨液的粘性阻尼增加，金属丝振动 的振幅就减小。粘性阻尼对金属丝振动的作用是通过研磨液膜的厚度h 来体现 的，h 越大，研磨液产生的流体压力就越小，研磨液膜对金属丝振动的粘性阻尼 作用也就越小，振幅就会增大。研磨液对振动的阻尼作用与使用的切削油有关， 在实际生产中可以通过更换不同的切削油来达到不同的粘性阻尼系数，从而控制 金属丝振动的振幅 州。研磨液粘性阻尼与振幅的关系如图2 一1 3 所示。 2 5 本章小结 本章详细讨论了国外学者在多丝切割加工机理方面的主要研究成果，归纳总 结了多丝切割研磨加工机理的几个基本要点： 1 ) 多丝切割加工中研磨粒进行“滚一刻”研磨加工的基本机理：研磨过程中， 上海人学硕士学位论文 由研磨粒受正向力在硅碇加工区域表面产生塑性压痕和裂纹，滚动卸载时在残余 应力的作用下对硅碇表面进行缺刻加工。 2 ) 根据研磨液膜厚度的不同可以把研磨粒的工作状态分为半接触状态和不接 触状态两种，两种状态下各种因素对于加工效率影响程度：在半接触状态下加工 效率与研磨液粘度无关，走丝速度与金属丝张力对其加工效率影响最大，控制研 磨粒的直径分布有利于减少刀损和提高加工质量；在不接触状态下加工效率与研 磨液粘度有关，研磨粒平均直径对加工效率影响最大。 3 ) 研磨粒形状对于缺刻加工的加工效率有重要影响，过于尖锐的研磨粒反而会 降低研磨加工的效率 4 ) 加工过程中引起金属丝振动是由研磨粒“滚一刻”加工的反作用力引起的， 走丝速度在3 0 0 n “s 以上时金属丝就会进入振动发散状态，一般加工条件下金属 丝走丝速度对振动振幅的影响不大，因此可以通过增加走丝速度的方法提高加工 效率而不必担心引起过度振动。而振动振幅对张力的微小变化非常敏感，加工过 程中必须保持张力的稳定。研磨液的粘度通过影响研磨液膜的厚度对于振动振幅 也有一定影响。 以上要点可成为张力控制和多丝切割工艺建模研究的理论基础。要达到刀损 小、表面质量好、效率高的理想加工状态，就必须对金属丝走丝速度、张力( 影 响金属丝振动) 、研磨粒直径分布、研磨液粘度等因素加以控制。 尽管由于条件所限，我们无法通过试验室来验证这些理论，但通过到生产厂 家现场实地采集数据和通过扫描电镜观察所采集样本，间接验证了硅片表面形 状、研磨粒形状、金属丝磨损情况与理论分析的一致性