關鍵詞　固著磨粒線鋸；切割線；制造方法

　　

　　隨著光伏行業的發展，硅片的需求量越來越大，同時對硅片厚度、直徑和表面質量有更高的要求。硅片切割在硅片制造成本中占據很大比例^[1]，降低硅片切割成本對于降低硅片的成本具有重要意義。多線切割機簡稱線鋸，用來切割晶體、陶瓷等硬脆性材料，是硅片的主要切割設備。線鋸分為游離磨粒線鋸和固著磨粒線鋸。游離磨粒線鋸切割是分散于切割液中的SiC磨粒在切割線和硅晶體的壓力下通過“滾壓嵌入”作用于硅晶體表面，使硅表面產生塑性變形和裂紋的三體加工過程^[1，2]。游離磨粒有下列缺點：砂漿（磨粒和切割液組成）不能充分利用，造成工業浪費，切割效率低，成本高，污染環境^[3，4]。固著磨粒線鋸切割是“兩體磨削”加工的過程，通過刮擦晶體硅的方式完成切割^[5]，切割時采用水溶性的冷卻劑，不需要砂漿^[6－8]，磨粒與切割線一起運動。固著磨粒線鋸切割具有切縫小、材料利用率高、切片表面質量好、切割速度快和消除浪費等優點^[3，9]，所以固著磨粒線鋸切割成為大家看好的下一代切割技術^[10]。本文主要介紹固著磨粒線鋸中切割線的制造方法及其研究進展。

 

　　固著磨粒切割線是通過某種工藝方法將硬度大、耐磨性好的磨粒固結在基體表面上而制成的一種切割工具，一般要求固著切割線成本低，耐磨，抗拉強度高，直徑小等。根據磨粒固著在基體上表面的方式不同，可以分為使用金屬結合劑或樹脂結合劑等有結合劑的方式（如圖1所示）以及直接將磨粒固著在基體表面的無結合劑方式。

 

圖1　固著磨粒切割線示意圖

 

　　通過金屬結合劑把磨粒固著在基體上的主要譯意風電鍍、釬焊和電火花等。

　　電鍍切割線一般以鎳為結合劑，用電鍍法把磨粒固結在若何表面。

　　電鍍切割線的步驟為：預處理、電鍍（包括三步預鍍、上砂和加厚鍍）和后續處理[11]。隨著技術發展，人們對傳統電鍍工藝進行了改進，主要包括以下兩方面：

（1）提高制造速度。傳統的電鍍工藝制造速度慢，這主要是因為電鍍時陰極附近金屬離子濃度的減小引起鍍液中極限電流密度的減小造成的。為提高制造速度，可采用氈刷摩擦陰極表面減小陰極離子濃度的降低^[12]。

（2）提高固著磨粒切割線的質量。現在常用的有以下六種方法：①兩次上砂處理，先鍍粗顆粒再鍍細顆粒^[13]。②用激光技術對切割線表面處理^[14]。這兩個方法可提高對磨粒的把持力。③住友電氣工業株式會社對結合劑（采用鎢鎳合金）進行了改進，并在切割線的外表覆蓋一薄層高硬度的金屬薄膜。此法制造的切割線磨粒把持力強，鍍層質量好，金屬薄膜的厚度薄，在使用時不損害磨粒的銳利度^[15]。④李園對切割線的基體進行了改進，在基體表面覆蓋了一層由銅或銅合金構成的表層為螺旋凹槽形狀的植砂層。這樣不僅可以提高電鍍速率，還可以提高切割線的使用壽命^[16]。⑤賀躍輝等人對金剛石表面進行導電化處理，可以使鍍層與金剛石呈現浸潤型界面，提高鍍層對磨粒把持力，令顆粒在金屬線上沉積快，沉積均勻性好，沉積密度高和顆粒利用率高，同時也可提高電鍍速度^[17]。⑥Liu Yen-Kang等人對傳統電鍍固著磨粒切割線制造方法進行了改進。傳統的電鍍工藝一般是磨粒和鍍層同時沉積到基體表面，電鍍時易引起磨粒聚合進而造成切割質量和精度下降，在制造過程中要控制鍍液中磨粒的濃度、磨粒的分散來抑制磨粒的聚合。Liu Yen-Kang法所需的制造材料有基體（琴鋼線、鍍銅琴鋼線、我銹鋼線等金屬絲）、導電層包裹的磨粒、中間層（黏結材料、溶劑、溶液或其混合物）和金屬保護層（金屬可以是鎳、銅、銀等），制造步驟有兩種方法：①先把磨粒與中間層混合，再把混合物涂在其本表面，最后再電鍍金屬保護層。②先把中間層涂在基體表面，再把磨粒嵌入中間層，最后再電鍍金屬保護層。這種切割線使用壽命長，切割線表面平整，可以提高切割質量^[18]。

