专利名称：结构化锯线的制作方法
技术领域：
本发明涉及的领域为设计用于切割硬脆材料的锯线。本发明尤其涉及用于切割例如石英(用于例如石英振荡器或者光刻掩模)、硅(用于例如集成电路晶片或太阳能电池)、砷化镓(用于高频电路)、碳化硅(例如用于蓝色LED的)、稀土磁性合金(例如用于记录磁头)等材料的锯线。
背景技术：
在电子工业中对硬而脆的材料进行多线锯切看来是由British Thomson-Houston Cy有限公司的C. Hayward首次发明，在GB717874 (1954年公开)和GB771622 (1957年公开) 中有相关描述。该技术已进一步由摩托罗拉公司的H. W. Mech获得，在GB1397676 (1975年公开)有相关描述。现代多线锯的所有特征都可以在这些专利中找到1、在驱动绞盘上以多圈的形式引导单根锯线；2、绞盘上具有沟槽，以用于使锯线在各圈之间偏移，从而形成了线网；3、使用游离磨粒料浆作为切割剂，当工件缓慢进入线网时将该磨粒料浆喂送到线网上；4、锯线在两个线轴间往复运动，或者替代地锯线总在同一方向上运动。许多种对于锯线相对于工件的布置方式的替代方案已经被设计出来。在CH69M89 中可以找到这些布置方式的例子。从以上的描述中可以清楚的看到，在锯切过程中，锯线是至关重要的。锯线的功能首先是将磨粒料浆拖曳到切口中。磨粒料浆主要包括载液(最初为矿物油，但目前主要使用聚乙二醇(PEG))，磨粒漂浮于其内。磨粒通常是碳化硅(旧的名称是金刚砂)，虽然也可以使用其它的磨料例如碳化硼、金刚石、立方氮化硼(CBN)。锯线的第二个功能是把磨粒推靠到工件上。因此，锯线必须能够始终保持一定张力，因为这种张力将转化为用于将磨粒推到工件中的力。由于磨粒趋于在工件和锯线之间粘着和滚动，因此不仅工件被磨粒切割，而且锯线的表面也严重损坏。因此，锯线在锯切过程中磨损，必须在锯线在所施加的张力作用下断裂之前更换锯线。由于在切割过程中锯线趋向于绕其纵向轴线转动，因此所用的锯线主要是圆横截面。这种圆形的缺点是最初被捕获在锯线和工件之间的磨粒趋向于从锯线和工件之间被推出。结果是，磨粒的量从切口开始起就损耗。如果在锯线和工件之间的磨粒较少，切割将减弱，锯线和工件之间开始发生摩擦。尽管在切割长度在400mm以下或更短(指的是硅锭的例子)的情况下这种损耗不是特别的问题，但是当需要切割更长的长度时这将成为问题。因此，寻找办法将足够的磨粒带入切口中以便保持切割作用直到退出切口为止，这一直是锯线领域中反复探讨的主题。解决这个问题的第一种方案是将磨粒粘在锯线上，以使磨粒不会离开切口。以这种方式，磨粒和锯线之间的相对速度是零，并且不会发生锯线的磨损。这种锯线被称为“固CN 102528940 A
结磨粒锯线”。第二种解决方案是提供一种“结构化”的锯线表面，以便磨粒更好地保持在“结构化”的锯线表面上。可以在下面专利中找到例子-JP 2007 196312，其中，锯线表面有凹部分和凸部分，用于接收和保持磨粒。在这个例子中，通过从喷嘴中把电解液喷射到锯线上来进行纹理化。-WO 90/U670描述了不同形式的表面，其中，锯线的横截面面积沿锯线的长度是变化的(图2和3)。还描述了有微凹腔的锯线(
图1)和有软表面的锯线，磨粒可以嵌入到微凹腔和软表面中(图4)。-JP 2007 044841描述了基本上为圆形的锯线，具有围绕锯线的长度方向成螺旋形延伸的扁平面。-KR 2001 0(^689描述了一种圆锯线，通过压刻而在该圆锯线上形成凹腔。然而，这些方案存在的问题是磨粒的磨损作用是非常严重的，在工件上经过五到十次之后锯线的表面就已被磨光了，凹腔或突起都不存在了。第三种方案是不对表面进行结构化，而是对整个锯线自身进行结构化。这种方案的例子可以在下面专利中找到-US观60862，其中，在用于锯石材的扁平锯线上施加两次螺旋状变形首先用短的捻距绕锯线自身轴线对线加捻，然后用更长的捻距以螺旋形对锯线加捻。这种方案看起来实施过程太麻烦首先必须要使锯线扁平，之后再进行另外的螺旋变形。