關(guān)鍵詞　固著磨粒線鋸；切割線；制造方法

　　

　　隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，硅片的需求量越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)硅片厚度、直徑和表面質(zhì)量有更高的要求。硅片切割在硅片制造成本中占據(jù)很大比例^[1]，降低硅片切割成本對(duì)于降低硅片的成本具有重要意義。多線切割機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)線鋸，用來(lái)切割晶體、陶瓷等硬脆性材料，是硅片的主要切割設(shè)備。線鋸分為游離磨粒線鋸和固著磨粒線鋸。游離磨粒線鋸切割是分散于切割液中的SiC磨粒在切割線和硅晶體的壓力下通過(guò)“滾壓嵌入”作用于硅晶體表面，使硅表面產(chǎn)生塑性變形和裂紋的三體加工過(guò)程^[1，2]。游離磨粒有下列缺點(diǎn)：砂漿（磨粒和切割液組成）不能充分利用，造成工業(yè)浪費(fèi)，切割效率低，成本高，污染環(huán)境^[3，4]。固著磨粒線鋸切割是“兩體磨削”加工的過(guò)程，通過(guò)刮擦晶體硅的方式完成切割^[5]，切割時(shí)采用水溶性的冷卻劑，不需要砂漿^[6－8]，磨粒與切割線一起運(yùn)動(dòng)。固著磨粒線鋸切割具有切縫小、材料利用率高、切片表面質(zhì)量好、切割速度快和消除浪費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)^[3，9]，所以固著磨粒線鋸切割成為大家看好的下一代切割技術(shù)^[10]。本文主要介紹固著磨粒線鋸中切割線的制造方法及其研究進(jìn)展。

 

　　固著磨粒切割線是通過(guò)某種工藝方法將硬度大、耐磨性好的磨粒固結(jié)在基體表面上而制成的一種切割工具，一般要求固著切割線成本低，耐磨，抗拉強(qiáng)度高，直徑小等。根據(jù)磨粒固著在基體上表面的方式不同，可以分為使用金屬結(jié)合劑或樹(shù)脂結(jié)合劑等有結(jié)合劑的方式（如圖1所示）以及直接將磨粒固著在基體表面的無(wú)結(jié)合劑方式。

 

圖1　固著磨粒切割線示意圖

 

　　通過(guò)金屬結(jié)合劑把磨粒固著在基體上的主要譯意風(fēng)電鍍、釬焊和電火花等。

　　電鍍切割線一般以鎳為結(jié)合劑，用電鍍法把磨粒固結(jié)在若何表面。

　　電鍍切割線的步驟為：預(yù)處理、電鍍（包括三步預(yù)鍍、上砂和加厚鍍）和后續(xù)處理[11]。隨著技術(shù)發(fā)展，人們對(duì)傳統(tǒng)電鍍工藝進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括以下兩方面：

（1）提高制造速度。傳統(tǒng)的電鍍工藝制造速度慢，這主要是因?yàn)殡婂儠r(shí)陰極附近金屬離子濃度的減小引起鍍液中極限電流密度的減小造成的。為提高制造速度，可采用氈刷摩擦陰極表面減小陰極離子濃度的降低^[12]。

（2）提高固著磨粒切割線的質(zhì)量。現(xiàn)在常用的有以下六種方法：①兩次上砂處理，先鍍粗顆粒再鍍細(xì)顆粒^[13]。②用激光技術(shù)對(duì)切割線表面處理^[14]。這兩個(gè)方法可提高對(duì)磨粒的把持力。③住友電氣工業(yè)株式會(huì)社對(duì)結(jié)合劑（采用鎢鎳合金）進(jìn)行了改進(jìn)，并在切割線的外表覆蓋一薄層高硬度的金屬薄膜。此法制造的切割線磨粒把持力強(qiáng)，鍍層質(zhì)量好，金屬薄膜的厚度薄，在使用時(shí)不損害磨粒的銳利度^[15]。④李園對(duì)切割線的基體進(jìn)行了改進(jìn)，在基體表面覆蓋了一層由銅或銅合金構(gòu)成的表層為螺旋凹槽形狀的植砂層。這樣不僅可以提高電鍍速率，還可以提高切割線的使用壽命^[16]。⑤賀躍輝等人對(duì)金剛石表面進(jìn)行導(dǎo)電化處理，可以使鍍層與金剛石呈現(xiàn)浸潤(rùn)型界面，提高鍍層對(duì)磨粒把持力，令顆粒在金屬線上沉積快，沉積均勻性好，沉積密度高和顆粒利用率高，同時(shí)也可提高電鍍速度^[17]。⑥Liu Yen-Kang等人對(duì)傳統(tǒng)電鍍固著磨粒切割線制造方法進(jìn)行了改進(jìn)。傳統(tǒng)的電鍍工藝一般是磨粒和鍍層同時(shí)沉積到基體表面，電鍍時(shí)易引起磨粒聚合進(jìn)而造成切割質(zhì)量和精度下降，在制造過(guò)程中要控制鍍液中磨粒的濃度、磨粒的分散來(lái)抑制磨粒的聚合。Liu Yen-Kang法所需的制造材料有基體（琴鋼線、鍍銅琴鋼線、我銹鋼線等金屬絲）、導(dǎo)電層包裹的磨粒、中間層（黏結(jié)材料、溶劑、溶液或其混合物）和金屬保護(hù)層（金屬可以是鎳、銅、銀等），制造步驟有兩種方法：①先把磨粒與中間層混合，再把混合物涂在其本表面，最后再電鍍金屬保護(hù)層。②先把中間層涂在基體表面，再把磨粒嵌入中間層，最后再電鍍金屬保護(hù)層。這種切割線使用壽命長(zhǎng)，切割線表面平整，可以提高切割質(zhì)量^[18]。

