摘要：本文概述了硬脆材料切割中使用金剛石絲鋸切割的方法優(yōu)點；介紹了金剛石絲鋸在光伏領(lǐng)域切割多晶硅環(huán)節(jié)的應用；在電子產(chǎn)業(yè)上游晶圓切割等環(huán)節(jié)的推廣，特別是藍寶石切割將是金剛石切割線又一新興領(lǐng)域；金剛石絲鋸與傳統(tǒng)線鋸的比較；金剛石絲鋸的制備工藝。

　　關(guān)鍵詞：硬脆材料、金剛石絲鋸、鋼線鋸、切割

　　硬脆材料是指硬度高、 脆性大的材料,通常為非導電體或半導體, 如:各種石材、寶石、玻璃、硅晶體、石英晶體、硬質(zhì)合金、陶瓷和稀土磁性材料等。隨著工業(yè)的發(fā)展, 硬脆材料在各個領(lǐng)域的應用日益廣泛，且其加工精度與技術(shù)條件的要求越來越高。傳統(tǒng)的刀具材料，如高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等常不能滿足上述加工的需要，而必須采用超硬材料刀具。在硬脆材料的各種加工方法中, 切割加工占有很重要的地位,對脆性材料的切割大致有以下要求:高效率、低成本、高精度、窄切縫、小翹曲變形、低表面損傷、低碎片率、無環(huán)境污染等是目前半導體和光電晶體的切割加工的新趨勢[1、2]。精密切割加工作為制備半導體和光電晶體基片的主要加工工藝之一，在微電子、光電子器件的制造過程中占有很高的地位。

　　近十幾年來，隨著超硬材料的迅速崛起，硬脆材料的切割加工發(fā)展較快，新工藝、新設備、新方法不斷涌現(xiàn)。超硬材料主要指金剛石和立方氮化硼( CBN)，它們以單晶、聚晶及薄膜等形式出現(xiàn)，是當今世界高科技領(lǐng)域中最有活力、最有前景的材料之一。金剛石是世界上已知最硬的物質(zhì)，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩(wěn)定性等多種優(yōu)良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的高效精密加工，特別適用于加工硬脆非金屬材料[3]。

　　一．硬脆材料的切割方法

　　當前,按切割工具形狀分，硬脆晶體材料切割方法有金剛石圓鋸切割、帶鋸切割、線鋸切割[4、5]。

　　（一）金剛石圓鋸片切割

　　金剛石圓鋸片分為金剛石外圓據(jù)和金剛石內(nèi)圓鋸兩種。金剛石外圓鋸切割技術(shù)是應用較早的切割方法，外園周上電鍍金剛石的圓鋸片直徑在200mm左右，最大可達400mm。多用于寶石、石英、鐵氧體、陶瓷等材料的切斷、切槽等。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、刀片價格便宜；缺點是：刀片較厚、鋸口寬、材料損耗較大、切割面的平行度較差、只能切割小直徑或較薄工件。

　　金剛石內(nèi)圓鋸切割技術(shù)的優(yōu)點是：1.剛性好，可做的很薄，達到0.1mm；2.切片精度高，直徑200mm晶片的厚度差僅為0.01mm；3.設備低廉，所用切割機價格僅為其它工具多使用切割機價格的1/3～1/4；4.每片都可以進行徑向調(diào)整和切片厚度的調(diào)整；5.小批量多規(guī)格加工時，具有靈活的可調(diào)性。缺點是：1.切片表面損傷層較大；2.刀口寬，材料損失大；3.生產(chǎn)率低，每次只切割一片；4.只能切割直線，無法切割曲面；5.只能切割直徑小于200mm的晶片。

　　（二）金剛石帶鋸

　　分為鋼帶據(jù)、金剛石帶鋸、鋼片鋸三種。金剛石帶鋸是以電鍍金剛石磨料或鑲焊金剛石燒結(jié)塊為主題的環(huán)形鋸條，帶鋸出現(xiàn)于20世紀50年代，我國八十年代才開始研制該類設備。優(yōu)點是：鋸切速度快，刀具材料消耗少，噪音小。缺點是：鋸口大，切割精度低，對荒料要求規(guī)整，不能進行多片切割。