-FR 750081 虽然与多线锯切领域不相关，但是该专利描述了采用具有圆形或多边形横截面的螺旋形锯线来锯石材。螺旋具有长的捻距。-JP4057666描述了一种高强度的金属锯线，首先使其变形成螺旋形，然后通过将其拉过拉模来进行拉伸。-JP2004 276207描述了一种变形的单线或绞线，具有螺旋形。在这些方案中，锯线必定把更多的磨粒料浆带入切口中，因为锯线像进给螺杆那样起作用从一固定点(例如切口的进入点)来看，锯线就像是旋转进入切口。然而，由于螺旋形的外部与切口的半圆柱面紧密接触，因此好像所有磨粒都是在锯线的旋转作用下被扫走，并且锯切作用并不像预期的那样好。-JP 2004 276207(另外)还描述了单线或绞线，被引导通过一对嵌齿轮，从而在单一平面内形成‘Z’字形的双皱褶。在‘Z’字形皱褶中，锯线先在第一方向上弯曲，然后在第二方向上进行第二弯曲，与第一方向相反(反向弯曲)。当这种变形的绞线松开时，较短长度的‘Z’字形皱褶叠加在长波螺旋形上(通过把绞线并捻而产生)。-WO 2006 067062描述了一种单丝锯线，具有多个皱褶，每个皱褶具有节距和波幅，皱褶被设置在至少两个不同的平面上。锯线的外接包络直径‘D’是锯线自身直径‘d’ 的1. 05 1. 50倍。尽管这种方案在实际中可应用，但另一个问题出现了，即皱褶所形成在的平面中的一个将是主导平面，其它平面将逐渐转向到这个主导平面中。形成了基本上在一个平面内变形的锯线，该平面垂直于切割方向。结果是，切割速度减小了。由于限制了锯线旋转的可能性，锯线的磨损将只发生在一侧。除此之外，锯线主要是在突出的顶端承载和磨损。因此，锯切作用局限在这些部分，并且没有预想的好。
发明内容
本发明的目的是解决过去存在的问题。尤其是，本发明的目的是提供一种结构化的锯线，其在使用中保持旋转对称，因此该锯线能在使用中转动。本发明的结构化锯线也增加了磨粒的夹带和作用。本发明的第二个目的是提供制造这种锯线的方法。根据本发明的第一个方面，描述了结构化锯线，尤其适合用于锯切硬而脆的材料， 例如IV族元素(例如硅，锗)及其化合物(例如碳化硅)、III-V族的化合物(例如砷化镓)、石英和玻璃、陶瓷材料、蓝宝石、稀土磁体、天然石材(例如大理石等)。本发明的锯线尤其适合于切口跨度在约200mm以上至例如1或2米(‘大跨度’切割)。约300mm的小切割跨度适用于硅锭的切料头(去除硅锭的头部和尾部)、切片(有时被称为切晶片)。大切割跨度适用于例如切割用于集成电路光刻掩模的石英晶体，或对用于太阳能电池的多晶硅锭修边。这种修边是对直立的圆形单晶硅锭(用于半正方形的太阳能电池)进行的，或是对尺寸可达840X840X270mm3的多晶硅块进行的，该多晶硅块被切成 125 X 125 X 270mm3或156 X 156 X 270mm3或更大的完整正方形块。最一般的形式中，本发明的锯线是基本上螺旋形的钢线，包括有多段，各段之间有弯曲部，其中，所述弯曲部是向外弯曲的，也就是在离开螺旋形对称轴的方向弯曲。对于本申请来说，螺旋形是空间曲线，在旋转一定角度并结合平移的情况下仍然是不变的。螺旋线是一种特殊的螺旋形，在旋转任何角度并且有相应平移的情况下仍然是不变的。可以把锯线中心线的形状想象成是通过用区段(‘线段’)连接中心圆柱上的离散点(‘弯曲部’)而形成的，因而这些点彼此以轴向增量在轴向偏移，而点和基准平面之间的角度以角度增量离散地增加。在最一般的形式中，各点之间的轴向增量不需要一致，正如各点之间的角度增量也不需要一致。然而，轴向增量和角度增量不改变锯线上的表征(即，在锯线整个长度上可以辨别出左旋或右旋捻向)。通过围绕锯线的中心线加上锯线本体，就形成了锯线本身。弯曲部之间的段大体是直的。这意味着段能呈现一定的曲率，但在任何情况下大大小于锯线弯曲部处的曲率。段的弯曲方向优选朝向螺旋形的轴线。从以上描述可以看出，锯线自身有外接圆柱，该外接圆柱与中心圆柱共轴但是直径更大，其中，在弯曲部处，锯线与该外接圆柱相接；在弯曲部之间也就是在段处，锯线与外接圆柱不接触。