專利名稱：結(jié)構(gòu)化鋸線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的領(lǐng)域?yàn)樵O(shè)計(jì)用于切割硬脆材料的鋸線。本發(fā)明尤其涉及用于切割例如石英(用于例如石英振蕩器或者光刻掩模)、硅(用于例如集成電路晶片或太陽能電池)、砷化鎵(用于高頻電路)、碳化硅(例如用于藍(lán)色LED的)、稀土磁性合金(例如用于記錄磁頭)等材料的鋸線。
背景技術(shù)：
在電子工業(yè)中對硬而脆的材料進(jìn)行多線鋸切看來是由British Thomson-Houston Cy有限公司的C. Hayward首次發(fā)明，在GB717874 (1954年公開)和GB771622 (1957年公開) 中有相關(guān)描述。該技術(shù)已進(jìn)一步由摩托羅拉公司的H. W. Mech獲得，在GB1397676 (1975年公開)有相關(guān)描述?，F(xiàn)代多線鋸的所有特征都可以在這些專利中找到1、在驅(qū)動(dòng)絞盤上以多圈的形式引導(dǎo)單根鋸線；2、絞盤上具有溝槽，以用于使鋸線在各圈之間偏移，從而形成了線網(wǎng)；3、使用游離磨粒料漿作為切割劑，當(dāng)工件緩慢進(jìn)入線網(wǎng)時(shí)將該磨粒料漿喂送到線網(wǎng)上；4、鋸線在兩個(gè)線軸間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，或者替代地鋸線總在同一方向上運(yùn)動(dòng)。許多種對于鋸線相對于工件的布置方式的替代方案已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來。在CH69M89 中可以找到這些布置方式的例子。從以上的描述中可以清楚的看到，在鋸切過程中，鋸線是至關(guān)重要的。鋸線的功能首先是將磨粒料漿拖曳到切口中。磨粒料漿主要包括載液(最初為礦物油，但目前主要使用聚乙二醇(PEG))，磨粒漂浮于其內(nèi)。磨粒通常是碳化硅(舊的名稱是金剛砂)，雖然也可以使用其它的磨料例如碳化硼、金剛石、立方氮化硼(CBN)。鋸線的第二個(gè)功能是把磨粒推靠到工件上。因此，鋸線必須能夠始終保持一定張力，因?yàn)檫@種張力將轉(zhuǎn)化為用于將磨粒推到工件中的力。由于磨粒趨于在工件和鋸線之間粘著和滾動(dòng)，因此不僅工件被磨粒切割，而且鋸線的表面也嚴(yán)重?fù)p壞。因此，鋸線在鋸切過程中磨損，必須在鋸線在所施加的張力作用下斷裂之前更換鋸線。由于在切割過程中鋸線趨向于繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，因此所用的鋸線主要是圓橫截面。這種圓形的缺點(diǎn)是最初被捕獲在鋸線和工件之間的磨粒趨向于從鋸線和工件之間被推出。結(jié)果是，磨粒的量從切口開始起就損耗。如果在鋸線和工件之間的磨粒較少，切割將減弱，鋸線和工件之間開始發(fā)生摩擦。盡管在切割長度在400mm以下或更短(指的是硅錠的例子)的情況下這種損耗不是特別的問題，但是當(dāng)需要切割更長的長度時(shí)這將成為問題。因此，尋找辦法將足夠的磨粒帶入切口中以便保持切割作用直到退出切口為止，這一直是鋸線領(lǐng)域中反復(fù)探討的主題。解決這個(gè)問題的第一種方案是將磨粒粘在鋸線上，以使磨粒不會離開切口。以這種方式，磨粒和鋸線之間的相對速度是零，并且不會發(fā)生鋸線的磨損。這種鋸線被稱為“固CN 102528940 A
結(jié)磨粒鋸線”。第二種解決方案是提供一種“結(jié)構(gòu)化”的鋸線表面，以便磨粒更好地保持在“結(jié)構(gòu)化”的鋸線表面上?？梢栽谙旅鎸＠姓业嚼?JP 2007 196312，其中，鋸線表面有凹部分和凸部分，用于接收和保持磨粒。在這個(gè)例子中，通過從噴嘴中把電解液噴射到鋸線上來進(jìn)行紋理化。-WO 90/U670描述了不同形式的表面，其中，鋸線的橫截面面積沿鋸線的長度是變化的(圖2和3)。還描述了有微凹腔的鋸線(