　　（三）金剛石線鋸分為鋼絲鋸、金剛石串珠鋸、金剛石絲鋸三種。

　　1.鋼絲鋸分為單線式和多線式兩種，但常用多線式。多線式鋼絲鋸是利用一根鋼絲纏繞在一組鋸絲導輪上，形成一排以一定間隔排列的切割線。切割時鋼絲按一定方向運動，同時工件和鋼絲相互壓緊，當含有游離磨料的切割液澆注到工件和鋸絲之間時，鋸絲快速運動將切割液帶入工件切縫，產(chǎn)生切削作用。常用的游離磨料為碳化硅；切割液通常為磨料和礦物油按一定比例混合而成。鋼絲鋸的主要特點為：切縫窄,目前最小切縫可達0.2mm，切片量大，切片成本低；但可靠性差，鋼絲耐用度低。

　　2. 金剛石串珠鋸是近十幾年發(fā)展較快的切割工具。它產(chǎn)生于70 年代，最初應用于石材的開采，后來廣泛應用于建筑物、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)的拆除和改造，也用于切割玻璃等材料[6、7]。 

　　金剛石串珠鋸由鋼絲繩芯、金剛石串珠和隔離套組成，串珠以一定間隔穿在繩芯上，并由隔離套分開。串珠鋸的性能，如切割效率、使用壽命等主要取決于金剛石串珠的物理和機械特性。傳統(tǒng)的串珠有兩種制造方法，電鍍和熱壓燒結(jié)。最早金剛石串珠是通過電鍍的方法制造的，1983年以后開始用燒結(jié)法生產(chǎn)[8]。前者只有一層金剛石磨料, 開始時切割速度較快,但磨損速度也較快；而后者的金剛石磨料可以不斷的更新,切割速度較慢，但使用壽命長。這兩種串珠的共同缺點是金剛石磨粒為隨機分布，分布不均。文獻[8]介紹了一種焊接式金剛石串珠，金剛石磨粒可按一定方向較均勻地分布，取得了較好的應用效果。金剛石串珠鋸不但能切割直面，而且還能切割曲面，切割板料時，還可進行多道串珠鋸切割，生產(chǎn)效率非常高。因此，其作用非常廣泛，但受到串珠直徑的限制，切縫比較寬。因此，目前還不能用于細微結(jié)構(gòu)和貴重材料的切割加工。

　　3. 金剛石線鋸是將高硬度、 高耐磨性的金剛石磨粒牢固地電鍍在鋼絲基體上面制成的一種切割工具。金剛石線鋸亦有單線式和多線式兩種。金剛石多線鋸的切割運動形式類似于鋼絲鋸。主要用于切斷加工。切割時鋸絲從一個絞輪繞到另一個絞輪上,可實現(xiàn)中等速度的切割, 但同鋼絲鋸一樣,鋸絲必須有足夠的長度,對絞輪的強度要求也較高。鋸絲張緊力的調(diào)節(jié)機構(gòu)較繁瑣[9]。80 年代中期,英國有人做出一種多線式線鋸[10], 該鋸驅(qū)動裝置由梭形絞盤組成, 盤槽中緊緊纏著100~200 英尺長的切割線。這種工具可鋸割金屬陶瓷、玻璃、石英等脆性物質(zhì), 且線拉得越直切割效果越好。英國Ahlbury Technical Equipment Corp.公司生產(chǎn)的金剛石線鋸也為多線式。該鋸可切割任意材料,切口表面光潔,無崩刃現(xiàn)象發(fā)生[11]。多線往復式金剛石切割優(yōu)點是：1.能進行大尺寸工件切片；2.能多件多片同時切割，產(chǎn)量高；3.能切精密窄縫，適合切割貴重材料，切割直徑只比鋸絲直徑大0.01～0.015mm；