在下文中，该外接圆柱的半径称为‘Rm’，其直径为‘D’。因此，在这些段处， 在外接圆柱与锯线表面之间将形成间隙，其中，锯线与外接圆柱之间的距离随着从一个弯曲部到下一个弯曲部将从零开始增长再减小到零。因此，在某处将出现最大间隙尺寸。最大间隙尺寸表示为'δ，。现在讨论锯切方法，在锯切过程中该外接圆柱与工件中形成的半圆柱相适。在锯线和工件之间形成的间隙中，不再具有足够摩擦作用的较小磨粒将通过间隙，而仍起作用的较大磨粒将嵌塞在锯线和外接圆柱表面之间的间隙中，并且发挥充分的摩擦作用。这种 ‘过滤’在现有技术的结构化锯线中是没有的。
因此可确定，间隙尺寸必须与磨粒的粒径相关。优选的，锯线的最大间隙尺寸是磨粒中值粒径的0. 25倍到2倍。更优选的是，间隙尺寸是磨粒中值粒径的0. 30倍到1倍。用于游离磨料锯切的磨粒是微粉型的。这些磨粒是通过筛选、空气分级或水分级而分类成不同的粒径等级。每个等级的最小粒径、中值粒径、最大粒径的定义存在不同的标准(FEPA，JIS，和ANSI)。通常，‘线锯，范围一般被认为是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)。在括号中的数值指的是中值粒径。 中值粒径是这样一种粒径，一半颗粒的粒径比它大，另一部分颗粒的粒径比它小。对于大跨度的切割，优选用较大的粒径，例如FEPA 360 (22. 8 μ m)至FEPA 230 (53. 0 μ m)。最优选的是中值粒径为四.2 μ m的FEPA 320。磨粒由碳化钨(WC)、碳化硅(SIC)、氧化铝(AL2O3)或氮化硅(SI3N4)制成。到目前为止，碳化硅由于价格便宜且容易获得而被最广泛地使用。超硬磨粒例如金刚石、立方氮化硼或它们的混合物由于它们的成本对于游离磨料锯切来说太昂贵，因此只在理论上是可行的。作为载体，最广泛使用聚乙二醇，但也可以使用矿物油。锯线本身优选为圆形横截面，虽然其它横截面(三角形、正方形或多边形)并不因此被必然排除。根据应用场合，锯线直径范围可为40μπι至350μπι。然而，对于大跨度切割，优选尺寸大于200 μ m，典型的尺寸是250 μ m。下文中，锯线的半径用‘&’表示，直径用 ‘d’表示。根据本发明，一般来说，对于直径小于300 μ m的结构化锯线，抗拉强度为2500N/ mm2以上，对于直径小于180 μ m的结构化锯线，抗拉强度为3400N/mm2以上，对于直径小于 150 μ m的结构化锯线，抗拉强度为3700N/mm2以上。抗拉强度定义为锯线的断裂载荷除以锯线的金属横截面面积。沿着锯线的中心所取的各段长度不必一定相等这意味着可以使结构化锯线具有随机性的段长度。这种随机性有助于防止振动。另一个实施例为，在各个弯曲部之间可以是重复型式的长度。例如5，3，2，3，5，3，2，3，... mm。最简单的实施例当然是段长度恒定。对于上述的基本螺旋形，可以定义节距。节距是锯线的中心线绕螺旋形的轴线转一圈所经过的轴向长度。在一个节距内可以有多个弯曲部。如果一个节距内弯曲部数量刚好是2个，锯线在单一平面内是Z形。虽然这是一种可用的形状，但是它不是优选的。更优选的是，一个节距内弯曲部的数量严格地多于2个。“多于2个”不仅指整数(3，4，5，...)。 也指小数，例如2. 3或5. 1，这意味着在10个节距的轴向长度上可以有23或51个弯曲部。 弯曲部数量的精度与所考虑的节距数量成比例如果想得到2位数的精度，就必须计算100 个节距内的弯曲部数量。因此，每个节距中弯曲部的数量必须在多个节距的长度上取得，即必须取平均数。下文中，每个节距内的弯曲部平均数称为‘P’。当每个节距内弯曲部的平均数为整数例如3时，从轴向上看锯线将为三角形。每个节距内有4个弯曲部时将呈正方形，每个节距内有5个弯曲部时为五角形，等等。然而，当每个节距内的弯曲部数量增加时，在外接圆柱和锯线的段之间所形成间隙的尺寸将减小， 因为从轴向上看的多边形越来越象圆。因此，最好每个节距内的弯曲部平均数‘P’不超过 5个，或更优选的4个。更优选的是，‘P’在2和4之间，最优选为2. 5和3. 5之间。间隙尺寸‘ δ ’、外接圆柱半径‘Rm’、每个节距内弯曲部平均数‘P’和锯线半径％’ 可以推导出(图2用来解释)
