——金刚石线锯切割设备现状与设计初探

摘 要：随着光伏产业、半导体等高精端产业的发展，硬脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等材料的切割加工显得犹为重要。近年来，世界各国研究开发其切割设备，新工艺，新设备不断涌现。而金刚石线锯切割设备成为研究和发展的主流趋势，本文介绍国外硅片切割设备研究的最新进展以及国内发展状况，并介绍笔者参与研制的金刚石环形线锯机的功能、特点和设计心得体会及金刚石单线和环线切割机应用前景展望。

关键词：线切割设备 金刚石线 多线切割 金刚石线开方机 金刚石单线机 环线机

一、前 言

目前，硬脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能(如耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等)，在电子、光学及其它领域得到广泛应用，特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序， 锯切加工成本约占加工总成本的 5 0 ％以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展。（1）从目前国内外加工的现状来看，硬脆性材料切割方法多种多样，主要有：金刚石圆盘锯切割（如外圆锯片切割和内圆锯片切割）、金刚石带锯切割、电火花线切割（只能用于带金属晶体）、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等等。在国际上，游离磨料线锯切割在单晶硅、多晶硅的切割中占主流地位，但是这种技术存在明显的不足： 线锯走丝速度低，通常≤10m/S，切割效率低, 锯丝使用寿命短。切割大尺寸坯料时磨料难以进入到长而深的切缝，磨浆的处理和回收成本较高。因此，近来出现金刚石线锯代替游离磨料线锯的发展趋势。目前，国内硅片多线切割设备仍然是国外品牌厂家统治的天下，其核心技术长期为他们所垄断，严重制约我国光伏产业和半导体IC产业的发展。国家将对新能源及其装备制造业给予有力的政策支持，并提出要强化科技创新，提升产业核心竞争力，加强产业关键核心技术和前沿技术研究，强化企业技术创新能力建设，以推进重大科研成果产业化和产业集聚发展。以求在十二五期间，攻下难关，逐步取代进口切割设备，才能迎合国家对新材料、新能源等战略性高新产业的发展势头，才能使自己的行业取得突破性的高速发展，使企业做精做大做强。（2）

二、国外硅片切割设备的最新发展

今年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上，国际各大公司展出其最新产品。

1、日本东京制钢公司在今年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上展出最新研制的T-8253B型金刚石多线切割机,见图1。该机线速度1000m/min,生产能力比游离丝切割机提高2倍以上，实现TTV<10μm，成品率98%的高精度加工，金刚石线消耗量1.5m/片以下，实行低成本生产，单位面积内生产能力4.7万片/m2。

图1.日本东京T-8253B金刚石多线切割机

2.瑞士MB公司在上海光伏展会上推出的BM850金刚石多线开方机和DS265切片机，其性能十分优越，代表了当今世界切割设备的最高水平，非国产机可比，值得认真考察研究镜鉴。

1)BM850型金刚石线锯开方机 见图2.

A.​ 特点

①G5大型晶锭(850×850×450)一次性开方。

②采用φ350μm金刚石线，可精确定位和张力控制，切割线消耗量最少。

③产能最高，每年切方36000-52000块。 图2. BM850型开方机内视图

(相当于120-170MW)

B.技术参数

2）DS265型金刚石多线切割机 ，见图3.

A.​ 特点

1​ 采用金刚石线提高线速度，提高进给速度，实现最高产能。

2​ 摇摆机构优化了金刚石线切割长度，缩短切割时间，并提高晶片质量。

3​ 最高产量(方锭300mm)≥90000片/年。

4​ 总运行成本最低 线耗量≤3m/片。

5​ 最新一代断线监控系统，实时停机，确保

6​ 工件和导轮不受损。 图3. DS265型多线切割机

B.​ 技术参数

C.​ 摇摆机构特点 见图4.

