金剛石線鋸電火花復合切割硬脆半導體的研究進展*

張乃軍 高玉飛 郭志田

（①山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；②青特集團有限公司，山東 青島 266000）

硬脆半導體材料廣泛應用于光伏發電、消費電子、信息技術等領域，半導體行業已成為電子信息產業和光電產業的基礎。近幾十年來，半導體材料在微電子工業，如計算機系統、集成電路（IC）行業和智能手機行業，使用量的增長呈現出井噴趨勢，90%以上的電子元器件是由硅材料制造的[1]；在光伏領域，硅錠切片更是太陽能電池制造過程中極其重要的一環[2]。

切片加工是半導體材料機械加工的重要工序之一。然而，由于半導體材料的硬脆特性，傳統的切片加工方法不僅困難，而且會有相應的缺點，如金剛石線鋸切割工件表面線痕明顯、工具磨損大；電火花線切割切削效率低且表面質量低等。鑒于目前已有的方法在硬脆半導體材料切割方面存在著各自的缺點和局限性，研究人員便開始在金剛石線鋸切割的基礎上向復合加工的領域探索，試圖通過復合不同加工方式來彌補單獨加工時的缺點，進一步提高硬脆半導體材料的切割加工質量和生產效率，其中較為典型的復合加工方法有電解輔助線鋸復合切割[3-5]、超聲輔助線鋸復合切割[6-7]和金剛石線鋸電火花復合切割[8]等。

金剛石線鋸電火花復合切割被證實在切割硬脆半導體時具有切割效率高、重鑄層厚度小以及形狀精度高等優勢[9-10]，并且同樣可用于切割硬脆絕緣材料[11-15]。國內外學者對于金剛石線鋸電火花復合切割的研究內容主要集中在機理探索和工藝對比試驗方面。本文介紹了金剛石線鋸電火花復合切割的基本加工原理和材料去除機理，從工藝性能和影響因素等方面綜述了其在硬脆半導體材料切割方面的研究現狀，并對后續的發展和研究方向進行了展望。

1 加工原理和材料去除機理

1.1 加工原理

金剛石線鋸電火花復合切割的實現方式有兩種，一種是更換電火花機床的加工線為電鍍金剛石線[8-9,16-18]，另一種是在金剛石線鋸機上增加高頻脈沖電源[10]。目前的研究大多是采用第一種方法。金剛石線鋸電火花復合切割半導體材料的系統和原理如圖1 所示，將高頻脈沖電源的正極和負極分別連接到半導體工件和往復運動的金剛石線上，利用電火花放電釋放出來的熱量使工件表面材料熔化、氣化，同時金剛石線上的磨粒對工件表面材料進行磨削，兩者共同實現切割效果。因此，在金剛石線鋸電火花復合切割過程中，材料的去除方式有磨粒磨削去除和電火花放電蝕除兩種，以后者為主，其材料去除占比為60.39%～93.54%[19]，二者具體的材料去除比例與線鋸速度、進給速度和放電參數等有關[17]。

圖1 金剛石線鋸電火花復合切割系統示意圖（上）[19]和加工原理圖（下）[20]

半導體放電加工不同于金屬放電加工，以P 型硅正極性放電加工為例，其放電等效模型如圖2 所示。放電端勢壘由加工時放電通道與半導體接觸產生，可等效為肖特基二極管；進電端勢壘由進電金屬與半導體接觸產生，也可視為肖特基二極管；半導體體電阻可等效為變阻器。當金剛石線電極絲上的磨粒與工件接觸時，由于體電阻和反偏二極管肖特基勢壘的存在，電極絲與工件之間的電壓仍然保持在一個較高的值，該電壓可以擊穿間隙介質，并在其他沒有接觸的地方產生電火花放電，因此，加工過程仍然可以進行[21]。

