金剛石內(nèi)圓刀片是在0. 10～ 0. 15mm厚的基體支撐下,形成0.20～ 0.32 mm厚的金剛石切割刃口,將切割損耗降低在0.33mm以下;而且這種刀片的厚度幾乎不受其直徑的影響。也就是說,不增加切割損耗,就可以加工更大直徑的晶體,這個優(yōu)點(diǎn)是外圓切割刀片無法達(dá)到的。世界上第一片金剛石內(nèi)圓刀片的外徑為206 mm,最大切割晶體尺寸只有38 mm。圓形刀片制造商和設(shè)備制造商以及晶體加工商們經(jīng)過近半個世紀(jì)的不斷努力,使刀片制作技術(shù)和使用工藝日趨完善,如今可以制作出外徑860 mm最大切割晶體尺寸200 mm的金剛石內(nèi)圓刀片。

圓形刀片

基體

用如此薄的刀片切割,關(guān)鍵是沿外圓周加張力。圓形刀片的金屬基體是在夾緊狀態(tài)下張緊。這種張緊為刀片提供了必須的剛度,以保證處于內(nèi)圓的刀口在切割時不搖擺、不抖動。金剛石內(nèi)圓刀片的基體須經(jīng)得起高張力而不被撕裂,同時要求引起的應(yīng)力沿著整體結(jié)構(gòu)均勻分布。

基體材料的選擇也經(jīng)歷了數(shù)次波折,最初使用過磷青銅、不銹鋼網(wǎng),因當(dāng)時這些材料軋制時比鋼更易于保證公差。但由于這些材料的物理強(qiáng)度相對較低,長時間張緊和高速旋轉(zhuǎn),會因發(fā)熱而失去張力,引起一系列切片質(zhì)量問題。后來,冷軋不銹鋼的厚度和精密公差得以解決,便成為刀片的標(biāo)準(zhǔn)基體。最佳的基體材料是強(qiáng)度大于137.2931MPa的不銹鋼,有著精確的厚度、張力和延伸率,標(biāo)準(zhǔn)的延伸率應(yīng)小于5%。

粘結(jié)劑

金剛石微粒用粘結(jié)材料粘結(jié)在刀片的內(nèi)圓上,形成一層包裹層,微粒就嵌入在內(nèi)。包裹層比金剛石軟,在切割過程中起到緩沖撞擊力的作用,同時還要有一定的韌性,能讓金剛石自我調(diào)整方向而不脫落,這樣對工件就可以持續(xù)暴露新的切割刃口。

制作金剛石內(nèi)圓片刀一般有四種粘結(jié)方式:樹脂性、搪瓷、熱壓、電鍍,其中只有電鍍法適用于制作金剛石內(nèi)圓刀片。樹脂受熱會變軟,搪瓷和熱壓在切割硬材料顯得太脆。電鍍粘結(jié)材料采用金屬鎳。鎳有許多優(yōu)點(diǎn),在精心的控制條件下其機(jī)械性能可以按照要求改變。現(xiàn)代電鍍處理技術(shù)已經(jīng)解決了不銹鋼上鍍鎳結(jié)合力不良的問題。

通常,切割材料越硬,包裹層也越硬,但是,如果金剛石微粒包的太堅(jiān)固,在切割撞擊力下就會粉碎,從而降低刀片的壽命。從另一方面講,金剛石必須要包的足夠緊,以防從包裹層中脫落。鍍層硬了,切割時,金剛石表面打滑,產(chǎn)生的熱量大,散發(fā)熱困難。硬度低的鍍層散熱特性好。

金剛石微粒

用于制作內(nèi)圓刀片的金剛石有:天然、人造和混合金剛石。金剛石的型號和粒度適合被切割的材料時就會得到最佳切割效果。通常,天然金剛石最適于切割硅,這是因?yàn)樘烊坏挠兄灰?guī)則的鋒利晶體形狀,并具有良好的高溫強(qiáng)度和自由切削特性,切割時有極少的微粉和碎裂物。

金剛石的粗細(xì)也是需要考慮的一個因素。一般情況下,粗的和中型的砂礫更好些。太細(xì)的砂礫緊密地合并在一起影響切屑的排除和冷卻。在最佳切割速度下,切割硅、鐵氧體和類似的其它材料時,最好使用微粒范圍在270～325目。

金剛石濃度也是內(nèi)圓刀片的一個重要參數(shù),金剛石太少將意味著切割慢和刀片壽命短,太多的金剛石又會降低鍍層的強(qiáng)度,也會降低刀片的壽命。

內(nèi)圓刀片的使用

刀片的正確安裝和使用,是確保刀片長壽命的一個非常重要因素。內(nèi)圓刀片必須在安裝同心下精確地磨損。金剛石內(nèi)圓刀片其刃口最多有0.25 mm的金剛石延伸層,可靠的說法是0.10～0.20 mm。因此,如果磨損量超過0.1 mm,刀片的壽命就會急劇下降。