该机安装单晶硅棒的机构在切片过程，呈5度的往复摇摆。这使金刚石线进给时，与工件接触长度保持恒定，以保证硅片的切割质量。

图4.DS265型多线机摇摆机构示意图

综上所述，经过十几年的不断创新改进，国外新一代多线切割机显示出更加优越的特点：

1.使用的切割线更细，硅片更薄，大大减少硅原料消耗。硅片厚度从原来的330μm减薄到180-220μm,设备制造精度更高。进一步发展,将硅片厚度从原来的180μm减薄到150μm,制造成本降低25%。

2.考虑到使用金刚石线，将线速度提高到1000m/min以上；进给速度提高到1-5mm/min；生产效率提高2-3倍。

3.由于生产能力的大幅提高，则要求更为精密的数控系统，具备先进合理的工艺控制和切割线张力控制与监测系统。

4.美国应用材料(Applier Maierials)公司为在保持速度前提下提高机台产量，推出一套最新的MaxEdge系统，采用独特的两组独立控制的切割组件。该系统结合更细的切割线和更薄硅片，提升了线锯技术,降低了太阳能电力的每瓦成本。见图5.

图5.双切割线组件

三、国内多线切割设备日趋成熟

近年来，由于国家的重视，将极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项课题列入国家重大科技专项，另外，国内有关设备制造企业也看到了这个巨大的商机，大力投入人力物力开展艰苦的研制开发，先以仿制为主，逐渐转向自主创新，研制出有自身知识产权的高性能多线切割机。这次上海光伏展会上，有许多厂家的国产多线切割机和开方机参展，参展样机数量超过国外样机。如：无锡开源太阳能设备科技公司、江苏华盛天龙光电设备公司、上海日进机床公司、大连连城数控机器公司等等, 见表1。

1、陕西汉江机床公司展出的4620型数控多线切割机。该机经过多年研制，突破并掌握关键技术而开发成功的大规格高效、高精多线切割设备，最大工件10”(250mm)，最大工件长度820mm，最大存线量800km。该公司介绍,解决了下列技术关键：

a)​ 高精度排线导轮的多辊同步驱动技术；

b)​ 恒张力控制技术；

c)​ 高精度切割进给伺服控制系统；

d)​ 高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术；

e)​ 自动排线功能。

GK4620型多线切割机技术参数表

2、中国电子科技集团承担的国家重大科技项目-300mm多线切割机研制成功，打破了国内生产线上运行的12英寸多线切割机全部为进口设备的现状,该机近期内将完成商业机型的生产工艺验收。由此可见，国产切割机无论从品种规格，或性能参数指标各方面，与国外机相比，已缩小了差距，并努力接近国外水平。

国产多线切片机、开方机一览表 表1.

四、金刚石单线锯机应用前景广阔

国内半导体制造和光伏电池上游加工，包括：去头尾、截断、开方等的加工，大部分仍然采用金刚石带锯设备。加工表面粗糙，浪费材料，金刚石带锯价格也不菲，见图6。该图为北京某公司生产的大直径单晶硅棒在国产带锯机上切割两头端面。实际上，应该使用金刚石线锯机切割加工，能得到更高的质量。

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图6.在带锯机上切割单晶硅 图7.金刚石单线锯机在切割硅棒

1. JXQ-401金刚石单线切割机

北京电科45所研制的一款JXQ-401金刚石单线切割机，只是规格太小(110×110mm)，若加以放大至300×300mm，即可用于单晶硅切割。该机工件夹持装置设计为6度的摆动机构，保证切割线与工件接触长度均匀，提高切割效率和晶片质量。

JXQ-401金刚石单线切割机主要技术性能

1.​ 切割晶体最大尺寸： 110×110mm

2.​ 切割线最大线速度： 1000m/min

3.​ 工作台进给速度： 0.001-0.4mm/s

4.​ 摆动角度： 6º

5.​ 切片厚度误差： TTV≤25μm

6.​ 晶片表面粗糙度： Ra≤ 1.6μm

2、瑞士威尔(Well)公司生产各种型号的环形线锯机。

瑞士威尔(Well)公司开发生产从3000-9000系列金刚石线锯机，包括往复式线锯机和环形线锯机。威尔环形线锯机相对往复式线锯机，线速度有了较大的提高，但还没有达到高速切割。此公司新开发的号称高速切割机，线速度也仅达20m/sec，且环线周长较短，长度2.2米--2.4米，影响线切割寿命。如威尔6234型切割机，见图8。 图8.威尔6324环形线锯机