1.2 加工狀態與材料去除機理

根據放電狀態，金剛石線鋸電火花復合切割的加工狀態可分為開路、正常放電和短路3 種，其電壓、電流波型與電火花加工半導體時相似。

根據材料去除方式，復合切割的加工狀態也可分為3 種，如圖3 所示。當磨粒突出高度a較大且單次磨削去除厚度較小時，加工間隙b大于最大放電間隙c，此時只有磨粒磨削作用，如圖3a 所示；當最大放電間隙c大于加工間隙b且小于磨粒突出高度a時，磨粒磨削作用與放電蝕除作用同時存在，如圖3b 所示；當最大放電間隙c大于磨粒突出高度a且大于加工間隙b時，只存在放電蝕除作用，如圖3c 所示[8]。上述三者距離的相互關系受電參數、進給速度和線鋸速度等因素綜合作用的影響，因此，為充分利用兩種方式去除材料，達到最好的復合效果，應采用合適參數使得最大放電間隙等于磨粒突出高度平均值，讓加工時磨粒磨削作用和放電蝕除作用并存。

圖3 復合切割加工狀態[8]

雖然在金剛石線鋸電火花復合切割過程中材料的去除方式有磨粒磨削去除和電火花放電蝕除兩種，但即使是在復合效果最好的加工狀態下，放電蝕除作用也并不是一直存在的。在脈沖寬度內，放電蝕除作用和磨粒磨削作用共同去除材料，但在脈沖間隔內，只存在磨粒磨削作用一種材料去除方式。連續脈沖信號單個脈沖周期內單顆金剛石磨粒去除材料過程如圖4 所示。在脈沖寬度內，電火花放電與金剛石磨粒共同去除工件材料，A處的虛線部分是該脈沖寬度內二者去除的工件材料，B處為脈沖結束時該部分材料去除后的示意圖；在脈沖間隔內，金剛石磨粒繼續進行磨削作用，此時的金剛石磨粒不但能夠去除電火花放電產生的電蝕坑與重鑄層，甚至可以繼續磨削未放電部分的工件表面，C處的虛線部分為該脈沖間隔內金剛石磨粒磨削去除的材料，與此同時，電蝕產物和加工磨屑被工作液沖洗帶離放電間隙[19]。因此，脈沖寬度內金剛石磨粒與電火花放電的總材料去除速度與脈沖間隔內金剛石磨粒的材料去除速度之間的差值決定了金剛石線線芯與工件之間的距離，從而導致了不同的加工狀態和工藝結果[19]。

圖4 連續脈沖信號單個脈沖周期內單顆金剛石磨粒去除材料示意圖[19]

2 工藝性能與加工質量

2.1 材料去除率與切削效率

金剛石線鋸電火花復合切割能夠顯著提高材料去除率和切削效率[16-17]，其切削效率比金剛石線鋸切割高6% 左右，比電火花線切割高160%[10]，如圖5 所示。金剛石線鋸電火花復合切割利用金剛石磨粒和電火花放電共同去除材料，電火花放電產生的高溫不僅能直接去除部分材料，還能軟化加工區其余材料，使金剛石磨粒更易將其去除，而脈沖間隔內金剛石磨粒能夠去除放電形成的重鑄層，有利于下一次電火花放電蝕除材料。

圖5 3 種加工方法的切削效率與表面粗糙度對比[10]

2.2 切削力、線張力和線弓

金剛石線鋸電火花復合切割的進給力、側向力、切削力和線張力都比金剛石線鋸切割要更小且更穩定，并且線弓恒定[16,18]；且線弓比金剛石線鋸切割和電火花線切割都要小[8]。這是因為電火花放電能夠降低復合切割的宏觀切削力，減小作用在金剛石線上的載荷，提高張力穩定性，有利于減小線弓并提高加工精度。

2.3 加工精度

金剛石線鋸電火花復合切割能夠提高加工精度。在不同進給方向下的復合切割加工精度都高于金剛石線鋸切割[18]，其形狀精度比金剛石線鋸切割和電火花線切割都高，是三者中最適合硬脆材料形狀切削的方法[8]。

2.4 表面粗糙度

金剛石線鋸電火花復合切割因為金剛石磨粒磨削作用的存在能夠改善電火花放電導致的表面粗糙度較高的問題，其表面粗糙度相比電火花線切割降低近73%[10]，但要高于金剛石線鋸切割[8,10,16]，如圖5所示。

2.5 切縫寬度和材料損失

金剛石線鋸電火花復合切割的切縫寬度比金剛石線鋸切割大，但比電火花線切割小5%左右，因為使用復合切割方法切割工件時，金剛石線雖然與工件接觸，但由于電火花放電的存在，工件表面材料發生熱爆炸導致線材振動，這種振動比金剛石線鋸切割大，但遠小于電火花線切割[10]。也有其他學者研究發現，復合切割的切縫寬度和材料損失比另外兩種加工方法都要小[17]或與之處于同一水平[8]。結論的差異與選擇的切割線尺寸和性能以及放電參數不同有關。

