一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法

1.本发明涉及切割加工技术领域，具体是涉及一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法。


背景技术：

2.单晶硅具备优良的半导体性能，在集成电路产业和光伏发电产业中得到广泛应用，全球99％以上的集成电路和49％以上的晶硅太阳能电池板均采用单晶硅片作为衬底材料。近年来，半导体和光伏产业的蓬勃发展对硅片产能需求日益扩大，硅片切割工艺的提升也迎来新的机遇和挑战。硅片主要由硅棒经切片、研磨和抛光等工序制备而成，其中切片加工是首道也是至关重要的加工工序。切片加工将硅棒切割成具有一定厚度的硅片，切割过程中脆性单晶硅材料在外力作用下被去除，形成具有一定粗糙度和损伤层厚度的硅片表面。
3.目前，内圆切割、游离磨料线切割和金刚石线切割是单晶硅切片生产的主要切割方法。内圆切割技术通过内径涂覆金刚石磨粒的环形刀片切割单晶硅棒，利用金刚石磨粒与单晶硅之间的相互作用实现材料去除。游离磨料线切割技术是sic磨料在液体带动下沿着金属丝进入单晶硅切槽并不断滚压磨削单晶硅切槽表面材料完成切割，切割过程中通过sic颗粒、金属丝和单晶硅之间的相互作用来实现切槽和材料去除。金刚石线切割技术是利用粘接或电镀在金属丝上的金刚石磨粒直接持续磨削单晶硅切槽表面材料完成切割，切割过程中通过金刚石磨粒和单晶硅之间的直接相互作用实现切槽和材料去除。与内圆切割技术和游离磨料线切割技术相比，金刚石线切割技术具有切割效率高、切缝尺寸小、切片范围广等特点，已成为单晶硅衬底切片加工的主流方法。
4.然而，现有金刚石线切割加工技术并不完善。由于晶体硅的高硬度和高脆性，切割过程中单晶硅主要以脆性断裂方式被去除，线锯也因磨粒晶体间作用力过大产生不规则随机振动，导致线切割加工过程存在切口材料损失和浪费严重、切片形状精度差、切片表面质量差、切片亚表面损伤层深、线锯磨损严重以及后续研磨抛光工作量大成本高等瓶颈问题。这些技术缺陷导致硅片切割效率低和表面质量差，大大提高了单晶硅切片的制造成本，这对国家在半导体行业和光伏发电行业的战略规划和布局会产生重要影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，以解决上述背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，包括如下步骤：
8.步骤一：启动机床开关，机床主轴带动驱动筒匀速旋转，驱动筒带动张紧轮、支撑轮和导轮转动，金刚石线锯沿单方向匀速运动；
9.步骤二：启动超声发生器，超声发生器产生高频电信号输出给超声振子，超声振子
带动超声导轮振动，实现金刚石线锯超声振动；
10.步骤三：启动切削液水泵，将切削液喷向线锯；
11.步骤四：旋转工件固定在载料板上，启动电机，带动载料板和工件绕自身主轴旋转；
12.步骤五：启动激光器开关，激光束水平射出照射到工件外圆表面，设置激光器参数使工件表面层温度保持；
13.步骤六：启动机床进给系统，旋转工件向工件移动；
14.步骤七：启动激光器，激光预热装置移动，切割开始前激光器与工件外表面距离保持恒定；
15.步骤八：切割开始，旋转工件表面层的材料被金刚石线锯上涂敷的金刚石磨粒良性去除；
16.步骤九：随着切割的进行，工件有效切割半径不断减小；
17.步骤十：当切割半径为0时，切片掉落在软垫上，切割完成。载料板复位，激光器复位，切削液停止供给，超声发生器停止工作，机床停止工作。
18.作为本发明进一步的方案，步骤二中超声发生器谐振频率为20khz。
19.作为本发明进一步的方案，步骤二中超声振子将高频振动电信号转换为高频微幅水平机械振动，超声振子带动超声导轮在水平方向上做高频微幅水平机械振动，实现金刚石线锯在水平方向超声振动。
20.作为本发明进一步的方案，步骤二中温度应为材料对应的热软化温度，在该温度下材料的力学性能能够得到改善和提高，激光预热降低了材料的硬度和脆性，提升材料可加工性。
21.作为本发明进一步的方案，步骤八中线锯在水平方向上超声振动，工件和金刚石线锯上磨粒之间的接触状态也从持续接触变为间歇性接触，降低了工件和磨粒之间的相互作用。
