一种大尺寸碳化硅晶片金刚石线切割机床的制作方法

本发明涉及一种线切割机床，尤其是一种换丝周期长的线切割机床，具体地说是一种大尺寸碳化硅晶片金刚石线切割机床。

背景技术：

碳化硅是一种多晶型化合物。在摄氏560度的高温下，碳化硅晶片没有冷却装置的情况下仍能工作运行，在航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。

碳化硅晶片是第三代半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高等优点，是制作高压、大功率半导体器件的理想材料。高质量大直径的碳化硅单晶极为重要，但是晶片加工则对晶片的表面质量起决定作用，其中把体块单晶切割成翘曲度小、厚度均匀、刀缝损失小的晶片非常重要，否则将给后续的磨抛工作带来极大的困难。由于sic的莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石(其莫氏硬度为10)，加工难度很大。当晶体的直径达到2英寸时，常规的内圆切割机不能有效地工作，并且一定薄尺寸的碳化硅晶片无法切割加工。必须采用金刚石线切割技术。高速旋转并往复回转的绕丝筒带动金刚石线做往复运动，金刚石线被二个张紧线轮(弹簧或气动)所张紧，同时加设两个导向轮以确保切割的精度和面型。通过自动控制工作台向金刚石线控制台方向不断地进给，或是控制金刚石线控制台向工作台方向不断进给，从而使金刚石线与被切割物件间产生磨削而形成切割。切割过程中，由于金刚石线直径小，且具有弹性，金刚石切割线在被被切割物件和位于其左右的两个导向轮之间形成了一个张角，金刚石线呈微弧状。因此施加到被切割物件上的力联同金刚石线与被切割物件间的相对运动，才使切割不断得以进行。

现有技术存在如下不足，1.现有技术采用加工区两主导轮间往复砂线进给或工件进给方式，易使加工区砂线漂移或抖动，从而切割加工的碳化硅面凹凸不平，深浅不一的条纹，这给磨抛工作带来极大的困难，严重的后道工序无法完成造成材料的报废。2.贮丝筒上金刚石砂线贮量有限，一般不到300米，不足长度的金刚石线参与切割加工，砂线的刃口不足以切割整个晶片，要重新更换金刚线，影响加工效率，由于更换未加与加工的砂线径大于参加加工过旧砂线直径，更换金刚石线后带来二次切割，带来更严重的深浅不一的条纹，影响了加工质理和效率。3.运丝主电机一般为普通三相感应电机配变频器调速，调速范围小，低频时电机输出力矩小，减速换向时金刚石砂线张力波动，加工工艺性柔性不足，接近切割加工时容易引起晶片崩边。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的线切割机床因切割线长度不足，易出现加工质量不稳的问题，设计一种切割稳定、丝线长度长的大尺寸碳化硅晶片金刚石线切割机床。

本发明的技术方案是：

一种大尺寸碳化硅晶片金刚石线切割机床，它包括底座1，底座1的中心安装有门形立柱12，门形立柱12上安装有导丝组件，其特征是所述门形立柱12二侧的底座1上各安装有一个运丝部件2，金刚石丝线从一侧的运丝部件引出经过导线组件后由另一侧的运丝部件收丝，运丝部件2安装在滑块上，滑块安装在导轨上并由伺服电机驱动实现步进放丝或收丝；在底座1的中心安装有y向人字型立柱3，y向人字型立柱3由y向驱动机构4驱动作前后进给移动；在y向人字型立柱3上安装有z向滑板，z向滑板由安装在y向人字型立柱3上部的z向驱动机构5驱动作上下移动，z向滑板上安装有c轴驱动机构6，c轴驱动机构6上安装有工件夹持机构7，c轴驱动机构6带动工件夹持机构7上的被加工工件作回转或摆动。

所述的运丝部件2由运丝主轴电机和丝筒组成，它们均安装在滑块上同步移动，滑块安装在导轨上并由丝杠驱动，丝杠由伺服电机驱动。

所述的丝筒上的金刚石丝线单导或多层缠绕，长度为1000-10000米。

所述的导丝组件包括安装在门形立柱上的过渡导轮8、张紧轮9、张力检测轮10和主导轮11。

本发明的有益效果：

本发明的双运丝装置丝筒上可层缠绕几千米至一万米的金石线，采用渐近式走丝模式，根据工艺设定一定卷数即长度（如1000卷数）的砂线在两丝筒之间以设定的次数（如50次）往复运动，当达到设定的往复次数，参与切割的金刚砂线以设定卷数（如2卷）缠绕在b丝筒上不再参与切割加工，a丝筒放置未参与切割的金刚石线以设定的卷数（如2卷），参与下一个切割加工，最终耗损殆尽的金刚线缠绕在b运丝丝筒上。加工过程如发生断丝，将缠绕b运丝装置上砂线去除，重新将未参与加工切割a丝筒上砂线重新走丝布置，重新加工切割。断丝与砂线的损失微不足道，减少了损失，渐近式走丝提高了平面度，这对后道工序带来积极的影响。运丝主轴电机采用大功率伺服电机，减速换向时确保张力平稳，接近切割加工结束，可调整走丝速度，达到最佳的切割工艺状态。

c轴驱动工件旋转提高了加工效率，切割与修刀有机集合在一起，提高了表面质量，根据设定最终可采用工件摆动方式切割加工，因为随着切割的进行工件切割处的直径变小强度变小，最后切割阶段易形成断裂，影响后道工序，严重的使工件报废。

