树脂金刚石线在硅晶体切片时的磨损形貌研究

邵志松，高伟，延鹏飞，王东雪

1青岛科技大学机电工程学院；2青岛高测科技股份有限公司

1 引言

树脂金刚石线是采用热固树脂将金刚石颗粒固结到钢线上形成的线性切割工具[1，2]，主要应用于硅晶体和玻璃等硬脆材料的切割加工。

目前，对树脂金刚石线的研究多集中在制造领域，并对树脂金刚石线切割机理和切割工艺也进行了一定的研究，但对树脂金刚石线的磨损情况及磨损机理研究较少。郑楚夕等[3]通过对比不同上砂位置制作的电镀金刚石线对单晶硅锯切性能影响的试验，研究了金刚石线的磨损及损伤情况，指出金刚石线的磨损与损伤形式主要为金刚石磨粒的磨损与脱落以及锯丝镀层的磨损与损伤。黄波等[4]利用扫描电子显微镜对切割单晶硅后的电镀金刚石线的磨损情况进行了分析，研究发现，金刚石磨粒的脱落会导致镀层与被加工件直接接触并发生摩擦，从而使得镀层发生磨损和软化，并认为金刚石磨粒的脱落为金刚石线的主要磨损形式。庞继伟等[5]在研究电镀金刚石线切割光伏多晶硅切片的表面特性和锯丝磨损时，揭示了电镀金刚石线的磨损机理，指出电镀金刚石线的磨损形态：前期稳定磨损阶段表现为磨粒的磨平，后期剧烈磨损阶段表现为磨粒脱落和镀层磨损。

为提高树脂结合剂线锯的性能，Sung C.[6]通过对磨粒表面涂覆Cr、Mn及Ti等金属层来增强树脂对磨粒的把持强度。Enomoto T.等[7]通过向树脂中添加铜粉的方法提高了锯丝的耐热性；裘腾威等[8]提出双层紫外光固化树脂锯丝制作工艺，增大了磨粒把持力，改善了锯丝的耐磨性。

本文试验研究了树脂金刚石线在硅片切割中的磨损形貌，通过对磨损形貌的观察分析，提出了树脂金刚石线磨损的机理，为提高树脂金刚石线的切割寿命提供了一定的指导依据。

2 试验部分

2.1 试验原料及树脂金刚石线的制备

试验采用的金刚石微粉粒度为8～12μm，通过化学镀覆镍磷合金增重30%。化学镀覆后金刚石微粉的形貌见图1。树脂金刚石线的基体采用直径为0.08mm的镀铜高碳钢线，破断拉力为19N。采用热固性酚醛树脂为粘结剂。

图1 试验用金刚石微粉形貌

试验中树脂金刚石线主要制备工艺流程[9]如下：

配制混合树脂液：将液态酚醛树脂(简称液态树脂)、酚醛树脂粉(简称树脂粉)和溶剂按一定比例充分混合和溶解，形成混合树脂液。

配制树脂浆料：根据生产需求，量取一定体积的混合树脂液，按比例加入一定重量的金刚石微粉和绿SiC粉，充分搅拌混合，形成树脂浆料。

涂覆：将树脂浆料均匀涂覆到经过碱洗、水洗和干燥等前处理后的基线上。

半固化：将涂覆有树脂浆料的基线连续通过半固化炉，使树脂浆料中的溶剂挥发，树脂层初步固化后到收线辊上。

固化：将收线辊放入固化炉中，进一步加热固化树脂层，提高树脂层对金刚石颗粒的把持力。

制造过程中树脂线的半固化、固化过程伴随溶剂挥发及树脂体积收缩过程，因此，树脂浆料中的金刚石磨料质量分数并不等同于固化后树脂层中的金刚石质量分数。最终制备的树脂金刚石线见图2。

图2 制备的树脂金刚石线形貌

2.2 树脂金刚石线的切割试验

使用试验制作的树脂金刚石线对单晶硅进行切片试验，单晶硅试样的截面尺寸为156mm×156mm，棒长为600mm。切割设备为GC630多线切割机。主要切割参数见表1。切割完成后取收线轮上的树脂金刚石线(充分使用)，拍摄扫描电镜形貌。

表1 试验主要切割参数

3 试验结果及分析

3.1 切割后树脂金刚石线的总体磨损形貌

切割完成后检测树脂金刚石线的平均直径为0.094mm，较新线降低了4μm左右，说明树脂金刚石线的总体磨损较轻。

图3为切割后树脂金刚石线的扫描电镜形貌。可见，树脂金刚石线的总体磨损较轻，树脂层没有明显的开裂和脱落现象，说明树脂层和基线的结合能力较强。另外，有少量的金刚石从树脂线表面脱落并留下凹坑，因数量较少，不影响树脂金刚石线的总体切割能力。