雖然做了上述改進，電鍍法制造切割線仍有一些缺點，如電鍍工藝復雜、污染環境、制造成本高、線抗彎扭曲強度低和切割過程中容易斷絲等^[22]。

　　電火花加工切割線是通過電火花加工機在基體上沉積堅硬層。具體方法分別兩種：一是直接將結合劑材料做成電極^[19，3]，如圖2。二是將結合劑材料放入工作油中，如圖3^[20]。

　　首先介紹將結合劑材料做成電極的　。電極是由磨粒（一般為絕緣材料）、碳化鎢和鈷的粉末組成，切割線基體由步進機纏繞。通過放電，電極被粉碎，粉末落入間隙；碳化鎢被放電熱分解溶化后，與工作油中游離的碳反應之后沉積到工件（即切割線基體）上；磨粒作為結合劑消失于碳化鎢沉積層中。根據加工時電氣條件的不同，沉積層有時是有氣孔的。磨粒，碳化鎢和氣孔是磨削工具（即切割線）的主要成分。碳化鎢堅硬，切割線沒有磨粒同樣可以用來切割硬脆性材料。

利用鍍層材料在工作油中的電火花加工切割線，這種方法省去了電極制造的時間，還可以有選擇地在小面積上沉積鍍層，但缺點是有些物質不能用這種方法沉積。此法加工是地，作為負極的電極上下往復運動，鈦粉與從工作油中裂化的碳反應之后以碳化鈦的形式沉積到基體上。碳化鈦具有高硬度、耐磨蝕、熱穩定性好的特點，切割線即使沒有磨粒也同樣可用于切割。

 

　　釬焊是用比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度低于母材固相線而高于釬料液相線的一種焊接技術。釬焊法制造切割線是通過釬焊實現磨粒、結合劑（釬焊合金材料）和基體三者之間的化學冶金結合^[21]。釬焊法制造的切割線分為兩種：一是磨粒無序地固著在若何表面；二是磨粒有序地固著在基體表面。下面主要介紹磨粒有序排布的制造方法。

　　釬焊法制造切割線通常采用高頻感應釬焊加熱。高頻感應釬焊具有加熱效率高、溫度容易控制且可以局部加熱、作業環境好、幾乎無污染等優點。釬料一般使用Ag基、Ni基和Cu基并加上易和碳形成化合物的元素Cr、Ti和Si ，再加入改善釬焊效果的Sn和B等元素形成合金釬料結合層。切割線復合體是進行感應釬焊前所制備的焊樣，切割線復合體的制備流程為：基體矯直、表面處理→涂覆黏結劑→有序排布磨粒→涂覆釬料→固膠。釬焊法制造磨粒有序排布切割線的步驟：一是切割線復合體的制備；二是感應加熱切割線復合體^[22] 。

