樹(shù)脂金剛石線在硅晶體切片時(shí)的磨損形貌研究

邵志松，高偉，延鵬飛，王東雪

1青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2青島高測(cè)科技股份有限公司

1 引言

樹(shù)脂金剛石線是采用熱固樹(shù)脂將金剛石顆粒固結(jié)到鋼線上形成的線性切割工具[1，2]，主要應(yīng)用于硅晶體和玻璃等硬脆材料的切割加工。

目前，對(duì)樹(shù)脂金剛石線的研究多集中在制造領(lǐng)域，并對(duì)樹(shù)脂金剛石線切割機(jī)理和切割工藝也進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)樹(shù)脂金剛石線的磨損情況及磨損機(jī)理研究較少。鄭楚夕等[3]通過(guò)對(duì)比不同上砂位置制作的電鍍金剛石線對(duì)單晶硅鋸切性能影響的試驗(yàn)，研究了金剛石線的磨損及損傷情況，指出金剛石線的磨損與損傷形式主要為金剛石磨粒的磨損與脫落以及鋸絲鍍層的磨損與損傷。黃波等[4]利用掃描電子顯微鏡對(duì)切割單晶硅后的電鍍金剛石線的磨損情況進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，金剛石磨粒的脫落會(huì)導(dǎo)致鍍層與被加工件直接接觸并發(fā)生摩擦，從而使得鍍層發(fā)生磨損和軟化，并認(rèn)為金剛石磨粒的脫落為金剛石線的主要磨損形式。龐繼偉等[5]在研究電鍍金剛石線切割光伏多晶硅切片的表面特性和鋸絲磨損時(shí)，揭示了電鍍金剛石線的磨損機(jī)理，指出電鍍金剛石線的磨損形態(tài)：前期穩(wěn)定磨損階段表現(xiàn)為磨粒的磨平，后期劇烈磨損階段表現(xiàn)為磨粒脫落和鍍層磨損。

為提高樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸的性能，Sung C.[6]通過(guò)對(duì)磨粒表面涂覆Cr、Mn及Ti等金屬層來(lái)增強(qiáng)樹(shù)脂對(duì)磨粒的把持強(qiáng)度。Enomoto T.等[7]通過(guò)向樹(shù)脂中添加銅粉的方法提高了鋸絲的耐熱性；裘騰威等[8]提出雙層紫外光固化樹(shù)脂鋸絲制作工藝，增大了磨粒把持力，改善了鋸絲的耐磨性。

本文試驗(yàn)研究了樹(shù)脂金剛石線在硅片切割中的磨損形貌，通過(guò)對(duì)磨損形貌的觀察分析，提出了樹(shù)脂金剛石線磨損的機(jī)理，為提高樹(shù)脂金剛石線的切割壽命提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原料及樹(shù)脂金剛石線的制備

試驗(yàn)采用的金剛石微粉粒度為8～12μm，通過(guò)化學(xué)鍍覆鎳磷合金增重30%?；瘜W(xué)鍍覆后金剛石微粉的形貌見(jiàn)圖1。樹(shù)脂金剛石線的基體采用直徑為0.08mm的鍍銅高碳鋼線，破斷拉力為19N。采用熱固性酚醛樹(shù)脂為粘結(jié)劑。

圖1 試驗(yàn)用金剛石微粉形貌

試驗(yàn)中樹(shù)脂金剛石線主要制備工藝流程[9]如下：

配制混合樹(shù)脂液：將液態(tài)酚醛樹(shù)脂(簡(jiǎn)稱(chēng)液態(tài)樹(shù)脂)、酚醛樹(shù)脂粉(簡(jiǎn)稱(chēng)樹(shù)脂粉)和溶劑按一定比例充分混合和溶解，形成混合樹(shù)脂液。

配制樹(shù)脂漿料：根據(jù)生產(chǎn)需求，量取一定體積的混合樹(shù)脂液，按比例加入一定重量的金剛石微粉和綠SiC粉，充分?jǐn)嚢杌旌?，形成?shù)脂漿料。

涂覆：將樹(shù)脂漿料均勻涂覆到經(jīng)過(guò)堿洗、水洗和干燥等前處理后的基線上。

半固化：將涂覆有樹(shù)脂漿料的基線連續(xù)通過(guò)半固化爐，使樹(shù)脂漿料中的溶劑揮發(fā)，樹(shù)脂層初步固化后到收線輥上。

固化：將收線輥放入固化爐中，進(jìn)一步加熱固化樹(shù)脂層，提高樹(shù)脂層對(duì)金剛石顆粒的把持力。

制造過(guò)程中樹(shù)脂線的半固化、固化過(guò)程伴隨溶劑揮發(fā)及樹(shù)脂體積收縮過(guò)程，因此，樹(shù)脂漿料中的金剛石磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不等同于固化后樹(shù)脂層中的金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)。最終制備的樹(shù)脂金剛石線見(jiàn)圖2。