雖然做了上述改進(jìn)，電鍍法制造切割線仍有一些缺點(diǎn)，如電鍍工藝復(fù)雜、污染環(huán)境、制造成本高、線抗彎扭曲強(qiáng)度低和切割過(guò)程中容易斷絲等^[22]。

　　電火花加工切割線是通過(guò)電火花加工機(jī)在基體上沉積堅(jiān)硬層。具體方法分別兩種：一是直接將結(jié)合劑材料做成電極^[19，3]，如圖2。二是將結(jié)合劑材料放入工作油中，如圖3^[20]。

　　首先介紹將結(jié)合劑材料做成電極的　。電極是由磨粒（一般為絕緣材料）、碳化鎢和鈷的粉末組成，切割線基體由步進(jìn)機(jī)纏繞。通過(guò)放電，電極被粉碎，粉末落入間隙；碳化鎢被放電熱分解溶化后，與工作油中游離的碳反應(yīng)之后沉積到工件（即切割線基體）上；磨粒作為結(jié)合劑消失于碳化鎢沉積層中。根據(jù)加工時(shí)電氣條件的不同，沉積層有時(shí)是有氣孔的。磨粒，碳化鎢和氣孔是磨削工具（即切割線）的主要成分。碳化鎢堅(jiān)硬，切割線沒(méi)有磨粒同樣可以用來(lái)切割硬脆性材料。

利用鍍層材料在工作油中的電火花加工切割線，這種方法省去了電極制造的時(shí)間，還可以有選擇地在小面積上沉積鍍層，但缺點(diǎn)是有些物質(zhì)不能用這種方法沉積。此法加工是地，作為負(fù)極的電極上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鈦粉與從工作油中裂化的碳反應(yīng)之后以碳化鈦的形式沉積到基體上。碳化鈦具有高硬度、耐磨蝕、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，切割線即使沒(méi)有磨粒也同樣可用于切割。

 

　　釬焊是用比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度低于母材固相線而高于釬料液相線的一種焊接技術(shù)。釬焊法制造切割線是通過(guò)釬焊實(shí)現(xiàn)磨粒、結(jié)合劑（釬焊合金材料）和基體三者之間的化學(xué)冶金結(jié)合^[21]。釬焊法制造的切割線分為兩種：一是磨粒無(wú)序地固著在若何表面；二是磨粒有序地固著在基體表面。下面主要介紹磨粒有序排布的制造方法。

　　釬焊法制造切割線通常采用高頻感應(yīng)釬焊加熱。高頻感應(yīng)釬焊具有加熱效率高、溫度容易控制且可以局部加熱、作業(yè)環(huán)境好、幾乎無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。釬料一般使用Ag基、Ni基和Cu基并加上易和碳形成化合物的元素Cr、Ti和Si ，再加入改善釬焊效果的Sn和B等元素形成合金釬料結(jié)合層。切割線復(fù)合體是進(jìn)行感應(yīng)釬焊前所制備的焊樣，切割線復(fù)合體的制備流程為：基體矯直、表面處理→涂覆黏結(jié)劑→有序排布磨粒→涂覆釬料→固膠。釬焊法制造磨粒有序排布切割線的步驟：一是切割線復(fù)合體的制備；二是感應(yīng)加熱切割線復(fù)合體^[22] 。