　　釬焊法制造的固著切割線具（如圖4）有結合強度高（化學冶金結合）、磨粒出露高（一般可達磨粒高度的一半以上）、表面容屑空間大（因為磨粒出露高和磨粒的有序排布）、使用壽命長和切割效率高等特點^[22]。但是，由于釬焊溫度高，容易造成基體材料的變質，影響基體材料的強度，有可能引起基體材料斷裂，所以一般要求釬焊切割線的線徑比較粗。

　　樹脂結合劑固著磨粒切割線是通過樹脂結合劑把磨粒均勻地固著到基體表面。樹脂結合劑分為：熱固性樹脂和紫外線固化樹脂。

　　熱固性樹脂一般為酚醛樹脂，固著磨粒切割線制造步驟：磨粒與樹脂混合、基體表面處理→磨粒與樹脂混合物涂在基體表面→固化^[23]。涂層時，若樹脂涂層百度不均勻，則厚的地方磨粒多，薄的地方磨粒少；樹脂層越薄，對磨粒的把持力越小^[4]。在制造過程中，由于要加熱固化易引起基體的青脆。為解決青脆、發送鋸絲的耐磨性和結合劑對磨粒的把持力，可以在樹脂中添加金屬粉末，研究認為添加銅粉效果最好^[23]。此外，銅粉還可以改善鋸絲的耐熱性。為進一步提高基體對磨粒的把持力，可對磨粒表面進行化學處理（可加強磨粒與樹脂表面間的化學反應）、電沉積鎳或其他金屬^[4]。

　　采用快速固化的紫外線固化樹脂制造切割線，可以提高制造速度和降低成本，還可以減小對環境污染。為提高磨粒與基體的結合強度和切割線的耐磨性，日本學者俊之等人采用雙層磨粒層結構，即基體外第一層是與基體有良好附著性的黏結層；第二層是含磨粒和粉末的磨粒層。為進這一步提高制造速度，結合劑中可添加氧化鋁粉末。

　　為了減小切割材料的浪費，切割線向著小直徑和高強度的方向發展，隨著金屬絲線徑的微細化，制造難度增大。有人研究出以紫外線光固化以非金屬為基體的固著切割線，此線基體采用高強度的聚乙烯線，并用溶液對其表面處理，磨粒為鍍鎳的金剛石，紫外光固化樹脂為結合劑^[24]。

　　總之，樹脂結合劑的強度低，耐熱性差，線鋸易磨損，磨粒易脫落，使用壽命不如電鍍的切割線好。但樹脂結合劑彈性好，能減小切割系統的振動，切片表面質量好^[25]，線鋸的制作工藝簡單，生產成本低，環境污染小。

　　固著磨粒切割線的制造不帕斯卡以不用結合劑，用機械作用直接把磨粒液壓嵌入到基體中，即機械碾壓法。美國專利4485757曾提出用液壓嵌入方式制備連續金剛石線鋸的工藝^[25]。此法加工成本低，把磨粒直接液壓嵌入到基體中，降低了基體的強度，磨粒易脫落，此法不常用^[14，25]。

　　另外，固著切割線的制造方法還有擠壓或沖壓，即用兩維以上的沖擠壓頭模，將磨粒擠壓、沖壓進基體的表面以下，然后在沖擠壓形成的鋸線表面，涂敷一層1~10μm的金屬、非金屬材料。這種方法加工成本低，但降低了基體的強度^[25]。