2.6 表面形貌與重鑄層厚度

復合切割工件表面會有凹坑、劃痕和微裂紋，但劃痕數量比金剛石線鋸切割少，凹坑尺寸和數量比電火花線切割小，重鑄層和表面熱影響區厚度比電火花線切割小甚至沒有，表面損傷層厚度比金剛石線鋸切割略大[8,10,17]；具體形貌與電參數和物理參數導致的放電蝕除作用和磨粒磨削作用的貢獻大小有關[17,19]。復合切割的材料去除機制是電火花放電與磨粒磨削相結合的，電火花放電產生的高溫使工件形成熱影響層并使表面材料軟化、熔化，然后經工作液冷卻后沖走去除，形成電蝕凹坑，同時殘余熔融材料在工件表面再凝固形成重鑄層；金剛石磨粒磨削時，先對重鑄層、熱影響層和凹坑部分進行去除，然后再對工件基材進行磨削并留下劃痕。圖6所示為單晶硅的表面形貌。

圖6 單晶硅的表面形貌

2.7 金剛石線磨損

金剛石線的磨損通常通過線徑降低量來體現。復合切割的金剛石線整體直徑損失比金剛石線鋸切割要高，電鍍層處直徑損失與金剛石線鋸切割接近，但電鍍層會更粗糙甚至出現裂紋，而且會有更多的磨粒從電鍍層中暴露出來（圖7），這是因為電鍍層在電火花放電過程中先熔化再凝固，在工作液的冷卻作用下形成了裂紋；電鍍層熔化時使磨粒外露，從而對磨損的磨粒形成自銳作用，再凝固時又強化了磨粒的固結，保證了金剛石線切割能力的穩定性，維持高性能鋸切[16-17]。但也有學者認為復合切割中作用在磨粒上的切削力比金剛石線鋸切割要小，因此金剛石線磨損也更小[10]。結論的差異可能與實現復合加工的方式和選擇的電參數不同有關。

圖7 復合切割（上）與金剛石線鋸切割（下）在相同鋸切量下的線材磨損[16]

3 影響因素

金剛石線電火花切割工藝性能的影響因素包括脈沖電壓、電流、脈沖寬度和占空比等電參數、進給速度和線鋸速度等物理參數和冷卻條件等。

3.1 電參數

脈沖電壓、電流、脈沖寬度（脈沖開啟時間）和占空比等電參數通過影響電火花放電蝕除作用來改變工藝性能。

單位脈沖放電能量與放電功率和脈沖開啟時間成正比，而放電功率與脈沖電流和電壓成正比。在材料去除率與進給速度相匹配的情況下，功率的提高有助于增強電火花放電蝕除效果，提高材料去除率，但工件表面粗糙度會相應變差；脈沖電流的增大還會使切縫寬度變大[16-17]。

當占空比一定時，脈沖開啟時間越長即脈沖寬度越大，電火花放電蝕除能力越強，復合切割效率和材料去除率也越高，線弓越小，但表面粗糙度會相應變差，切縫寬度增大，材料損失也越多[17]；但當脈沖寬度過小，放電蝕除作用無法滿足磨粒磨削作用時，加工間隙會不斷減小，甚至會發生短路現象[19]。

當脈沖寬度相同時，脈沖關閉時間越長即占空比越小，電火花放電蝕除能力越弱，材料去除率將跟不上進給速度，導致線弓變大，復合切割效率和材料去除率也降低，但切縫寬度也越小，材料損失越少，且磨粒磨削作用相對提高，工件表面粗糙度也相應改善[17]。圖8 和圖9 分別為脈沖開啟時間和關閉時間對復合加工切縫長度和寬度的影響，圖中用給定進給量下的切縫長度來間接反映線弓的大小。

圖8 脈沖開啟時間PW 和脈沖關閉時間PP 對切縫長度的影響[17]

圖9 脈沖開啟時間PW 和脈沖關閉時間PP 對切縫寬度的影響[17]