圖1)和有軟表面的鋸線，磨粒可以嵌入到微凹腔和軟表面中(圖4)。-JP 2007 044841描述了基本上為圓形的鋸線，具有圍繞鋸線的長度方向成螺旋形延伸的扁平面。-KR 2001 0(^689描述了一種圓鋸線，通過壓刻而在該圓鋸線上形成凹腔。然而，這些方案存在的問題是磨粒的磨損作用是非常嚴(yán)重的，在工件上經(jīng)過五到十次之后鋸線的表面就已被磨光了，凹腔或突起都不存在了。第三種方案是不對表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，而是對整個(gè)鋸線自身進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。這種方案的例子可以在下面專利中找到-US觀60862，其中，在用于鋸石材的扁平鋸線上施加兩次螺旋狀變形首先用短的捻距繞鋸線自身軸線對線加捻，然后用更長的捻距以螺旋形對鋸線加捻。這種方案看起來實(shí)施過程太麻煩首先必須要使鋸線扁平，之后再進(jìn)行另外的螺旋變形。-FR 750081 雖然與多線鋸切領(lǐng)域不相關(guān)，但是該專利描述了采用具有圓形或多邊形橫截面的螺旋形鋸線來鋸石材。螺旋具有長的捻距。-JP4057666描述了一種高強(qiáng)度的金屬鋸線，首先使其變形成螺旋形，然后通過將其拉過拉模來進(jìn)行拉伸。-JP2004 276207描述了一種變形的單線或絞線，具有螺旋形。在這些方案中，鋸線必定把更多的磨粒料漿帶入切口中，因?yàn)殇従€像進(jìn)給螺桿那樣起作用從一固定點(diǎn)(例如切口的進(jìn)入點(diǎn))來看，鋸線就像是旋轉(zhuǎn)進(jìn)入切口。然而，由于螺旋形的外部與切口的半圓柱面緊密接觸，因此好像所有磨粒都是在鋸線的旋轉(zhuǎn)作用下被掃走，并且鋸切作用并不像預(yù)期的那樣好。-JP 2004 276207(另外)還描述了單線或絞線，被引導(dǎo)通過一對嵌齒輪，從而在單一平面內(nèi)形成‘Z’字形的雙皺褶。在‘Z’字形皺褶中，鋸線先在第一方向上彎曲，然后在第二方向上進(jìn)行第二彎曲，與第一方向相反(反向彎曲)。當(dāng)這種變形的絞線松開時(shí)，較短長度的‘Z’字形皺褶疊加在長波螺旋形上(通過把絞線并捻而產(chǎn)生)。-WO 2006 067062描述了一種單絲鋸線，具有多個(gè)皺褶，每個(gè)皺褶具有節(jié)距和波幅，皺褶被設(shè)置在至少兩個(gè)不同的平面上。鋸線的外接包絡(luò)直徑‘D’是鋸線自身直徑‘d’ 的1. 05 1. 50倍。盡管這種方案在實(shí)際中可應(yīng)用，但另一個(gè)問題出現(xiàn)了，即皺褶所形成在的平面中的一個(gè)將是主導(dǎo)平面，其它平面將逐漸轉(zhuǎn)向到這個(gè)主導(dǎo)平面中。形成了基本上在一個(gè)平面內(nèi)變形的鋸線，該平面垂直于切割方向。結(jié)果是，切割速度減小了。由于限制了鋸線旋轉(zhuǎn)的可能性，鋸線的磨損將只發(fā)生在一側(cè)。除此之外，鋸線主要是在突出的頂端承載和磨損。因此，鋸切作用局限在這些部分，并且沒有預(yù)想的好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決過去存在的問題。尤其是，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)化的鋸線，其在使用中保持旋轉(zhuǎn)對稱，因此該鋸線能在使用中轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化鋸線也增加了磨粒的夾帶和作用。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供制造這種鋸線的方法。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，描述了結(jié)構(gòu)化鋸線，尤其適合用于鋸切硬而脆的材料， 例如IV族元素(例如硅，鍺)及其化合物(例如碳化硅)、III-V族的化合物(例如砷化鎵)、石英和玻璃、陶瓷材料、藍(lán)寶石、稀土磁體、天然石材(例如大理石等)。