　　釬焊法制造的固著切割線具（如圖4）有結(jié)合強(qiáng)度高（化學(xué)冶金結(jié)合）、磨粒出露高（一般可達(dá)磨粒高度的一半以上）、表面容屑空間大（因?yàn)槟チ３雎陡吆湍チ５挠行蚺挪迹⑹褂脡勖L(zhǎng)和切割效率高等特點(diǎn)^[22]。但是，由于釬焊溫度高，容易造成基體材料的變質(zhì)，影響基體材料的強(qiáng)度，有可能引起基體材料斷裂，所以一般要求釬焊切割線的線徑比較粗。

　　樹(shù)脂結(jié)合劑固著磨粒切割線是通過(guò)樹(shù)脂結(jié)合劑把磨粒均勻地固著到基體表面。樹(shù)脂結(jié)合劑分為：熱固性樹(shù)脂和紫外線固化樹(shù)脂。

　　熱固性樹(shù)脂一般為酚醛樹(shù)脂，固著磨粒切割線制造步驟：磨粒與樹(shù)脂混合、基體表面處理→磨粒與樹(shù)脂混合物涂在基體表面→固化^[23]。涂層時(shí)，若樹(shù)脂涂層百度不均勻，則厚的地方磨粒多，薄的地方磨粒少；樹(shù)脂層越薄，對(duì)磨粒的把持力越小^[4]。在制造過(guò)程中，由于要加熱固化易引起基體的青脆。為解決青脆、發(fā)送鋸絲的耐磨性和結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力，可以在樹(shù)脂中添加金屬粉末，研究認(rèn)為添加銅粉效果最好^[23]。此外，銅粉還可以改善鋸絲的耐熱性。為進(jìn)一步提高基體對(duì)磨粒的把持力，可對(duì)磨粒表面進(jìn)行化學(xué)處理（可加強(qiáng)磨粒與樹(shù)脂表面間的化學(xué)反應(yīng)）、電沉積鎳或其他金屬^[4]。

　　采用快速固化的紫外線固化樹(shù)脂制造切割線，可以提高制造速度和降低成本，還可以減小對(duì)環(huán)境污染。為提高磨粒與基體的結(jié)合強(qiáng)度和切割線的耐磨性，日本學(xué)者俊之等人采用雙層磨粒層結(jié)構(gòu)，即基體外第一層是與基體有良好附著性的黏結(jié)層；第二層是含磨粒和粉末的磨粒層。為進(jìn)這一步提高制造速度，結(jié)合劑中可添加氧化鋁粉末。

　　為了減小切割材料的浪費(fèi)，切割線向著小直徑和高強(qiáng)度的方向發(fā)展，隨著金屬絲線徑的微細(xì)化，制造難度增大。有人研究出以紫外線光固化以非金屬為基體的固著切割線，此線基體采用高強(qiáng)度的聚乙烯線，并用溶液對(duì)其表面處理，磨粒為鍍鎳的金剛石，紫外光固化樹(shù)脂為結(jié)合劑^[24]。

　　總之，樹(shù)脂結(jié)合劑的強(qiáng)度低，耐熱性差，線鋸易磨損，磨粒易脫落，使用壽命不如電鍍的切割線好。但樹(shù)脂結(jié)合劑彈性好，能減小切割系統(tǒng)的振動(dòng)，切片表面質(zhì)量好^[25]，線鋸的制作工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，環(huán)境污染小。

　　固著磨粒切割線的制造不帕斯卡以不用結(jié)合劑，用機(jī)械作用直接把磨粒液壓嵌入到基體中，即機(jī)械碾壓法。美國(guó)專(zhuān)利4485757曾提出用液壓嵌入方式制備連續(xù)金剛石線鋸的工藝^[25]。此法加工成本低，把磨粒直接液壓嵌入到基體中，降低了基體的強(qiáng)度，磨粒易脫落，此法不常用^[14，25]。

　　另外，固著切割線的制造方法還有擠壓或沖壓，即用兩維以上的沖擠壓頭模，將磨粒擠壓、沖壓進(jìn)基體的表面以下，然后在沖擠壓形成的鋸線表面，涂敷一層1~10μm的金屬、非金屬材料。這種方法加工成本低，但降低了基體的強(qiáng)度^[25]。

固著磨料切割線的制造方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，電鍍和樹(shù)脂法已有工業(yè)生產(chǎn)。