3.2 物理參數

進給速度和線鋸速度等物理參數通過影響磨粒磨削作用和復合狀態來改變工藝性能。

隨著進給速度的增大，電火花放電蝕除效果減弱，磨粒磨削作用增強，線弓變大，切縫寬度減小，表面損傷層厚度和材料損失均減小，表面粗糙度得到改善，表面含有放電腐蝕、凹坑、重鑄等特征的程度逐漸減弱，并逐漸趨向于產生磨粒形成的劃痕[8,17]；復合切割的材料去除率和切削效率都增大[17]；但當進給速度的增加達到材料去除能力無法匹配的程度時，金剛石線與工件的接觸會逐漸緊密，更容易出現短路現象[16]，短路放電狀態比例增加[8]，且過大進給速度使磨粒磨削深度增大，使工件表面產生較深的劃痕，表面粗糙度反而增大[19]。圖10和圖11 分別為進給速度對復合切割的損傷層厚度和切削效率的影響。

圖10 進給速度對表面損傷層厚度的影響[17]

圖11 進給速度對切削效率的影響[17]

隨著線鋸速度的增大，單位時間內參與磨削的磨粒數增加，材料去除率增大，但表面粗糙度先提高后降低；其中，表面粗糙度降低部分是因為隨著磨粒磨削作用的增強，放電凹坑與重鑄層部分的去除提升[19]。圖12 和圖13 分別為進給速度與線鋸速度對材料去除率和表面粗糙度的影響。

圖12 進給速度與線鋸速度對材料去除率的影響[19]

圖13 進給速度與線鋸速度對表面粗糙度的影響[19]

除了進給速度和線鋸速度，切割方向也會影響工藝性能。復合切割時橫鋸的進給力明顯小于縱鋸，但橫向力大于縱鋸；縱鋸時的加工精度比橫鋸時更容易控制[18]。

3.3 冷卻條件

半導體材料切割的冷卻方式主要有射流冷卻和水浴冷卻。水浴冷卻下的金剛石線鋸電火花復合切割相比射流冷卻具有更好的加工精度和表面質量，線張力穩定性、加工表面粗糙度和表面均勻性都更優，且二者在線材磨損方面無顯著差異。這是因為水浴冷卻可以讓更多的工作液浸入到鋸縫中，使金剛石線和工件得到充分的冷卻和潤滑，同時改善了射流冷卻噴射時工作液對金剛石線的擾動，降低了金剛石線的張力波動，但水浴冷卻的工作液流動性差，切屑去除變得困難[16]。圖14 所示為兩種冷卻條件下復合切割的加工精度（平面度）對比。

圖14 不同冷卻下復合切割的加工精度（平面度）[16]

4 結語

金剛石線鋸電火花復合切割是金剛石線鋸切割與電火花線切割的復合，在硬脆半導體材料切割方面相比于其他兩種單獨加工方法具有材料去除率高、表面質量好、加工精度高和表面損傷層小等優勢，其工藝性能受電參數和物理參數等綜合作用的影響，與電火花放電蝕除作用和磨粒磨削作用的復合效果有關。目前階段的研究還處于原理探索和工藝性能試驗方面，在材料去除機理、加工工藝和參數優化等方面還有不足，今后可以從以下幾方面加深研究：

（1）目前階段缺乏仿真建模方面的研究，應加強金剛石線鋸電火花復合切割的仿真研究，建立復合加工的力熱耦合模型，深入研究其材料去除機理、表面形貌的形成和金剛石線的磨損等。

（2）各種參數對加工性能的影響不同，不同學者的研究范圍和結論差異較多，需通過實驗進一步探究各種參數對工藝性能的綜合影響，通過調整參數耦合作用來控制兩種加工方法所占比例，以實現最優加工精度、質量和效率。

（3）目前金剛石線鋸電火花復合加工的實驗設備都由普通機床改造而成，機床的專業化程度不高，后期需研制專用機床設備，以更好地應用到工業化生產加工。

（4）建立智能加工工藝數據庫和工藝參數優化模型，引入反饋和決策環節，提高加工過程的可控性和可預測性，推動金剛石線鋸電火花復合切割的智能化發展。

（5）引入其他加工方法，如超聲振動、電解等形成多能場新型復合加工，優化加工工藝性能。