多线摇摆往复式线锯切割加工运动的理论及试验研究

孙旭东 烟台力凯数控科技有限公司

一、多线摇摆往复切割加工运动的理论模型

虽然不同公司的设备略有不同，但多线摇摆往复式切割的基本运动方式，可分解为三个相对独立的运动方式：线锯的往复运动、工件的进给运动以及工件的摇摆运动。

（一）线锯往复运动

加工过程中，线锯的往复运动是通过左右导轮的周期性正反转带动来完成的。其目的是保证线锯有一定的切割速度以及切割过程中持续提供新线。线锯一个往复运动中速度随时间的变化曲线。图中vs 是线锯在稳定切割时的速度，也是往复运动中能达到的最大速度，-vs 表示线锯反向运动，tf，tb 分别是线锯正向匀速运动以及反向匀速运动的时间，ta 为线锯从速度为0 加速到最大速度时所用的时间，td 为线锯从最大速度减少到0 时所用的时间。如此往复运动实现切割过程中新线不断的供给，旧线不断的回收，使线网上的线不断地得到更新，保证了线网的锯切能力。用新线进给速度vw 来表征单位时间内进入锯切加工弧区中的新线长度；在完成晶圆切割总时间T 内，切割所用的总耗线量M 可由不同位置处的新线进给速度通过式（1）计算所得

（二）工件摇摆运动

加工过程中，工件装夹在固于弧形导轨的摇摆块上，并在步进电动机的控制下进行周期性左右摇摆运动。工件摇摆的左右极限位置与摇摆中心线的夹角称为最大摇摆角度；而黑色实线表示晶圆沿着圆心摇摆到最大角度θ 位置处。

二、固定单位长度新线材料去除体积R 的模型

1.固定新线材料去除体积的模型从上述分析可以看出，仅从材料去除率的角度，难以获得稳定的晶圆切割加工过程。同时从式还可以看出，材料去除率的模型仅表征了工件的运动，并没有涉及工具的运动。而在磨削加工过程中，相同材料去除率的条件下，参与加工的磨粒数对加工结果有着重要的影响。考虑到线锯表面磨粒分布的较大不均匀性，因此本文定义材料去除率Q 与新线进给速度vw 比值为单位长度新线材料去除体积R，则可得到单位长度新线材料去除体积随切割位置y 轴变化的计算公式如式（21）所示

2.加工运动参数对新线材料去除体积的影响根据工艺参数，分别计算不同最大摇摆角度θ 以及不同耗线量M 条件下的单位长度新线材料去除体积R 随加工过程的变化，从图中可以看出，正如文中所预期的，通过合理调控切割过程中工件进给速度以及新线进给速度随切割位置的变化，可以保证稳定R的切割过程。随着最大摇摆角度的均匀增加，R 值随之均匀增加；但随着耗线量的均匀增加，R 的值随之减小，但减小趋势逐渐放缓。进给速比u 和切割总时间T 对R 并无影响。

3.固定新线材料去除体积时的进给速度及材料去除率的变化，在相同切割总时间T下，三种不同情况下的工件进给速度随加工过程的变化，分别为匀速切割；无摇摆条件下，所计算的调整后的工件进给速度；有摇摆条件下，固定R 的情况下的所获得的工件进给速度。其他工艺条件如下：摇摆角度8°，进给速比50%，切割时间420min。与均匀进给速度（直线）相比，调整后的工件进给速度在切割工件两端时，其进给速度明显提高，但在切割工件中段时，进给速度明显减慢；而与无摇摆条件下的进给速度（短划线）相比，虽然两者有着相似的变化曲线，但仍然会有细微的差别；无摇摆条件下，进给速度呈现对称分布的，但加入摇摆后进给速度不再为对称分布，这与摇摆运动导致线锯提前与工件接触有关。短划线的曲线为不考虑R 固定条件下，有无摇摆条件下的Q 的变化（也是目前生产中常用的工艺参数设定方法）；而双点划线的曲线是在考虑了固定R 去除加工条件下，修正了进给速度后得到的Q 的变化。

三、切割试验切割试验

在苏州赫瑞特公司X07M250×350-1D-O多线切割机上进行，切割线锯采用日本住友电镀金刚石线锯，线径为0.18mm、磨粒大小30～40μm；切割工件为直径100mm 的4H-N型单晶碳化硅，晶棒长度20mm；最大摇摆角度为10°，摇摆周期为4s，张紧力为45N，最大线速度为25m/s，往复周期：86s，进给速比为50%，单片耗线量采用327m/pcs，总切割时间为340min。进给速度和新线进给速度曲线分别采用企业提供（工艺A）和本文修整的工艺参数（工艺B）进行切割，其随加工位置的变化曲线。两种不同工艺所加工得到的晶圆质量结果。两种工艺加工后的TTV 值没有明显差别，这是因为所加工用的机床和工具都相同，因此，晶片的厚度大致相同；但是反映晶片形状的翘曲度和弯曲度有着明显的差别。对于采用固定R 的加工工艺所加工的晶片，其翘曲度和弯曲度都有明显地减小。相比而言，采用固定R 而调整后的工艺参数所加工的晶片其表面更加平稳，没有观察到明显的凹凸。从加工过程中各参数的变化曲线，可以发现，虽然工艺A 采用改变加工过程中工件进给速度的方式来调整材料去除率，使得加工过程中的材料去除率变得平稳，但是其新线进给速度没有做相应的调整，因此导致其新线材料去除体积在加工过程中有明显波动。在加工前段，其新线材料去除体积明显高出，而加工后段也存在新线材料去除体积的变化。而从加工结果也可以看了，其加工后的表面在工件两端也出现了较大的波动。

四、结论

通过实际切割试验对本文所提出的固定R 的加工晶片质量进行了比较研究，切割试验结果表明优化后的工艺参数可以有效地提高晶片的加工质量。