　　為了改善切割線的質(zhì)量，人們對(duì)切割線的形狀和磨粒的種類(lèi)做了改進(jìn)。

（1）切割線的形狀。“淚滴狀”切割線，是把基體改進(jìn)為有兩個(gè)較大的側(cè)面，橫截面是非圓的，形狀像淚滴，在其表面上電鍍磨粒，可以減小鋸縫損失和增加基體的強(qiáng)度^[26]。為了提高金剛石電沉積切割線的切割速度和使用壽命，日本學(xué)者石川憲—設(shè)計(jì)了一種新型的切割線即絞合線，此線基體為兩根極細(xì)的琴鋼絲捻成的，并在其表面電沉積金剛石磨粒。中國(guó)專(zhuān)利CN201960674提出的具有磨粒涂層的多股切割線，是由至少兩股以上的切割鋼絲相互螺旋纏繞在一起，形成繩狀結(jié)構(gòu)，并在其表面用“電鍍或膠水黏結(jié)”的方法固著金剛石或碳化硅顆粒。此線減小了斷絲率，提高了抗拉強(qiáng)度，延長(zhǎng)了線的使用壽命，改善了排屑效果，提高了切割效率^[27]。中國(guó)專(zhuān)利　　　　CN102152215A介紹了結(jié)構(gòu)型電沉積磨粒的切割線，由結(jié)構(gòu)型金屬坯線（基體）、超硬磨粒（金剛石或立方氮化硼）和鍍層組成，通過(guò)復(fù)合電鍍方法制備。結(jié)構(gòu)型金屬坯線是以結(jié)構(gòu)型金屬坯線的軸線為基線，沿其軸線的周?chē)砻嬗卸喽涡螤顬镾或Z形的曲線分布。這種切割線具備良好的容屑、排屑和攜帶切割液的功能，從而提高切割效率；磨粒不易脫落，也能有效防止切割線斷線，提高了使用壽命^[28]，如圖5。

 （2）磨粒的種類(lèi)。中國(guó)專(zhuān)利CN102152216A介紹的固著切割線以立方氮化硼作為磨粒，制備方法：基體處理→復(fù)合電沉積立方氮化硼（鎳為結(jié)合劑）→清洗烘干。立方氮化硼固著切割線具有良好的高溫抗氧化性能和低的摩擦系數(shù)。這種切割線使用壽命長(zhǎng)，成本低，切割工件表面平整，光潔度高，表面材料晶體結(jié)構(gòu)損傷小，切割能力幾乎與以金剛石為磨粒的固著切割線相同^[29]。

　　固著磨粒線鋸切割具有切割效率高、環(huán)境污染小和工業(yè)浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，固著磨粒線鋸切割有望成為硅晶體切割的主要方法。固著磨粒切割線的各種制造方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如釬焊切割線的磨粒可以有序排布，但由于釬焊溫度高，影響基體的強(qiáng)度，所以切割線直徑粗些；樹(shù)脂切割線磨粒固著強(qiáng)度低；電鍍切割線制造成本高，污染環(huán)境。各種制造方法也都在改進(jìn)。筆者認(rèn)為，固著磨粒切割線可能往以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）切割線直徑變小、還要具有高的抗拉強(qiáng)度；（2）切割線基體為其他材質(zhì)的研究；（3）金剛石磨粒改為其他耐磨磨粒，來(lái)降低切割線的成本；（4）磨粒在基體上有序排布，這樣可以提高切割效率，避免磨粒的浪費(fèi)。

 

[1] MOLLER H J.Basic mechanisms and models of multi-wire sawing [J].Advanced Engineering Materials,2004(6):504-513.

[2] MOLLER H J,FUNKE C,RINIO M,et al .Multicrystalline sillicon for solar cells [J].Thin Solid Films,2005,487:179-187.

[3] YAO Chunyan,WANG Minghuan,PENG Wei.The progress of fixed abrasive wire saws in the last decade[j].Advanced Materials Research,2010(3):15-18.

[4] JUN Sugawara,HIROSHI Hara,AKIRA Mizoguchi.Development of fixed-abrasive-grain wire saw with less cutting loss[J].Sumitomo Electric Technical Review,2004(6):7-11.

[5]CHEN Chao-Chang,CHAO Pei-Hsiun.Surface texture analysis of fixed and free abrasive machining of sillicon substrates for solar cells [J].Advanced Materials Research,2010(8):177-180.

[6] CHOU Yenchun,KUO Yincheng,YANG Shangwei,et al.Acid treated surface morphology of fixed abrasive sawn wafers[C].Seattle:Photo-voltaic Specialists Conference,37th IEEE,June,2011:002136-002138.