本發(fā)明的鋸線尤其適合于切口跨度在約200mm以上至例如1或2米(‘大跨度’切割)。約300mm的小切割跨度適用于硅錠的切料頭(去除硅錠的頭部和尾部)、切片(有時(shí)被稱為切晶片)。大切割跨度適用于例如切割用于集成電路光刻掩模的石英晶體，或?qū)τ糜谔柲茈姵氐亩嗑Ч桢V修邊。這種修邊是對直立的圓形單晶硅錠(用于半正方形的太陽能電池)進(jìn)行的，或是對尺寸可達(dá)840X840X270mm3的多晶硅塊進(jìn)行的，該多晶硅塊被切成 125 X 125 X 270mm3或156 X 156 X 270mm3或更大的完整正方形塊。最一般的形式中，本發(fā)明的鋸線是基本上螺旋形的鋼線，包括有多段，各段之間有彎曲部，其中，所述彎曲部是向外彎曲的，也就是在離開螺旋形對稱軸的方向彎曲。對于本申請來說，螺旋形是空間曲線，在旋轉(zhuǎn)一定角度并結(jié)合平移的情況下仍然是不變的。螺旋線是一種特殊的螺旋形，在旋轉(zhuǎn)任何角度并且有相應(yīng)平移的情況下仍然是不變的?？梢园唁従€中心線的形狀想象成是通過用區(qū)段(‘線段’)連接中心圓柱上的離散點(diǎn)(‘彎曲部’)而形成的，因而這些點(diǎn)彼此以軸向增量在軸向偏移，而點(diǎn)和基準(zhǔn)平面之間的角度以角度增量離散地增加。在最一般的形式中，各點(diǎn)之間的軸向增量不需要一致，正如各點(diǎn)之間的角度增量也不需要一致。然而，軸向增量和角度增量不改變鋸線上的表征(即，在鋸線整個(gè)長度上可以辨別出左旋或右旋捻向)。通過圍繞鋸線的中心線加上鋸線本體，就形成了鋸線本身。彎曲部之間的段大體是直的。這意味著段能呈現(xiàn)一定的曲率，但在任何情況下大大小于鋸線彎曲部處的曲率。段的彎曲方向優(yōu)選朝向螺旋形的軸線。從以上描述可以看出，鋸線自身有外接圓柱，該外接圓柱與中心圓柱共軸但是直徑更大，其中，在彎曲部處，鋸線與該外接圓柱相接；在彎曲部之間也就是在段處，鋸線與外接圓柱不接觸。在下文中，該外接圓柱的半徑稱為‘Rm’，其直徑為‘D’。因此，在這些段處， 在外接圓柱與鋸線表面之間將形成間隙，其中，鋸線與外接圓柱之間的距離隨著從一個(gè)彎曲部到下一個(gè)彎曲部將從零開始增長再減小到零。因此，在某處將出現(xiàn)最大間隙尺寸。最大間隙尺寸表示為'δ，?，F(xiàn)在討論鋸切方法，在鋸切過程中該外接圓柱與工件中形成的半圓柱相適。在鋸線和工件之間形成的間隙中，不再具有足夠摩擦作用的較小磨粒將通過間隙，而仍起作用的較大磨粒將嵌塞在鋸線和外接圓柱表面之間的間隙中，并且發(fā)揮充分的摩擦作用。這種 ‘過濾’在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)化鋸線中是沒有的。
因此可確定，間隙尺寸必須與磨粒的粒徑相關(guān)。優(yōu)選的，鋸線的最大間隙尺寸是磨粒中值粒徑的0. 25倍到2倍。更優(yōu)選的是，間隙尺寸是磨粒中值粒徑的0. 30倍到1倍。用于游離磨料鋸切的磨粒是微粉型的。這些磨粒是通過篩選、空氣分級或水分級而分類成不同的粒徑等級。每個(gè)等級的最小粒徑、中值粒徑、最大粒徑的定義存在不同的標(biāo)準(zhǔn)(FEPA，JIS，和ANSI)。通常，‘線鋸，范圍一般被認(rèn)為是FEPA 500 (12. 8 μ m)到 600 (9. 3 μ m)或JIS 800 (14 μ m)到JIS 2000 (6. 7 μ m)。在括號中的數(shù)值指的是中值粒徑。 中值粒徑是這樣一種粒徑，一半顆粒的粒徑比它大，另一部分顆粒的粒徑比它小。對于大跨度的切割，優(yōu)選用較大的粒徑，例如FEPA 360 (22. 8 μ m)至FEPA 230 (53. 0 μ m)。最優(yōu)選的是中值粒徑為四.2 μ m的FEPA 320。磨粒由碳化鎢(WC)、碳化硅(SIC)、氧化鋁(AL2O3)或氮化硅(SI3N4)制成。到目前為止，碳化硅由于價(jià)格便宜且容易獲得而被最廣泛地使用。超硬磨粒例如金剛石、立方氮化硼或它們的混合物由于它們的成本對于游離磨料鋸切來說太昂貴，因此只在理論上是可行的。作為載體，最廣泛使用聚乙二醇，但也可以使用礦物油。鋸線本身優(yōu)選為圓形橫截面，雖然其它橫截面(三角形、正方形或多邊形)并不因此被必然排除。