22.作为本发明进一步的方案，步骤八中激光加热会产生热影响层，利用超声振动的金刚石线锯去除激光加热区域及热影响区域的材料，避免工件被加工表面的机械损伤和热损伤。
23.作为本发明进一步的方案，步骤九中通过调整激光器速度保证加工过程中激光束发出位置与被切割材料外表层之间的距离恒定，保证整个加工过程中被切割材料热软化温度的一致性。
24.综上所述，本发明实施例与现有技术相比具有以下有益效果：
25.本发明通过工件绕自身轴心旋转并平移进给，激光光束向工件轴心水平照射，激光加热装置在空间中的运动与工件保持一致，通过实时调节光源运动速度控制工件待切割区域温度场，利用激光预热提高工件材料的可加工性；水平放置的纵向超声换能器带动超声导轮在水平方向上进行超声频机械振动，金刚石线锯随超声导轮做微幅低频超声振动，利用超声振动将线锯工件间的持续性接触转变为间歇性接触；同步改善工件材料特性和切割接触状态，实现单晶硅等硬脆性材料精密高效金刚石线切割和切片加工。
26.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
27.图1为发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
30.在一个实施例中，一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，参见图1，包括如下步骤：
31.步骤一：启动机床开关，机床主轴带动驱动筒匀速旋转，驱动筒带动张紧轮、支撑轮和导轮转动，金刚石线锯沿单方向匀速运动；
32.步骤二：启动超声发生器，超声发生器产生高频电信号输出给超声振子，超声振子带动超声导轮振动，实现金刚石线锯超声振动；
33.步骤三：启动切削液水泵，将切削液喷向线锯；
34.步骤四：旋转工件固定在载料板上，启动电机，带动载料板和工件绕自身主轴旋转；
35.步骤五：启动激光器开关，激光束水平射出照射到工件外圆表面，设置激光器参数使工件表面层温度保持；
36.步骤六：启动机床进给系统，旋转工件向工件移动；
37.步骤七：启动激光器，激光预热装置移动，切割开始前激光器与工件外表面距离保持恒定；
38.步骤八：切割开始，旋转工件表面层的材料被金刚石线锯上涂敷的金刚石磨粒良性去除；
39.步骤九：随着切割的进行，工件有效切割半径不断减小；
40.步骤十：当切割半径为0时，切片掉落在软垫上，切割完成。载料板复位，激光器复位，切削液停止供给，超声发生器停止工作，机床停止工作。
41.进一步的，参见图1，步骤二中超声发生器谐振频率为20khz。
42.进一步的，参见图1，步骤二中超声振子将高频振动电信号转换为高频微幅水平机械振动，超声振子带动超声导轮在水平方向上做高频微幅水平机械振动，实现金刚石线锯在水平方向超声振动。
43.进一步的，参见图1，步骤二中温度应为材料热软化温度，该温度下，硬脆材料的力学性能能够得到改善，通过激光预热降低材料硬度和脆性，提升材料可加工性。
44.进一步的，参见图1，步骤八中线锯的水平超声振动，工件磨粒之间的接触状态也从持续接触变为间歇性接触，降低工件和磨粒之间的相互作用。
45.进一步的，参见图1，步骤八中激光加热会产生热影响层，利用超声振动的金刚石线锯去除激光加热区域及热影响区域的材料，避免工件被加工表面的机械损伤和热损伤。
46.进一步的，参见图1，步骤九中通过调整激光器速度保证加工过程中激光束发出位置与被切割材料外表层之间的距离恒定，保证整个加工过程中被切割材料热软化温度的一
致性。
47.在本实施例中，加工过程基于环形金刚石线切割加工数控机床设备进行。机床自身提供被加工工件和金刚石线锯的运动及控制。改造机床工作台，增加在线温度检测系统和激光运动及控制系统，实现激光光源的调整、移动和控制。
48.在激光加热装置搭建方面，选用聚光性好、性能稳定以及功率能满足加工需求的光纤激光器作为激光光源；利用激光装置移动和激光加热功率调整来实时跟随加热工件，暂不涉及变斑变焦光学系统设计，采用常规全反射镜、滤光镜以及聚焦用凸透镜构成激光水平照射光学系统；加工过程中加工区域残留的切削液和切屑会影响激光光斑和聚焦降低加工质量，附加激光光线同轴差压喷嘴供给空气清理加工区域残留切削液和切屑等杂质；激光器在工作过程中产生大量热量，采用循环冷却水对激光器进行冷却。