圖2 制備的樹(shù)脂金剛石線形貌

2.2 樹(shù)脂金剛石線的切割試驗(yàn)

使用試驗(yàn)制作的樹(shù)脂金剛石線對(duì)單晶硅進(jìn)行切片試驗(yàn)，單晶硅試樣的截面尺寸為156mm×156mm，棒長(zhǎng)為600mm。切割設(shè)備為GC630多線切割機(jī)。主要切割參數(shù)見(jiàn)表1。切割完成后取收線輪上的樹(shù)脂金剛石線(充分使用)，拍攝掃描電鏡形貌。

表1 試驗(yàn)主要切割參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 切割后樹(shù)脂金剛石線的總體磨損形貌

切割完成后檢測(cè)樹(shù)脂金剛石線的平均直徑為0.094mm，較新線降低了4μm左右，說(shuō)明樹(shù)脂金剛石線的總體磨損較輕。

圖3為切割后樹(shù)脂金剛石線的掃描電鏡形貌?？梢?jiàn)，樹(shù)脂金剛石線的總體磨損較輕，樹(shù)脂層沒(méi)有明顯的開(kāi)裂和脫落現(xiàn)象，說(shuō)明樹(shù)脂層和基線的結(jié)合能力較強(qiáng)。另外，有少量的金剛石從樹(shù)脂線表面脫落并留下凹坑，因數(shù)量較少，不影響樹(shù)脂金剛石線的總體切割能力。

圖3 樹(shù)脂金剛石線磨損的總體形貌

3.2 金剛石顆粒的輕微破碎

圖4為單顆金剛石顆粒的磨損形貌，金剛石的棱邊產(chǎn)生了輕微破碎現(xiàn)象，這是金剛石磨損的主要形式。顯然，此時(shí)金剛石仍具有一定的切割能力。從照片中還看出，金剛石顆粒的頂端并沒(méi)有明顯的磨平形貌，說(shuō)明樹(shù)脂金剛石線切割硅晶體時(shí)的切割部分溫度不高，達(dá)不到金剛石顆粒的石墨化溫度，因此金剛石頂面沒(méi)有出現(xiàn)拋光磨平現(xiàn)象。這主要是因?yàn)闃?shù)脂金剛石線切割硅晶體時(shí)的切割線速度較低，僅為13m/s，因此切割溫度并不高。

圖4 金剛石顆粒的輕微破碎

3.3 金剛石顆粒的開(kāi)裂及整體破碎

圖5為金剛石顆粒開(kāi)裂的掃描電鏡形貌。由圖可見(jiàn)，金剛石顆粒出現(xiàn)明顯的裂紋，產(chǎn)生貫通性的開(kāi)裂現(xiàn)象。這可能是由兩方面原因形成，一方面是金剛石顆粒本身存在微小的裂紋缺陷，金剛石微粉生產(chǎn)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的沖擊、破碎，不可避免地造成金剛石微粉內(nèi)部存在一定的裂紋損傷，在切割過(guò)程中，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金剛石的開(kāi)裂；另一方面是樹(shù)脂金剛石線切割過(guò)程中，金剛石顆粒不可避免地受到機(jī)械沖擊的作用，反復(fù)的機(jī)械沖擊會(huì)造成金剛石顆粒出現(xiàn)裂紋。顯然，金剛石顆粒一旦出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，基本上不再具備切割能力。若繼續(xù)切割，開(kāi)裂的金剛石在方向交變的切割力作用下有一部分會(huì)脫落，出現(xiàn)整體破碎形貌(見(jiàn)圖6)。金剛石顆粒一旦產(chǎn)生整體破碎情況，出刃高度會(huì)大幅降低，將不再參與切割過(guò)程。為避免或者減少金剛石顆粒的開(kāi)裂和整體破碎現(xiàn)象，應(yīng)盡可能選擇內(nèi)部裂紋少且強(qiáng)度高的金剛石微粉。

