金刚石线锯

金刚石丝锯精密切割及其制备技术

康仁科教授

精密与特种加工教育部重点实验室

大连理工大学机械工程学院

精密切割加工是制备半导体和光电晶体基片的主要加工工艺之一，在微电子、光电子器件的制造过程中占有很高的地位。而随着微电子和光电子技术飞速发展，对半导体和光电晶体的切割加工提出更高要求。高效率、低成本、高精度、窄切缝、小翘曲变形、低表面损伤、低碎片率、无环境污染等是目前半导体和光电晶体的切割加工的新趋势。

现在，硬脆晶体材料切割方法有金刚石圆锯切割、带锯切割、线锯切割。金刚石圆锯有分为金刚石外圆据和金刚石内圆锯两种；带锯分为钢带据、金刚石带锯、钢片锯三种；线锯分为钢丝锯、金刚石串珠锯、金刚石丝锯三种。

金刚石外圆锯切割技术

金刚石外圆锯切割技术是应用较早的切割方法，外园周上电镀金刚石的圆锯片直径在200mm左右，最大可达400mm。多用于宝石、石英、铁氧体、陶瓷等材料的切断、切槽等。优点是：结构简单、操作容易、刀片价格便宜；缺点是：刀片较厚、锯口宽、材料损耗较大、切割面的平行度较差、只能切割小直径或较薄工件。金刚石外圆锯典型的应用就是在IC制造中将硅片切割成分离的芯片。

金刚石内圆锯（ID）切割技术

金刚石内圆锯（ID）切割技术示意图

金刚石内圆锯切割技术的优点是：1.刚性好，可做的很薄，达到0.1mm；2.切片精度高，直径200mm晶片的厚度差仅为0.01mm；3.设备低廉，所用切割机价格仅为其它工具多使用切割机价格的1/3——14；4.每片都可以进行径向调整和切片厚度的调整；5.小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。缺点是：1.切片表面损伤层较大；2.刀口宽，材料损失大；3.生产率低，每次只切割一片；4.只能切割直线，无法切割曲面；5.只能切割直径小于200mm的晶片。

带锯切割

金刚石带锯是以电镀金刚石磨料或镶焊金刚石烧结块为主题的环形锯条，带锯出现于20世纪50年代，我国八十年代才开始研制该类设备。优点是：锯切速度快，刀具材料消耗少，噪音小。缺点是：锯口大，切割精度低，对荒料要求规整，不能进行多片切割。

线锯

线锯按照磨粒形式使用的不同分为四种：使用游离磨料的钢丝锯、使用固结金刚石磨料的钢丝锯、钎焊金刚石串珠的绳锯、不使用磨料的电火花线锯。

游离磨粒多线切割

游离磨粒多线切割示意图

游离磨粒多线切割是利用一根钢丝缠绕在一组锯丝导轮上，形成一排按一定间隔排列的切割线，钢丝按一定方向运动，将含有碳化硅等游离磨料的切割液带向工件，在一定压力下对工件产生切割作用，形成切缝。

meyar+burger公司目前为切割太阳能硅片而开发的DS262型线锯，具有同时切割4根长520mm，界面为153×153mm硅棒的能力。DS262型线锯一组切片数最高可达4400片，这相当于50台切片机一天的工作量或一台高质量的切片机50天的工作量。

游离磨粒多线切割的特点优点是：1.片厚一致性好，切片厚度由排线轮的精度所保证；2.节约原材料，切缝窄，线锯直径为0.08mm——0.18mm，而内圆锯片的刀口宽度为0.3mm——0.38mm；3.能切割大尺寸晶体；4.切片量大；5.切片薄，线锯受力均匀，干扰因素少，切割过程稳定；6.切片残余应力和挠曲变形小，表面、亚表面损伤层少。

缺点是：1.切片厚度调节困难；2.不适合小批量生产；3.使用成本高，钢丝和排线轮同时磨损，寿命较短；4.维护困难。

固结金刚石磨粒线锯

几种固结金刚石磨粒线锯

金刚石线锯的形式

单线切割的金刚石线锯分为往复式金刚石线锯和环形回转式金刚石线锯；多线切割的金刚石线锯分为往复式金刚石线锯。

环形回转式线锯是被焊接为环形，可通过导轮实现循环切割。优点：1.整个锯丝长度均可参与切割；2.使用寿命长；3.切割速度高（高达10——20m/s）。缺点：在线锯切割内曲面时必须先切割一条引线槽。单线往复式金刚石线锯切割机的优点是：结构简单，适应性好，可进行内外表面的切割加工；可以自由改变切割方向及倾斜角度，进行精确的复杂轮廓切割。缺点是锯丝的有效工作强度受限制，锯丝利用率不高，切割速度较低（一般2—3m/s）。

多线往复式金刚石切割优点是：1.能进行大尺寸工件切片；2.能多件多片同时切割，产量高；3.能切精密窄缝，适合切割贵重材料，切割直径只比锯丝直径大0.01——0.015mm；4.切割脆软材料，保证边缘不破损；5.切割时温度低，切片加工变质层浅，可用来切割易炸裂材

料；线锯使用寿命长；6.环境污染小。

游离磨料与固结磨料线锯切割的材料去除机理。

游离磨料线锯切割机理：三体摩擦磨损，游离磨料的滚动嵌入作用，类似于研磨加工。

固结磨料线锯切割机理：两体摩擦磨损，磨粒的耕犁作用，类似于微细砂轮磨削。在单颗磨粒切削深度足够小的情况下，可实现塑形域切削。

游离磨料与固结磨料线锯切割的材料去除机理示意图

金刚石线锯的制备技术

金刚石线锯中金刚石磨料的固结方式有滚压嵌入式、挤压或冲压方式、金属结合剂固结（钎焊）、金属结合剂固结（电镀）、树脂结合剂固结。

滚压嵌入方法

这种方法是直接将超硬磨料通过机械作用滚压嵌入到钢丝集体中，美国专利4485757曾提出一种用滚压嵌入方式制备连续金刚石线锯的工艺，此种工艺制备的金刚石线锯的金刚石涂层直径均匀而厚度及线径不均匀，很难生产出大于120米长的金刚实线。并且，通过机械作用将超硬磨料滚压嵌入到钢丝基体中，还大大降低了钢丝的强度。挤压或冲压方法

这种方法是通过两维以上的冲挤压头模，将金刚石颗粒挤压、冲压进

钢丝线的表面以下，然后在冲挤压形成的金刚石线的表面，涂敷一层1—10μm的金属、非金属材料。这种方法的优点是可以形成自动化生产线，可以制备长度60公里以上、直径均匀，抗磨性好的连续金刚石线，生产成本低。

这种方法的缺点给滚压方式一样，由于金刚石颗粒直接冲压进钢丝表面会大大降低钢丝的强度。

挤压或冲压方法示意图

树脂结合剂金刚石线锯

目前，树脂结合剂金刚石线锯的线径已经小于0.2mm，由于制程温度远低于硬焊，线材不会因为高温而产生变形造成抗拉强度的衰减，对于缩小线径有很大帮助。虽然树脂的对金刚石磨料的把持力不如硬焊好，但有制程成本低、线径小、耗材率低等优势。

树脂结合剂金刚石线锯的制造工艺——热固性树脂固结方法

对于树脂结合剂金刚石线锯的制造工艺——热固性树脂固结方法，日本大阪府的住友电气工业株式会社和大阪金刚石工业株式会社的上岗勇夫等人共同申请的一项专利，该线锯的特征是在高强度芯线上有粘结剂固定磨料磨粒和填料，磨料尺寸不小于树脂粘结层厚的三分之