49.在超声振动系统搭建方面，考虑超声频率稳定性和普适性初步拟定超声系统谐振频率为20khz；加工过程中线锯对导轮的压力会导致系统谐振频率变化，本项目选择具备阻抗匹配和智能自动追频的大功率超声发生器；考虑到超声系统机电转换效率和振动输出效果，选择纵向振动模式的压电超声换能器和阶梯型超声变幅杆；利用振动理论和有限元仿真计算工作导轮尺寸保证整个系统在20khz频率左右谐振。
50.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：启动机床开关，机床主轴带动驱动筒匀速旋转，驱动筒带动张紧轮、支撑轮和导轮转动，金刚石线锯沿单方向匀速运动；步骤二：启动超声发生器，超声发生器产生高频电信号输出给超声振子，超声振子带动超声导轮振动，金刚石线锯随超声导轮作超声频机械振动；步骤三：启动切削液水泵，将切削液喷向线锯；步骤四：旋转工件固定在载料板上，启动电机，带动载料板和工件绕自身主轴旋转；步骤五：启动激光器开关，激光束水平射出照射到工件外圆表面，设置激光器参数使工件表面层温度保持；步骤六：启动机床进给系统，旋转工件向工件移动；步骤七：启动激光器，激光预热装置移动，切割开始前激光器与工件外表面距离保持恒定；步骤八：切割开始，旋转工件表面层材料被金刚石线锯上涂敷的金刚石磨粒良性去除；步骤九：随着切割的进行，工件有效切割半径不断减小；步骤十：当切割半径为0时，切片掉落在软垫上，切割完成。载料板复位，激光器复位，切削液停止供给，超声发生器停止工作，机床停止工作。2.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤二中超声发生器谐振频率为20khz。3.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤二中超声振子将高频振动电信号转换为高频微幅水平机械振动，超声振子带动超声导轮在水平方向上做高频微幅水平机械振动，实现金刚石线锯在水平方向超声振动。4.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤二中温度应为材料热软化温度，该温度下，被加工材料的力学性能能够得到极大改善，通过激光预热降低材料硬度和脆性，提升材料可加工性。5.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤八中线锯的水平超声振动，使工件磨粒之间的接触状态从持续接触变为间歇性接触，降低了工件和磨粒之间的相互作用。6.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤八中激光加热会产生热影响层，利用超声振动的金刚石线锯去除激光加热区域及热影响区域的材料，避免工件被加工表面的机械损伤和热损伤。7.根据权利要求1所述的激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，其特征在于，步骤九中通过调整激光器速度保证加工过程中激光束发出位置与被切割材料外表层之间的距离恒定，保证整个加工过程中被切割材料热软化温度的一致性和均匀性。

技术总结
本发明公开了一种激光辅助超声复合环形金刚石旋转线切割加工方法，属于切割加工技术领域，其技术要点是：工件绕自身轴心旋转并平移进给，激光光束向工件轴心水平照射，激光加热装置在空间中的运动与工件保持一致，通过实时调节光源运动速度控制工件待切割区域温度场，利用激光预热改善工件材料的可加工性。水平放置的纵向超声换能器带动超声导轮在水平方向上进行超声频机械振动，金刚石线锯随超声导轮做微幅低频超声振动，利用超声振动将线锯工件间的持续性接触转变为间歇性接触。在超声辅助金刚石线切割加工基础上引入激光预热加工过程，通过同步改善工件材料特性和切割接触状态，实现单晶硅等硬脆性材料精密高效金刚石线切割和切片加工。线切割和切片加工。线切割和切片加工。


技术研发人员：张航 柴青 刘婕 吕林蔚 闫世程 王桂莲 王姝琪
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2022.04.12
技术公布日：2022/5/25