WSS300搖擺式藍寶石金剛線切片機

葉國卿

摘 ?要：介紹了藍寶石多線切片機的發展技術背景，并對上海漢虹精密機械有限公司基于多線切割技術自主研發的WSS300藍寶石切片機的結構、性能做介紹，對關鍵技術以及切割工藝進行實驗分析，對多線切割技術在藍寶石切片領域應用進行初步探討。

關鍵詞：多線切割;金剛線;搖擺切割;藍寶石切片機

1.藍寶石多線切割機開發背景

隨著我國信息產業特別是半導體行業迅猛發展，對藍寶石片的需求量越來越大，精度要求也越來越高，傳統的藍寶石切片機采用內圓切割，這種切割機的刀片人口厚度在0.28～0.35mm之間，加工效率低，材料耗損大，出片率低，晶片表面質量較低。藍寶石采用多線切割技術是目前世界上先進的切片加工技術，尤其是采用了搖擺技術，用金剛線進行高速切割，切割效率高，切割尺寸精度高、TTV（Total Thinkness Varation 總厚度變化）較小，表面粗糙度好，降低了后道加工難度和加工成本。

藍寶石切片機作為藍寶石晶片加工的重要設備，廣泛應用于LED襯底片和各種窗口片的加工，同時還可以應用于磁性材料、晶體、光學玻璃、貴重金屬、壓電陶瓷、鎢鉬及半導體硅等脆硬性材料的切割。

20世紀90年代多線切割技術采用的是游離砂切割技術，采用普通鋼線，噴淋上SiC重油懸浮液進行切割，由于磨粒和工件實際接觸的面積較小，造成材料移除率較小，切割效率較低，而且重油會對環境產生污染，需要進行環保處理，增加了使用成本，隨著電鍍金剛線技術的成熟和廣泛應用，降低了金剛線成本，使得多線切割技術采用了高效切割的金剛線進行切割成為一種廣泛應有技術，采用金剛線多線切割直接使用水進行冷卻和潤滑，不會對環境造成化學污染。

2. WSS300藍寶石切片機主要技術特點

WSS300藍寶石切片機采用穩定的搖擺單元、高精度切割主軸、穩定的繞線輪、小導輪高剛性無軸向竄動設計，切割平穩精度高，最高線速度達到1000m/min線速度，高配版本采用1200m/min，最快1.5s加速達到最高切割速度，切割效率高。整機外形圖見圖1。

WSS300藍寶石切片機帶有自動布線功能，切割線每纏繞一圈自動布線機構步進一個槽距，使得操作簡單可靠，節省人力和降低操作技術要求難度。

主軸、繞線輪軸采用循環水冷方式，確保高速、長時間穩定可靠運行，軸承使用壽命長，使用成本低。

所有動力驅動采用高精度伺服電機驅動，控制光纖通信，響應速度快，并采用圓弧同步帶高精度平穩傳動，運行可靠。

升降單元行程300mm，空間較大，上下工件操作方便，繞線室收放線集中管理，操作空間大，操作維護方便，整機布局維護性好。

電氣箱配大功率空調，制冷效果好，保證長時間運行也穩定可靠。

切割液采用高效率板式熱交換器交換熱量，閉環恒溫控制切割液溫度，大容量雙聯袋式過濾器，并帶有壓力傳感器，一個壓力異常自動切換到另一個過濾器進行過濾，確保切割液暢通不停機設計，切割條件穩定可靠。