圖5 金剛石顆粒的開(kāi)裂 圖6 金剛石顆粒整體破碎

3.4 金剛石顆粒和樹(shù)脂層的離隙

圖7為產(chǎn)生離隙的掃描電鏡照片，金剛石顆粒和樹(shù)脂層間出現(xiàn)明顯的縫隙，并且縫隙周?chē)臉?shù)脂層產(chǎn)生開(kāi)裂損壞現(xiàn)象。出現(xiàn)這種離隙現(xiàn)象的原因分析如下：樹(shù)脂金剛石線在硅片的多線切割中為往復(fù)切割過(guò)程[10]，從放線輪上放出一定線量到收線輪上，然后再反向進(jìn)行。因此，樹(shù)脂金剛石線上的金剛石顆粒受到方向不斷變化的切割力作用，這種方向變化的切割力會(huì)通過(guò)金剛石作用在樹(shù)脂層上，造成金剛石附近的樹(shù)脂層產(chǎn)生裂紋。裂紋逐漸擴(kuò)展，使金剛石和樹(shù)脂層之間出現(xiàn)縫隙，即出現(xiàn)離隙現(xiàn)象。顯然，一旦出現(xiàn)離隙現(xiàn)象，雖然金剛石沒(méi)有脫落，但是切割過(guò)程中金剛石會(huì)在方向變化的切割力作用下出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的退讓性，降低了切割能力，集中表現(xiàn)為切割扭矩的增加，出現(xiàn)嚴(yán)重的切割延時(shí)[11]。因此，為防止出現(xiàn)嚴(yán)重的離隙現(xiàn)象，應(yīng)該盡可能提高樹(shù)脂層的硬度及強(qiáng)度。

圖7 金剛石顆粒和樹(shù)脂層之間產(chǎn)生的離隙現(xiàn)象

3.5 金剛石顆粒的脫落

圖8為金剛石顆粒脫落后在樹(shù)脂層留下的凹坑。說(shuō)明金剛石顆粒脫落前，其周?chē)臉?shù)脂層首先產(chǎn)生開(kāi)裂和壓潰，并出現(xiàn)一定的剝落，最終失去對(duì)金剛石的把持力，從而使金剛石在切割力的作用下產(chǎn)生脫落。對(duì)于硅晶體的多線切割工藝，樹(shù)脂金剛石線產(chǎn)生往復(fù)的切割運(yùn)動(dòng)，使金剛石受到方向交變的切割力作用，金剛石周?chē)臉?shù)脂層受到金剛石顆粒的反復(fù)擠壓和拉伸。樹(shù)脂層在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生微小裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，使樹(shù)脂層產(chǎn)生開(kāi)裂和小塊的剝落，最終導(dǎo)致金剛石顆粒的脫落。這一點(diǎn)可能和一般樹(shù)脂金剛石砂輪中金剛石的脫落機(jī)理有所不同，并不是因?yàn)榍懈顭岬淖饔檬箻?shù)脂層產(chǎn)生分解。

圖8 金剛石顆粒脫落留下的凹坑

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際切割研究了樹(shù)脂金剛石線切割硅晶體時(shí)的磨損形貌，通過(guò)觀察掃描電鏡照片初步分析了磨損機(jī)理，得出以下結(jié)論。

(1)樹(shù)脂金剛石線切割硅晶體時(shí)，樹(shù)脂層基本不產(chǎn)生磨損和脫落，主要表現(xiàn)為金剛石顆粒的輕微破碎、金剛石顆粒的開(kāi)裂和脫落、金剛石顆粒和樹(shù)脂層的離隙、金剛石顆粒的脫落。

(2)金剛石顆粒的輕微破碎由切割力的機(jī)械作用產(chǎn)生，破碎面出現(xiàn)微小的切割刃，并沒(méi)有出現(xiàn)磨平現(xiàn)象，因此不存在石墨化過(guò)程。

(3)金剛石顆粒產(chǎn)生開(kāi)裂或者整體破碎可能由金剛石微粉內(nèi)部存在微小裂紋而引起的，因此，應(yīng)選擇內(nèi)部裂紋少、強(qiáng)度較高的金剛石微粉。

(4)樹(shù)脂層會(huì)在方向變化的切割力作用下產(chǎn)生開(kāi)裂，使金剛石和樹(shù)脂層之間產(chǎn)生離隙現(xiàn)象，切割過(guò)程中金剛石會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，降低樹(shù)脂金剛石線的切割能力。進(jìn)一步切割時(shí)，金剛石產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。因此，為防止過(guò)早出現(xiàn)離隙及金剛石脫落，應(yīng)提高樹(shù)脂層的強(qiáng)度和硬度。