2、我们于2011年研制了一台金刚石环形线锯机，见图9。

图9. 金刚石环形线锯机正在切割多晶硅

本机性能参数如下：

金刚石环形线锯机技术参数

本机主要由：主动轮组件、从动轮组件、张紧轮组件、XY二维数控工作台、机架和控制系统组成。具有程序自动切割功能，线速度，进给速度皆数控无级调速。工作台上设有分度机构能进行角度切割，工作台定位精度0.01mm。切割工件尺寸精度<0.1mm,粗糙度Ra<0.8μm,线速度5-50m/s,进给速度可根据切割材料可达100mm/min,此机在国内尚属首例，且在线速度、环线的寿命、控制系统性能、切割效率上优于国外线锯机。

本机为北京某公司切割150mmX150mm硅棒时充分显示出其性能的优越性，该公司原用电火花线切割硅片，线速度<5m/sec,进给速度<1mm/min,工件尺寸精度仅达±0.3mm,粗糙度12.5μm，不但切割效率低，而且对工件还有烧损现象；而用带锯切割则切缝损耗达2mm, 进给速度<1mm/min， 粗糙度12.5μm，效率低。而用本机切割，工件尺寸精度<±0.1mm,厚度误差(TTV)<15μm,粗糙度0.4-0.6μm,进给速度可达3mm/min,比电火花线、带锯切割效率提高3倍以上。

以下是本机切割样品。

图11 汉白玉切割样品 图12 多晶硅切割样品

图13 多晶硅10X10X10切割样品

图14 工业陶瓷切割样品

通过研制，笔者认为，要设计好环形线锯机，有几点体会：

1、​ 要根据切割对象、规格大小、生产率、切割工艺等具体情况制订线锯机的结构方案。不同材料的切割对象和生产率要求有不同的切割工艺，有的材料要求干切，有的材料可以湿切，所以要求配备相应的除尘系统或冷却系统；要求配备不同的转速和进给速度以及自动化程度和各种工装夹具的设计等等。

2、​ 飞轮直径的大小影响金刚石线的曲率半径、从而影响金刚石线的疲劳寿命，因此飞轮的大小要与转速高低匹配。轮径大提高线曲率半径，从而提高金刚石线的寿命，但同时在相同加工精度条件下增加了轮的径向和轴向跳动，从而引起线的振动，降低线的寿命。经过试验可知，轮径应在φ200-500mm之间为宜。

3、​ 飞轮及轴系是高速旋转的部件，其轴向、径向精度，及各飞轮之间的平行精度对线锯机的加工精度，线的工作寿命至关重要。其中轴承是关键件，同时又是易损件，因此合理的轴承结构、精度和维护性是重中之重。

4、​ 张紧装置是使金刚石线保持适宜的张力，防止张力过大而断裂，同时避免过小而降低切割效率，甚至脱线。因此张紧机构也要具备飞轮一样的精度，同时要有足够的稳定性及维护性。

5、​ 进给工作台的精度直接影响加工精度，因此要根据用户的加工要求，配备相应精度的工作台。

6、​ 控制系统要根据不同的切割材料、不同的生产量来制订相应控制系统，达到适宜的自动化程度；同时设备具有良好人机操作界面、操作简便、维护方便、安全性可靠。

目前，大型往复式金刚石线锯机占金刚石线锯主导地位。但往复式由于受到正反转惯性作用，线速比较低，仅是3-10m/S,效率很低，且因为往复切割，导致工件表面质量不一致，而环形线锯则克服了往复线锯的缺点，线速可高达50m/s,可实现高效生产，因此在硅晶体、工业陶瓷加工等工业领域得到推广应用，并显示出其独特的高效及优越性。随着半导体、光伏材料产业的发展，在硅、陶瓷、玉石、石墨模具、名贵石材等行业有着广阔的应用前景。

六、结束语

超硬材料行业除了重视金刚石线锯的研究之外，更要大力投入切割设备的研究，因为两者是密不可分的。近年来，业内若干公司通过对金刚石绳锯成功的研究和推广，继而又迅速开展对绳锯机的研制和推广，两者相辅相成，双双迅速占领国内外市场。当然，硅片切割设备是个高精密设备，除了设计之外，还要配以高精密机械制造装备和高水平的机加工技术，才能保证设备的制造质量和技术性能指标。超硬材料行业应该为我国半导体产业和光伏产业的发展，为减少硅材料消耗，降低制造成本，解决生产中的关键，打破当前国外设备的垄断局面，做出更大的贡献！