由于金剛石的沉積會有近0.08 mm的誤差,也就是說刃口對于刀片并不完全同心,因此,僅靠刀環(huán)上的定位銷來定刀片中心是不可靠的,應(yīng)該用顯微對刀裝置把刀調(diào)到同心。刀片對心和壓緊后要張緊。張緊方式有兩種,即液壓張緊和機(jī)械張緊。

液壓張緊是通過液壓油作用在張力環(huán)上,將壓力均勻地施加在刀體圓周上達(dá)到張緊刀片的目的。它具有簡單、快速、力量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。但是由于刀體一般都采用單向軋制鋼帶,不可避免地存在應(yīng)力分布不均。液壓張緊的壓力是均勻分布各向相等,所以無法消除這些應(yīng)力,而機(jī)械張緊卻能克服這個缺點(diǎn),它用一個個分立的螺釘作用在張力環(huán)上,通過人工調(diào)整來達(dá)到刀片的應(yīng)力各向分布均勻。機(jī)械張緊比起液壓張緊需要更高的操作技能,花費(fèi)更多的時間,但卻是可靠的,所以現(xiàn)在的設(shè)備多采用機(jī)械式張緊。其方法為通過測量刀片內(nèi)徑的擴(kuò)張量來檢驗(yàn),擴(kuò)張量應(yīng)為內(nèi)徑的0.5%～0.8%。

確定刀片張力恰當(dāng)后,還應(yīng)測量一下刀片的應(yīng)變量。沿著離刃口3 mm的圓環(huán)施加一個100 g的力,用刻度表(千分表)顯示這一點(diǎn)的應(yīng)變量應(yīng)該在0.025 mm,如圖1。在運(yùn)轉(zhuǎn)動態(tài)條件下,基體材料會因摩擦和發(fā)熱降低應(yīng)力,造成張力松弛,所以建議和實(shí)行在機(jī)器上再張緊。

修刀

盡管有些內(nèi)圓刀片是以開刃狀態(tài)供貨,但在初始操作時仍需進(jìn)行修刀。由于金剛石鍍層難以避免地存在一定偏差,甚至還有些凸點(diǎn),所以新刀要用一個特殊的裝置來將刃口調(diào)準(zhǔn)。這種裝置通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)的修刀砂輪與旋轉(zhuǎn)刃口的微米級接觸,來修掉刃口凸點(diǎn)達(dá)到刃口完全同心,如圖2。

此方法是將金剛石刃口修同心,而不是打開鍍層。再進(jìn)一步的修刀是用刀片直接切油石。他有三個作用;將內(nèi)圓的每個邊倒圓;調(diào)準(zhǔn)刃口側(cè)面;磨開鍍層暴露出金剛石微粒。一般情況下用150號的油石倒圓刃口,用320號油石調(diào)準(zhǔn)側(cè)面和磨開鍍層。修刀油石建議用剛玉(三氧化二鋁),最好不用碳化硅。修刀后,操作工必須檢驗(yàn)第一刀切出來的片子質(zhì)量,如果斜度尚好,也沒有裂紋,修刀就合適;如果不是這種情況,要通過切下的片子質(zhì)量情況判斷刀片修的不合理處。圖3給出片子質(zhì)量情況與修刀結(jié)果的關(guān)系。

圖中a是一片未修過的新刀;b是合理地修刀結(jié)果;c中只在切割刃口和晶體一面修的是合理的,切割片子一面的鍍層沒有磨開未暴露出金剛石微粒,冷卻液不能進(jìn)入這個切割面,切下的片子在這個面就會出現(xiàn)熱裂紋;d和c表示的是相同的結(jié)果,只是在另一面,熱裂紋將會出現(xiàn)在晶體這面;e和f所示的是沒修好刀導(dǎo)致的片子斜度,e所示的那樣將導(dǎo)致片子向晶體方向斜,而f所示的將遠(yuǎn)離晶體方向斜。出現(xiàn)圖3c- f中所示的情況是由于刀頭中心線兩側(cè)的刃口鋒利程度不一致所造成的,這就要通過使用油石手工(沿45方向)修磨來消除,方法如圖4所示。

為了清除掉刃口上積累的粘結(jié)材料,需要間斷性修刀。這要視具體情況而定,如果切割速度上不去,切出的片子有質(zhì)量問題,就要以切割速度切割2～3刀油石。

值得一提的是油石修完刀后,第一刀所切出的片子表面光潔度可能會差些,這是由于油石劃傷刃口側(cè)面的鎳層所致,一般切2～3刀晶體后此現(xiàn)象自然消失。

結(jié)論

金剛石內(nèi)圓刀片是應(yīng)半導(dǎo)體工業(yè)的特殊需要而發(fā)展起來的。在近半個世紀(jì)內(nèi),對這種重要工具的設(shè)計改進(jìn)、生產(chǎn)和使用技術(shù)的提高,對半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。人們應(yīng)該認(rèn)識到內(nèi)圓切割是刀片及其操作者同等重要這一事實(shí)