根據(jù)應(yīng)用場合，鋸線直徑范圍可為40μπι至350μπι。然而，對于大跨度切割，優(yōu)選尺寸大于200 μ m，典型的尺寸是250 μ m。下文中，鋸線的半徑用‘&’表示，直徑用 ‘d’表示。根據(jù)本發(fā)明，一般來說，對于直徑小于300 μ m的結(jié)構(gòu)化鋸線，抗拉強(qiáng)度為2500N/ mm2以上，對于直徑小于180 μ m的結(jié)構(gòu)化鋸線，抗拉強(qiáng)度為3400N/mm2以上，對于直徑小于 150 μ m的結(jié)構(gòu)化鋸線，抗拉強(qiáng)度為3700N/mm2以上?？估瓘?qiáng)度定義為鋸線的斷裂載荷除以鋸線的金屬橫截面面積。沿著鋸線的中心所取的各段長度不必一定相等這意味著可以使結(jié)構(gòu)化鋸線具有隨機(jī)性的段長度。這種隨機(jī)性有助于防止振動(dòng)。另一個(gè)實(shí)施例為，在各個(gè)彎曲部之間可以是重復(fù)型式的長度。例如5，3，2，3，5，3，2，3，... mm。最簡單的實(shí)施例當(dāng)然是段長度恒定。對于上述的基本螺旋形，可以定義節(jié)距。節(jié)距是鋸線的中心線繞螺旋形的軸線轉(zhuǎn)一圈所經(jīng)過的軸向長度。在一個(gè)節(jié)距內(nèi)可以有多個(gè)彎曲部。如果一個(gè)節(jié)距內(nèi)彎曲部數(shù)量剛好是2個(gè)，鋸線在單一平面內(nèi)是Z形。雖然這是一種可用的形狀，但是它不是優(yōu)選的。更優(yōu)選的是，一個(gè)節(jié)距內(nèi)彎曲部的數(shù)量嚴(yán)格地多于2個(gè)?！岸嘤?個(gè)”不僅指整數(shù)(3，4，5，...)。 也指小數(shù)，例如2. 3或5. 1，這意味著在10個(gè)節(jié)距的軸向長度上可以有23或51個(gè)彎曲部。 彎曲部數(shù)量的精度與所考慮的節(jié)距數(shù)量成比例如果想得到2位數(shù)的精度，就必須計(jì)算100 個(gè)節(jié)距內(nèi)的彎曲部數(shù)量。因此，每個(gè)節(jié)距中彎曲部的數(shù)量必須在多個(gè)節(jié)距的長度上取得，即必須取平均數(shù)。下文中，每個(gè)節(jié)距內(nèi)的彎曲部平均數(shù)稱為‘P’。當(dāng)每個(gè)節(jié)距內(nèi)彎曲部的平均數(shù)為整數(shù)例如3時(shí)，從軸向上看鋸線將為三角形。每個(gè)節(jié)距內(nèi)有4個(gè)彎曲部時(shí)將呈正方形，每個(gè)節(jié)距內(nèi)有5個(gè)彎曲部時(shí)為五角形，等等。然而，當(dāng)每個(gè)節(jié)距內(nèi)的彎曲部數(shù)量增加時(shí)，在外接圓柱和鋸線的段之間所形成間隙的尺寸將減小， 因?yàn)閺妮S向上看的多邊形越來越象圓。因此，最好每個(gè)節(jié)距內(nèi)的彎曲部平均數(shù)‘P’不超過 5個(gè)，或更優(yōu)選的4個(gè)。更優(yōu)選的是，‘P’在2和4之間，最優(yōu)選為2. 5和3. 5之間。間隙尺寸‘ δ ’、外接圓柱半徑‘Rm’、每個(gè)節(jié)距內(nèi)彎曲部平均數(shù)‘P’和鋸線半徑％’ 可以推導(dǎo)出(圖2用來解釋)
權(quán)利要求
1.一種鋼鋸線，適用于采用磨粒來鋸切，所述鋸線大體上為螺旋形，該螺旋形包括多個(gè)段，各段之間有彎曲部，所述彎曲部朝著所述螺旋形的徑向向外，其特征在于在所述彎曲部之間，在所述鋸線和所述鋸線的外接圓柱之間具有間隙，所述間隙的最大間隙尺寸是所述磨粒中值粒徑的0. 25至2倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鋸線，其中，所述螺旋形還具有節(jié)距，所述螺旋形的每個(gè)節(jié)距具有多于2個(gè)的彎曲部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任意一項(xiàng)所述的鋼鋸線，其中，所述鋸線具有鋸線直徑，所述外接圓柱具有圓柱直徑，其特征還在于，所述圓柱直徑與所述鋸線直徑之差是所述磨粒中值粒徑的0. 