图3 树脂金刚石线磨损的总体形貌

3.2 金刚石颗粒的轻微破碎

图4为单颗金刚石颗粒的磨损形貌，金刚石的棱边产生了轻微破碎现象，这是金刚石磨损的主要形式。显然，此时金刚石仍具有一定的切割能力。从照片中还看出，金刚石颗粒的顶端并没有明显的磨平形貌，说明树脂金刚石线切割硅晶体时的切割部分温度不高，达不到金刚石颗粒的石墨化温度，因此金刚石顶面没有出现抛光磨平现象。这主要是因为树脂金刚石线切割硅晶体时的切割线速度较低，仅为13m/s，因此切割温度并不高。

图4 金刚石颗粒的轻微破碎

3.3 金刚石颗粒的开裂及整体破碎

图5为金刚石颗粒开裂的扫描电镜形貌。由图可见，金刚石颗粒出现明显的裂纹，产生贯通性的开裂现象。这可能是由两方面原因形成，一方面是金刚石颗粒本身存在微小的裂纹缺陷，金刚石微粉生产过程需要经过反复的冲击、破碎，不可避免地造成金刚石微粉内部存在一定的裂纹损伤，在切割过程中，裂纹逐渐扩展，最终导致金刚石的开裂；另一方面是树脂金刚石线切割过程中，金刚石颗粒不可避免地受到机械冲击的作用，反复的机械冲击会造成金刚石颗粒出现裂纹。显然，金刚石颗粒一旦出现开裂现象，基本上不再具备切割能力。若继续切割，开裂的金刚石在方向交变的切割力作用下有一部分会脱落，出现整体破碎形貌(见图6)。金刚石颗粒一旦产生整体破碎情况，出刃高度会大幅降低，将不再参与切割过程。为避免或者减少金刚石颗粒的开裂和整体破碎现象，应尽可能选择内部裂纹少且强度高的金刚石微粉。

图5 金刚石颗粒的开裂 图6 金刚石颗粒整体破碎

3.4 金刚石颗粒和树脂层的离隙

图7为产生离隙的扫描电镜照片，金刚石颗粒和树脂层间出现明显的缝隙，并且缝隙周围的树脂层产生开裂损坏现象。出现这种离隙现象的原因分析如下：树脂金刚石线在硅片的多线切割中为往复切割过程[10]，从放线轮上放出一定线量到收线轮上，然后再反向进行。因此，树脂金刚石线上的金刚石颗粒受到方向不断变化的切割力作用，这种方向变化的切割力会通过金刚石作用在树脂层上，造成金刚石附近的树脂层产生裂纹。裂纹逐渐扩展，使金刚石和树脂层之间出现缝隙，即出现离隙现象。显然，一旦出现离隙现象，虽然金刚石没有脱落，但是切割过程中金刚石会在方向变化的切割力作用下出现晃动现象，表现出明显的退让性，降低了切割能力，集中表现为切割扭矩的增加，出现严重的切割延时[11]。因此，为防止出现严重的离隙现象，应该尽可能提高树脂层的硬度及强度。

图7 金刚石颗粒和树脂层之间产生的离隙现象

3.5 金刚石颗粒的脱落

图8为金刚石颗粒脱落后在树脂层留下的凹坑。说明金刚石颗粒脱落前，其周围的树脂层首先产生开裂和压溃，并出现一定的剥落，最终失去对金刚石的把持力，从而使金刚石在切割力的作用下产生脱落。对于硅晶体的多线切割工艺，树脂金刚石线产生往复的切割运动，使金刚石受到方向交变的切割力作用，金刚石周围的树脂层受到金刚石颗粒的反复挤压和拉伸。树脂层在交变应力作用下产生微小裂纹，裂纹逐渐扩展，使树脂层产生开裂和小块的剥落，最终导致金刚石颗粒的脱落。这一点可能和一般树脂金刚石砂轮中金刚石的脱落机理有所不同，并不是因为切割热的作用使树脂层产生分解。

图8 金刚石颗粒脱落留下的凹坑

4 结语

通过实际切割研究了树脂金刚石线切割硅晶体时的磨损形貌，通过观察扫描电镜照片初步分析了磨损机理，得出以下结论。

(1)树脂金刚石线切割硅晶体时，树脂层基本不产生磨损和脱落，主要表现为金刚石颗粒的轻微破碎、金刚石颗粒的开裂和脱落、金刚石颗粒和树脂层的离隙、金刚石颗粒的脱落。

(2)金刚石颗粒的轻微破碎由切割力的机械作用产生，破碎面出现微小的切割刃，并没有出现磨平现象，因此不存在石墨化过程。

(3)金刚石颗粒产生开裂或者整体破碎可能由金刚石微粉内部存在微小裂纹而引起的，因此，应选择内部裂纹少、强度较高的金刚石微粉。

(4)树脂层会在方向变化的切割力作用下产生开裂，使金刚石和树脂层之间产生离隙现象，切割过程中金刚石会产生晃动，降低树脂金刚石线的切割能力。进一步切割时，金刚石产生脱落现象。因此，为防止过早出现离隙及金刚石脱落，应提高树脂层的强度和硬度。