固著磨料切割線的制造方法各有優缺點，電鍍和樹脂法已有工業生產。

　　為了改善切割線的質量，人們對切割線的形狀和磨粒的種類做了改進。

（1）切割線的形狀。“淚滴狀”切割線，是把基體改進為有兩個較大的側面，橫截面是非圓的，形狀像淚滴，在其表面上電鍍磨粒，可以減小鋸縫損失和增加基體的強度^[26]。為了提高金剛石電沉積切割線的切割速度和使用壽命，日本學者石川憲—設計了一種新型的切割線即絞合線，此線基體為兩根極細的琴鋼絲捻成的，并在其表面電沉積金剛石磨粒。中國專利CN201960674提出的具有磨粒涂層的多股切割線，是由至少兩股以上的切割鋼絲相互螺旋纏繞在一起，形成繩狀結構，并在其表面用“電鍍或膠水黏結”的方法固著金剛石或碳化硅顆粒。此線減小了斷絲率，提高了抗拉強度，延長了線的使用壽命，改善了排屑效果，提高了切割效率^[27]。中國專利　　　　CN102152215A介紹了結構型電沉積磨粒的切割線，由結構型金屬坯線（基體）、超硬磨粒（金剛石或立方氮化硼）和鍍層組成，通過復合電鍍方法制備。結構型金屬坯線是以結構型金屬坯線的軸線為基線，沿其軸線的周圍表面有多段形狀為S或Z形的曲線分布。這種切割線具備良好的容屑、排屑和攜帶切割液的功能，從而提高切割效率；磨粒不易脫落，也能有效防止切割線斷線，提高了使用壽命^[28]，如圖5。

 （2）磨粒的種類。中國專利CN102152216A介紹的固著切割線以立方氮化硼作為磨粒，制備方法：基體處理→復合電沉積立方氮化硼（鎳為結合劑）→清洗烘干。立方氮化硼固著切割線具有良好的高溫抗氧化性能和低的摩擦系數。這種切割線使用壽命長，成本低，切割工件表面平整，光潔度高，表面材料晶體結構損傷小，切割能力幾乎與以金剛石為磨粒的固著切割線相同^[29]。

　　固著磨粒線鋸切割具有切割效率高、環境污染小和工業浪費少等優點，固著磨粒線鋸切割有望成為硅晶體切割的主要方法。固著磨粒切割線的各種制造方法各有其優缺點，如釬焊切割線的磨?？梢杂行蚺挪?，但由于釬焊溫度高，影響基體的強度，所以切割線直徑粗些；樹脂切割線磨粒固著強度低；電鍍切割線制造成本高，污染環境。各種制造方法也都在改進。筆者認為，固著磨粒切割線可能往以下幾個方向發展：（1）切割線直徑變小、還要具有高的抗拉強度；（2）切割線基體為其他材質的研究；（3）金剛石磨粒改為其他耐磨磨粒，來降低切割線的成本；（4）磨粒在基體上有序排布，這樣可以提高切割效率，避免磨粒的浪費。

 

[1] MOLLER H J.Basic mechanisms and models of multi-wire sawing [J].Advanced Engineering Materials,2004(6):504-513.

[2] MOLLER H J,FUNKE C,RINIO M,et al .Multicrystalline sillicon for solar cells [J].Thin Solid Films,2005,487:179-187.

[3] YAO Chunyan,WANG Minghuan,PENG Wei.The progress of fixed abrasive wire saws in the last decade[j].Advanced Materials Research,2010(3):15-18.

[4] JUN Sugawara,HIROSHI Hara,AKIRA Mizoguchi.Development of fixed-abrasive-grain wire saw with less cutting loss[J].Sumitomo Electric Technical Review,2004(6):7-11.

[5]CHEN Chao-Chang,CHAO Pei-Hsiun.Surface texture analysis of fixed and free abrasive machining of sillicon substrates for solar cells [J].Advanced Materials Research,2010(8):177-180.

[6] CHOU Yenchun,KUO Yincheng,YANG Shangwei,et al.Acid treated surface morphology of fixed abrasive sawn wafers[C].Seattle:Photo-voltaic Specialists Conference,37th IEEE,June,2011:002136-002138.

[7] KONDO Y,WATANABE N,IDE D,et al.Characterization of multi-crystalline silicon wafers for solar cell applications sliced with a fixes abrasive wire[C].Proceedings of the 23rd European Photovoltaic So-lar Energy Conference ,Valencia:2006:948.

[8] KRAY D,SCHUMANN M,EYER A,et al.Solar wafer Slicing with loose and fixed grains[C].Proceedings of the 23rd European Photo-voltaic Solar Energy Conference,Valencia:2006:948.