7至11倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋼鋸線，其中，所述圓柱直徑與所述鋸線直徑的比值在1.04 與1.4之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鋸線，其特征在于，所述段在重復(fù)的模式內(nèi)長度不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鋸線，其中，所述段具有相等的長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鋸線，其特征在于，所述磨粒的所述中值粒徑在3和 50微米之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋼鋸線，其中，所述中值粒徑是約30微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼鋸線，該鋼鋸線還具有表面，所述表面比所述鋼鋸線的芯軟，以便改善磨粒的保留。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋼鋸線，其中，所述表面為鍍層，該鍍層選自包括以下材料的組低碳鋼，鐵，銅，鋅，黃銅。
11.一種生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述結(jié)構(gòu)化鋸線的方法，包括以下步驟-通過把鋸線從放線線軸上松開，使鋸線進(jìn)行直線軸向移動(dòng)，-使鋸線在單一平面內(nèi)在一個(gè)方向上形成相繼的彎曲部，-將所述鋸線纏繞于收線線軸上，其特征在于所述單一平面相對于所述軸向移動(dòng)鋸線的軸線并繞所述軸向移動(dòng)鋸線的軸線旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過在齒輪上引導(dǎo)所述鋸線，在所述鋸線上形成在單一平面內(nèi)一個(gè)方向上的所述相繼的彎曲部，所述齒輪的軸線垂直于所述單一平面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，所述收線線軸和放線線軸的軸線都同樣地繞所述軸向移動(dòng)鋸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而所述單一平面保持不動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，所述單一平面繞所述軸向移動(dòng)鋸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而所述收線線軸和放線線軸的軸線保持不動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，所述單一平面、所述放線線軸和收線線軸的軸線保持不動(dòng)，并且其中，在形成單一平面內(nèi)一個(gè)方向上的所述相繼的彎曲部之前對所述鋼鋸線加捻，之后對所述鋼鋸線退捻，以使鋸線相對于所述單一平面旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼鋸線(302)，具有螺旋形，其中，直的段與向外彎曲的彎曲部交替。鋸線(302)的形狀按照以下方式形成，以便能與鋸線所用的磨粒很好的配合當(dāng)鋸線(302)被使用時(shí)，在彎曲部之間的段處形成間隙，且外接半圓柱由正在被鋸切的工件形成。間隙的最大間隙尺寸為所用磨粒中值粒徑的0.25至2倍。以這種方式，在起作用的間隙處，大的磨粒被推靠在工件上，而磨耗的磨粒屑從間隙中脫出。此外，本發(fā)明公開了幾種制造這種鋸線(302)的方法。
文檔編號B28D7/00GK102528940SQ201110462548
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者H·羅梅爾 申請人:貝卡爾特公司