[7] KONDO Y,WATANABE N,IDE D,et al.Characterization of multi-crystalline silicon wafers for solar cell applications sliced with a fixes abrasive wire[C].Proceedings of the 23rd European Photovoltaic So-lar Energy Conference ,Valencia:2006:948.

[8] KRAY D,SCHUMANN M,EYER A,et al.Solar wafer Slicing with loose and fixed grains[C].Proceedings of the 23rd European Photo-voltaic Solar Energy Conference,Valencia:2006:948.

[9] HARDIN C W,QU Jun ,SHIH A J.Fixed abrasive diamond wire saw slicing of single-crystla silicon carbide wafers[J].Materials and Manu-facturing Processes,2004,19(2):355-367.

[10] WATANABE N,KONDO Y,IDE D,et al.Characterization of poly-crystalline silicon wafers for solar cells sliced with novel fixed-abrasive wire[J].prog.photovolt:Res.Appl,2010(18):485-490.

[11] 向波，賀躍輝，謝志剛，等.電鍍金剛石線鋸的研究現(xiàn)狀[Ｊ].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（8）：25－29.

[12] CHIBA Y,TANI Y,ENOMOTO T,et al.Development of a high-speed manufacturing method for electroplated diamond.wire tools[J].Annals of the CIRP,2003,52(1):281-284.

[13] LUKSCHANDEL J,MEYER J.Nickel-diamond-coated saw wire with improved anchoring of the diamond particles:US,2003140914[P].2003-07-31.

[14] CLARK W I,SHIH A J,Hardin C W,et al .Fixed abrasive diamond wire machining-part I:process monitoring and wire tension force[J].Int Machine Tools Manufacture,2003,43:523.

[15]　住友電氣工業(yè)株會(huì)社.金剛石線鋸及金剛石線鋸的制造方法：中國(guó)CN101823240 A[P].2010-09-08.

[16] 王楚雯，李園.金剛石線鋸及其制備方法：中國(guó)，CN102166792 A[P].2011－08－31.

[17] 長(zhǎng)沙岱勒金剛石制品有限公司.一種表面改性金剛石的金剛石線鋸生產(chǎn)方法：中國(guó)，CN101812710A[P].2010-08-25.

[18] LIU Yen-kang,LEE Yi-Tsang,KAO Chien-Wei.Wire saw and method for fabricating the same:US,2011/0263187 AL[P].2011-10-27.

[19] KATSUSHI Furutani,KOJI Suzuki.A Protoype of electrical discharge coater for wire saw[J].The 40th CIRP Internation Manufacturing Systems Seminar,2007.

[20] KATSUSHI Furutani,YASUO Murase.Fabrication of wire saw with patterned hard bumps by electrical discharge machining with powder suspended in working Oil[J].The 41st CIRP Conference on Manu-facturing Systems,2008.

[21] 林增棟.金剛石－金屬工具的發(fā)展與現(xiàn)狀[Ｊ].粉末冶金技術(shù)，增刊，1992，10：65－81.

[22]　王波.感應(yīng)釬焊制作金剛石線鋸的基礎(chǔ)研究[Ｄ].南京：南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2010.

[23]　TOSHIYUKI Enomoto,YUTAKA Shimazaki ,YASUHIRO Tani,et al.Development of a resinoid wire containing metal powder for sli-ching a sillicon ingot[J].Annals of the CIRP,1999,48(01):273-276.

[24]　毛煒，彭偉，姚春燕，等.紫外光固化非金屬芯線金剛石線鋸研究[Ｊ].新技術(shù)新工藝，2008，07：88－90.

[25]　康仁科.金剛石絲鋸精密切割及其制備技術(shù)[Ａ].中國(guó)超硬材料網(wǎng)（http://www.idacn.org/articles/14955.html）,2011-06-07.

[26] SCHMID F,SMITH M B,KHATTAK C P.Kerf reduction using sharped wire[J].IEEE,1993.

[27] 常州得一新材料科技有限公司.一種具有磨料涂層的多股切割鋼絲：中國(guó)，CN201960674 U[P]. 2011－09－07.

[28] 長(zhǎng)沙岱勒新材料科技有限公司.一種結(jié)構(gòu)型電沉積磨料的線切割線：中國(guó)，CN102152215 A[P].2011-08-17.

[29] 長(zhǎng)沙岱勒新材料科技有限公司.一種立方氮化硼切割線：中國(guó)，CN102152216 A[P].2011－08－17.

 

作者簡(jiǎn)介

潘慧，女，1986年生，西安交通大學(xué)碩士研究生。研究方向：太陽(yáng)能電池片的切割。