[9] HARDIN C W,QU Jun ,SHIH A J.Fixed abrasive diamond wire saw slicing of single-crystla silicon carbide wafers[J].Materials and Manu-facturing Processes,2004,19(2):355-367.

[10] WATANABE N,KONDO Y,IDE D,et al.Characterization of poly-crystalline silicon wafers for solar cells sliced with novel fixed-abrasive wire[J].prog.photovolt:Res.Appl,2010(18):485-490.

[11] 向波，賀躍輝，謝志剛，等.電鍍金剛石線鋸的研究現狀[Ｊ].材料導報，2007，21（8）：25－29.

[12] CHIBA Y,TANI Y,ENOMOTO T,et al.Development of a high-speed manufacturing method for electroplated diamond.wire tools[J].Annals of the CIRP,2003,52(1):281-284.

[13] LUKSCHANDEL J,MEYER J.Nickel-diamond-coated saw wire with improved anchoring of the diamond particles:US,2003140914[P].2003-07-31.

[14] CLARK W I,SHIH A J,Hardin C W,et al .Fixed abrasive diamond wire machining-part I:process monitoring and wire tension force[J].Int Machine Tools Manufacture,2003,43:523.

[15]　住友電氣工業株會社.金剛石線鋸及金剛石線鋸的制造方法：中國CN101823240 A[P].2010-09-08.

[16] 王楚雯，李園.金剛石線鋸及其制備方法：中國，CN102166792 A[P].2011－08－31.

[17] 長沙岱勒金剛石制品有限公司.一種表面改性金剛石的金剛石線鋸生產方法：中國，CN101812710A[P].2010-08-25.

[18] LIU Yen-kang,LEE Yi-Tsang,KAO Chien-Wei.Wire saw and method for fabricating the same:US,2011/0263187 AL[P].2011-10-27.

[19] KATSUSHI Furutani,KOJI Suzuki.A Protoype of electrical discharge coater for wire saw[J].The 40th CIRP Internation Manufacturing Systems Seminar,2007.

[20] KATSUSHI Furutani,YASUO Murase.Fabrication of wire saw with patterned hard bumps by electrical discharge machining with powder suspended in working Oil[J].The 41st CIRP Conference on Manu-facturing Systems,2008.

[21] 林增棟.金剛石－金屬工具的發展與現狀[Ｊ].粉末冶金技術，增刊，1992，10：65－81.

[22]　王波.感應釬焊制作金剛石線鋸的基礎研究[Ｄ].南京：南京航空航天大學機電學院，2010.

[23]　TOSHIYUKI Enomoto,YUTAKA Shimazaki ,YASUHIRO Tani,et al.Development of a resinoid wire containing metal powder for sli-ching a sillicon ingot[J].Annals of the CIRP,1999,48(01):273-276.

[24]　毛煒，彭偉，姚春燕，等.紫外光固化非金屬芯線金剛石線鋸研究[Ｊ].新技術新工藝，2008，07：88－90.

[25]　康仁科.金剛石絲鋸精密切割及其制備技術[Ａ].中國超硬材料網（http://www.idacn.org/articles/14955.html）,2011-06-07.

[26] SCHMID F,SMITH M B,KHATTAK C P.Kerf reduction using sharped wire[J].IEEE,1993.

[27] 常州得一新材料科技有限公司.一種具有磨料涂層的多股切割鋼絲：中國，CN201960674 U[P]. 2011－09－07.

[28] 長沙岱勒新材料科技有限公司.一種結構型電沉積磨料的線切割線：中國，CN102152215 A[P].2011-08-17.

[29] 長沙岱勒新材料科技有限公司.一種立方氮化硼切割線：中國，CN102152216 A[P].2011－08－17.

 

作者簡介

潘慧，女，1986年生，西安交通大學碩士研究生。研究方向：太陽能電池片的切割。