　　4.切割脆軟材料，保證邊緣不破損；

　　5.切割時溫度低，切片加工變質(zhì)層淺，可用來切割易炸裂材料；線鋸使用壽命長；

　　6.環(huán)境污染小。

　　單線切割的金剛石線鋸分為往復式金剛石線鋸和環(huán)形回轉(zhuǎn)式金剛石線鋸；多線切割的金剛石線鋸分為往復式金剛石線鋸。

　　環(huán)形回轉(zhuǎn)式線鋸是被焊接為環(huán)形，可通過導輪實現(xiàn)循環(huán)切割。優(yōu)點：1.整個鋸絲長度均可參與切割；2.使用壽命長；3.切割速度高（高達10～20m/s）。缺點：在線鋸切割內(nèi)曲面時必須先切割一條引線槽。

　　單線往復式金剛石線鋸切割機的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，適應性好，可進行內(nèi)外表面的切割加工；可以自由改變切割方向及傾斜角度，進行精確的復雜輪廓切割。缺點是鋸絲的有效工作強度受限制，鋸絲利用率不高，切割速度較低（一般2～3m/s）。

　　二.多晶硅切割作為金剛石應用新領(lǐng)域

　　作為新興能源代表產(chǎn)業(yè)之一的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)是金剛石工具潛在的巨大應用新領(lǐng)域之一。目前各國政府都在積極發(fā)展清潔能源，隨著技術(shù)提升成本下降以及各國積極光伏政策的推出，預計光伏行業(yè)將恢復快速發(fā)展。根據(jù) EPIA 預測光伏市場將在今后5年里保30%～40%的快速增長，其后10年的增長速度也將達到20%～30%。硅片就是制造光伏電池的基板。硅片切割是太陽能光伏電池制造工藝中的關(guān)鍵部分。該切割工藝用于處理單晶硅或者多晶硅的固體硅錠。光伏產(chǎn)業(yè)專用微米鉆石線首先把硅錠切成方塊，然后切成很薄的硅片。光伏行業(yè)發(fā)展也將帶動光伏產(chǎn)業(yè)專用微米鉆石線的快速發(fā)展。金剛石帶鋸、磨具已廣泛應用在硅錠開方、研磨等制造環(huán)節(jié)，但總體用量比較有限。而目前已初步產(chǎn)業(yè)化的金剛石切割線在多晶硅切片環(huán)節(jié)的應用，將有望造就一個百億級容量的新興市場。
　　（一）20 世紀 90 年代，為了解決大尺寸硅片的加工問題，采用了線鋸加工技術(shù)將硅棒切割成片。早期的線鋸加工技術(shù)是采用金屬線和游離的磨料，在加工過程中，將磨料，加入到金屬線和加工件之間產(chǎn)生切削作用。為了進一步縮短加工時間，以及對其它堅硬物質(zhì)和難以加工的陶瓷進行加工，將金剛石磨料以一定的方式固定到金屬線上，從而產(chǎn)生了固定金剛石線鋸[12] 。金剛石高效耐久的加工特性，顯著降低了生產(chǎn)能耗。如在陶瓷研磨拋光領(lǐng)域，與傳統(tǒng)工藝碳化硅磨塊比較，磨削拋光過程中金剛石磨塊平均壽命提高100倍以上，磨削效率提高20%，消耗成本、電力消耗、排放污染物分別是普通磨塊的 75%、60%、1%。在光伏產(chǎn)業(yè)的多晶硅切割環(huán)節(jié)中，金剛石切割線工藝相較傳統(tǒng)的鋼絲線切割，節(jié)省了切割液中添加游離刃料的工序，從而使高污染的切割液得以回收循環(huán)使用。

　?。ǘ┰诠夥I(lǐng)域，為了滿足市場對于更低成本和更高生產(chǎn)力的要求，微米鉆石線技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化，將進一步降低了切割過程中的材料損耗，從而減少了太陽能電力的硅材料消耗量[13]。

　　1. 金剛石線鋸與傳統(tǒng)鋼線切割工藝相比較，金剛石線切割基于切割工藝的改進，可實現(xiàn)：

　　高效率切割：與歷來的游離磨料形式相比，切割效率提升140%；

　　成品率提高：硅片切割精度保持穩(wěn)定，減少了加工變質(zhì)層；

　　綜合成本節(jié)余：較傳統(tǒng)工藝降低綜合成本約26%。

　　節(jié)能環(huán)保：大幅度減少廢線鋸,廢砂漿的產(chǎn)生：切割砂漿可以循環(huán)利用，切割粉屑便于回收。