金刚石线切割张力可实时设定调整反馈至控制系统，保证加工区砂线张力及砂线的稳定性。这是切割质量保证的必要条件。

本发明结构简单，制造方便，加工质量稳定可靠，效率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的后视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示。

一种大尺寸碳化硅晶片金刚石线切割机床，它包括底座1，底座1的中心安装有门形立柱12，门形立柱12上安装有导丝组件，导丝组件包括对称布置的过渡导轮8、张紧轮9、张力检测轮10和主导轮11，导丝组件中的各部件的结构均与现有技术相同，可直接将现有设备上相关的部件装在本发明的机床上，如图1所示。所述门形立柱12二侧的底座1上各安装有一个运丝部件2，所述的运丝部件2一般由运丝主轴电机和丝筒组成，所述的丝筒上的金刚石丝线单导或多层缠绕，长度为1000-10000米。运丝主轴电机和丝筒均安装在滑块上同步移动，滑块安装在导轨上并由丝杠驱动，丝杠由伺服电机驱动。放丝筒自转的同时沿直线移动，使丝线保持理想的放线状态，更适合于多层缠绕的丝筒放丝和运丝，防止断丝和乱丝现象的发生，并在发生此类情况时及时纠正。金刚石丝线从一侧的运丝部件引出经过导线组件后由另一侧的运丝部件收丝，运丝部件2安装在滑块上，滑块安装在导轨上并由伺服电机驱动实现步进放丝或收丝；在底座1的中心安装有y向人字型立柱3，如图2，y向人字型立柱3由y向驱动机构4驱动作前后进给移动；y向驱动机构4一般由电机、带轮、丝杠、螺母组成，可采用现有的驱动结构完全相同的y向驱动结构，也可自行设计制造。在y向人字型立柱3上安装有z向滑板，z向滑板由安装在y向人字型立柱3上部的z向驱动机构5（一般也是由电机、丝杠螺母组成驱动结构，可采用现有技术加以实现）驱动作上下移动，z向滑板上安装有c轴驱动机构6（相当主轴，由主轴电机和带卡盘或装夹夹具的主轴头组成），c轴驱动机构6上安装有工件夹持机构7（即主轴上安装有夹持机构7），c轴驱动机构6带动工件夹持机构7上的被加工工件作回转或摆动。

如图1-2所示，ab双运丝置于底座两侧，丝筒上可多层缠绕金刚石线长度。y向人字型滑柱位于底座中央，y向驱动机构驱动立柱前后进给，立柱前面置有z向滑板，z向驱动机构驱动z向滑板上下进给，z向滑板上置有工件夹持机构，c轴驱动机构驱动工件夹持机构旋转或摆动。滑柱两侧底座上对称置放两固定立柱，固定立柱上置放主加工导轮组件，张力检测导轮组件，过渡导轮组件，固定立柱上端置放张力导轮装置及反馈装置。

加工时，先将位于底座一侧a运丝装置丝筒上缠绕多层金刚石线，可根据线径设定排丝间隙，后将金刚石线经过渡导轮、张紧轮、张力检测轮、主导轮、张力检测轮、张紧轮、过渡导轮至另一侧丝筒，工件置于c轴工件固定板上，加工时开启运丝，设定好y向和z向位置，c轴根据设定以一定的转速带动工件旋转，z轴根据设定的速度带动工件位移，金刚石线以设定的线速度运动与工件产生相对运动，从而产生切割加工。

本发明的双运丝装置丝筒上可层缠绕几千米至一万米的金石线，采用渐近式走丝模式，根据工艺设定一定卷数即长度（如1000卷数）的砂线在两丝筒之间以设定的次数（如50次）往复运动，当达到设定的往复次数，参与切割的金刚砂线以设定卷数（如2卷）缠绕在b丝筒上不再参与切割加工，a丝筒放置未参与切割的金刚石线以设定的卷数（如2卷），参与下一个切割加工，最终耗损殆尽的金刚线缠绕在b运丝丝筒上。加工过程如发生断丝，将缠绕b运丝装置上砂线去除，重新将未参与加工切割a丝筒上砂线重新走丝布置，重新加工切割。断丝与砂线的损失微不足道，减少了损失，渐近式走丝提高了平面度，这对后道工序带来积极的影响。运丝主轴电机采用大功率伺服电机，减速换向时确保张力平稳，接近切割加工结束，可调整走丝速度，达到最佳的切割工艺状态。

c轴驱动工件旋转提高了加工效率，切割与修刀有机集合在一起，提高了表面质量，根据设定最终可采用工件摆动方式切割加工，因为随着切割的进行工件切割处的直径变小强度变小，最后切割阶段易形成断裂，影响后道工序，严重的使工件报废。

金刚石线切割张力可实时设定调整反馈至控制系统，保证加工区砂线张力及砂线的稳定性。这是切割质量保证的必要条件。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。