3.產品主要技術參數

1）切割形式：工件下壓、主輥鋼絲搖擺切割

2）加工方式：多線金剛線切割：0.25mm（素線φ0.18mm，金剛石30-40μm）

3）冷卻液：冷卻介質：水（5%-10%水性切割液）

4）工件尺寸*長度：max.φ6"*L300mm*1個

5）主軸主輪槽外徑*切割長度：φ180+7.5*300mm

6）主軸主軸形式：2軸

7）主軸轉速：Max.1900rpm

8）主軸軸間距：450mm

9）主軸冷卻方式：水循環冷卻

10）2”藍寶石切片TTV≤10μm

11）2”藍寶石切片BOW≤5μm

4.收放線切割原理及特點

WSS300藍寶石多線切割機收放線室設計在同一線輪室，廢液和清洗方便管理，鋼絲的收放線布局以、鋼絲的張力控制以、排線的精度和適應性是多線切割中的重要的技術。

如圖2所示，采用①放線輪進行鋼絲線放線，然后排線桿上的一對觸碰輪②進行前后排線管理，觸碰輪裝有編碼器，即時感應是否被鋼絲觸碰，如果被觸碰就感應到排線的偏差，根據觸碰輪瞬時轉速進行前后運行速度修正，修正的加速度與觸碰輪轉速有對應關系，轉速越快表示偏差越大，這時需要較大的加速度進行正確方向修正，這是鋼絲排線管理自動控制的關鍵技術。然后鋼絲進入帶有張力測量功能的一個特殊導輪，張力通過④張力臂的伺服電機進行左右擺動閉環控制張力大小，當張力小于設定允許的范圍時，張力臂朝左擺動拉緊鋼絲，使得鋼絲張力快速接近設定值，反之張力臂朝右變動，也使得鋼絲張力快接近設定值，張力控制精度達到35N±0.2N，能夠持續穩定的進行放線。

鋼絲經過幾個導輪換向后進入加工室，加工室的⑦主輥安裝于可以旋轉的⑧搖擺盤上，自動布線時（切割走線原理圖上略去了自動布線導輪）候搖擺盤360°旋轉實現自動布線，切割時⑧搖擺盤做±5°上下搖擺，達到均勻切割和快速冷卻以及及時排屑的功能，這是切割藍寶石這種莫氏硬度表達到9以上硬脆材料的關鍵技術。

鋼絲在⑦主輥上每一個槽里布線結束后再次經過一系列的導輪換向以及張力臂和帶有張力測量導輪后回到⑨收線輪，收線方向的排線以及張力閉環控制原理同放線端。

根據工藝需要，采取不同程序段對鋼絲線速度以及收放線量的管理，與工件尺寸和進給速度相匹配，達到最佳的經濟效率平衡點。

5.多電機同步控制系統特點

WSS300藍寶石多線切片機是由10個伺服電機組成的多電機控制系統。其中包括兩個主電機、兩個收放線電機、兩個排線電機、兩個張力電機、一個工作臺電機和一個搖擺電機。其中主電機1、2通過電機直連負載驅動兩個主輥工作，需要實現兩個主電機的同步運動。主電機是多電機系統的核心，收放線電機、排線電機和張力電機的速度都直接或間接受其控制;收放線電機進行鋼絲的收線和放線，實時跟隨主電機保持速度同步。排線電機跟隨收放線電機進行同步運動;張力電機通過轉矩控制分別對收線處和放線處的鋼絲施加恒張力，并通過張力擺桿的位置反映主電機和收放線電機的同步情況;工作臺電機、搖擺電機根據切割材料硬度、尺寸、幾何形狀來確定其加工的位置和速度;

以上多電機運動同步控制系統實現的關鍵是必須保證兩個主電機運動的速度同步，否則鋼絲容易斷線，無法進行正常切割。因此在控制中主軸同步控制采用虛擬主軸控制，兩個雙主軸跟隨虛擬主軸作速度同步控制。通過虛擬主軸控制，沒有理論偏差，沒有轉速波動，讓所有參與運動的實際軸以虛擬主軸位參考，實現多主軸的同步。

6.試驗數據和工藝特點

由于藍寶石切割圓棒為主，圓棒切割過程中鋼絲切割的工件長度也就是弦長2y就是變化的，如圖3所示， （其中：r：切割工件半徑 x：切割高度 y：切割長度/2），因此切割工藝中程序分段鋼絲新線的放線量需要與2y值相匹配，同時兼顧考慮剛切割初期線弓較小，切割一段距離后鋼絲形成較大的線弓后切割能力較強的特點，在試驗中進行適當的收放線量的調整，針對不同規格產品對TTV、BOW值要求，調整到最佳的質量與成本平衡的工藝。通過批量試驗，2”藍寶石切割TTV達到0-6μm范圍在98%以內，最大不超過10μm，BOW值在0-4μm范圍達到97%，最大不超過5μm的良好水平。

7.小結

藍寶石多線切片機作為一種控制金剛線高速運行，對藍寶石晶棒進行高效率、高精度切片的設備，對機械設計、電氣控制技術要求較高，同時零部件制造安裝精度在核心的主輥、晶向調節裝置等處要求極高，加工過程中還要具備良好的重復精度和設備運行可靠穩定性，合理的切割工藝程序匹配不同切割品種，方可發揮出較高的設備性能和使用經濟性。

參考文獻

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