权利要求
1.一种钢锯线，适用于采用磨粒来锯切，所述锯线大体上为螺旋形，该螺旋形包括多个段，各段之间有弯曲部，所述弯曲部朝着所述螺旋形的径向向外，其特征在于在所述弯曲部之间，在所述锯线和所述锯线的外接圆柱之间具有间隙，所述间隙的最大间隙尺寸是所述磨粒中值粒径的0. 25至2倍。
2.根据权利要求1所述的钢锯线，其中，所述螺旋形还具有节距，所述螺旋形的每个节距具有多于2个的弯曲部。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的钢锯线，其中，所述锯线具有锯线直径，所述外接圆柱具有圆柱直径，其特征还在于，所述圆柱直径与所述锯线直径之差是所述磨粒中值粒径的0. 7至11倍。
4.根据权利要求3所述的钢锯线，其中，所述圆柱直径与所述锯线直径的比值在1.04 与1.4之间。
5.根据权利要求1或2所述的钢锯线，其特征在于，所述段在重复的模式内长度不同。
6.根据权利要求1或2所述的钢锯线，其中，所述段具有相等的长度。
7.根据权利要求1或2所述的钢锯线，其特征在于，所述磨粒的所述中值粒径在3和 50微米之间。
8.根据权利要求7所述的钢锯线，其中，所述中值粒径是约30微米。
9.根据权利要求1或2所述的钢锯线，该钢锯线还具有表面，所述表面比所述钢锯线的芯软，以便改善磨粒的保留。
10.根据权利要求9所述的钢锯线，其中，所述表面为镀层，该镀层选自包括以下材料的组低碳钢，铁，铜，锌，黄铜。
11.一种生产根据权利要求1至10中任意一项所述结构化锯线的方法，包括以下步骤-通过把锯线从放线线轴上松开，使锯线进行直线轴向移动，-使锯线在单一平面内在一个方向上形成相继的弯曲部，-将所述锯线缠绕于收线线轴上，其特征在于所述单一平面相对于所述轴向移动锯线的轴线并绕所述轴向移动锯线的轴线旋转。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过在齿轮上引导所述锯线，在所述锯线上形成在单一平面内一个方向上的所述相继的弯曲部，所述齿轮的轴线垂直于所述单一平面。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述收线线轴和放线线轴的轴线都同样地绕所述轴向移动锯线的轴线转动，而所述单一平面保持不动。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述单一平面绕所述轴向移动锯线的轴线转动，而所述收线线轴和放线线轴的轴线保持不动。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述单一平面、所述放线线轴和收线线轴的轴线保持不动，并且其中，在形成单一平面内一个方向上的所述相继的弯曲部之前对所述钢锯线加捻，之后对所述钢锯线退捻，以使锯线相对于所述单一平面旋转。
全文摘要
本发明公开了一种钢锯线(302)，具有螺旋形，其中，直的段与向外弯曲的弯曲部交替。锯线(302)的形状按照以下方式形成，以便能与锯线所用的磨粒很好的配合当锯线(302)被使用时，在弯曲部之间的段处形成间隙，且外接半圆柱由正在被锯切的工件形成。间隙的最大间隙尺寸为所用磨粒中值粒径的0.25至2倍。以这种方式，在起作用的间隙处，大的磨粒被推靠在工件上，而磨耗的磨粒屑从间隙中脱出。此外，本发明公开了几种制造这种锯线(302)的方法。
文档编号B28D7/00GK102528940SQ201110462548
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者H·罗梅尔 申请人:贝卡尔特公司