1引言多丝切割<1>是一种通过金属丝的高速运动把磨料带入硅碇加工区域进行研磨,最终把硅碇 切割成众多薄片的一种新型加工方法。随着我国信息产业特别是微电子产业的迅猛发展<2>,对 硅片的需求量也越来越大,精度要求也越来越高。多丝切割以其高精度、高效率、低损耗的特点逐 渐取代了传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式。但由于在切割过程中,金属丝收受到多种 力的激励以及机械结构方面的影响,导致了其的振动,一定程度上影响了加工质量。故在此进行相 应的分析。2振动对加工的影响在加工过程中,引起振动的因素众多,比如:主轴的加工误差、研 磨颗粒的撞击、主轴瞬时速度差等。所以振动不可避免地存在于加工区域中,并且从多方面影响着加工质量。(1)振动会影响硅片的弯曲度(BOW)、翘曲度(WARP)、平行度(TAPER)、总厚度公差(TTV)、切口切割损耗、表面损伤层厚度、晶片 表面粗糙度等;(2)由于振动的存在,切割槽加宽影响到单位长度硅锭硅片的产出量(wafe r/cm),单位长度里所有硅片总的厚度(cm/cm)及单位质量材料加工出来的所有硅片的 总的表面积(m2/kg);(3)由于振动的作用,使切削液的中研磨颗粒进一步均匀分散,悬 浮性能提高,不发生凝结,同时使其在金属丝上的分布不同,也导致了加工效率等的问题;(4) 由于金属丝的振动,使研磨液更加容易进入待加工区域,切削正压力增大,进一步提高了加工效率 。3加工区域受力分析很多涉及恒张力控制系统的文献<3>,都提出了很多张力控制的方法和建 议,但是究其结果来说,其只能控制如图2所示非加工区域A内张力即保持系统所设定值,而在加 工区域B内则由于加工过程中的复杂工况而发生着一系列变化。所以说,恒张力控制系统只能对B 区域外的金属丝张力进行实时调节,而对于B区域内的受力情况只能起到初始化和缓慢调节的作用 ,其不能对B内张力进行实时精确的控制。其受力情况具体分析如下:如图3,在控制系统设置的 张力T1、T2(一般情况下T1=T2)下,系统处于平衡状态。由于在B区域内,所有的金属 丝受力情况大致相同,故在此以其中一根为例加以说明。在无运动趋势情况下,S2区域中摩擦力 f0=0,由于在加工时,工件对于金属丝一直处于上压的状态。所以,对图1多丝切割示意图1 .加工辊2.研磨剂喷嘴3.硅碇4.工作台5.金属丝机电工程技术2006年第35卷第6期 表2张力与固有频率的关系T(N)频率(Hz)1113.45331.915542.920 627.325701.630768.7图4振动模型图3加工区域受力于左侧S3处有:Fs 4+f=Fs3,其中,f为左侧主辊对金属丝的摩擦力(设在整个过程中,金属丝与主辊无相对 滑动),Fsn为切割丝在区域Sn内的张力(n=1～5);右侧则为:Fs5+f=Fs1, 其中:Fs1=Fs3。但是当有如图所示方向运动或趋势时,左侧S3为:Fs4+f=Fs3 ;而右侧S1处则变为:Fs5=Fs1+f,其中:Fs3-Fs1=fs2,而fs2为工件 硅对金属丝的摩擦力。当V(t)反向时,同样可以得到类似的受力关系。由此可见,由于V(t )是随时间不断变化的,所以B区的加工区域内金属丝实际所受的张力随着V(t)呈现出大致的 周而复始的变化,从而引起了金属丝的固有特性的改变。在切削的过程中,由于受到工件、研磨颗 粒等的作用而引起金属丝受迫振动,如果当激振频率达到其固有频率引起共振,必将破坏加工表面 质量。特别是在欲切入工件时候,效果更加明显。同时,其它一些工况的改变如张力的突变也将引 起切割钢丝的特性的改变,从而有可能增加共振的可能性,所以在此作者对系统固性进行了进一步 的分析。4系统振动分析现就单根金属丝对其建模<4>。模型如图4,它为一根受力的以速度V (t)在跨距为L的固定支持点上运动的金属丝。图中:q——硅片对金属丝的正压力;f——摩擦力;L——加工跨距;a——加工区域离左侧距离;b——加工区域宽度。由有限元分析可得,金属丝的纵向波速为cL=√EA/ρ,横向波速为cH=√T/ρ。由于弹性模量E=200GPa,金属丝直径D=0.16m m,金属丝线密度ρ=0.0001615kg/m3,作用于金属丝的张力T=25N,因而计算 可得,金属丝的纵向波速远远大于横向波速。基于此情况,可以认为该金属丝的横向运动处于一个准静态情况。根据Ham iltom原则,并忽略系统的纵向振动,得到横向振动运动方程:ρ(w,u+Vw,x+2Vw ,xt+V2w,xx)-Tw,xx-q=0式中:w——金属丝的加速度;v——金属丝的平 移速度;q——硅片对金属丝的正压力;T——金属丝所受张力。从以上方程可以看出,在加工过 程中,金属丝的横向位移的大小、频率与金属丝的密度、平移速度、加速度、所受张力以及加工过 程中工件对金属丝的作用力有关。所以在实际应用中,除了选用一定型号的金属丝外,金属丝的平 移速度和加速度以及施加于其上的张力便决定了金属丝系统的固有特性。下面笔者采用有限元方法求解以上横向运动方程。将金属丝在空间上分成n个有限元单元,用矩阵列出其运动方程得:Mw¨+Gw+Kw=f其中,M、G、K分别为质量矩阵、回转矩阵和刚度矩阵。表1、表2为不同 工况下金属丝的固有频率。从这两表可以看出,在一定张力情况下,金属丝的固有频率随着其平移 速度的增大而变小,而从实践中得知,随着平移速度的提高,所切硅片的翘曲度将变小,而同图2 张力控制原理图表1速度与固有频率的关系V(m/s)频率(Hz)0444.45444.1 10443.615442.7机床设备41图5张力与固有频率关系时,由于研磨颗粒的增多, 其对金属丝的作用也越来越频繁,当达到其固有频率时候,振幅将明显变大。从表2中可以看出, 金属丝的固有频率随着张力的增大而增大。与表1比较,我们可以很明显地看出,张力T对固有频 率的影响程度明显大于速度。另外,从图5可知,固频随T的变化率先大后小。由上面分析可知, 张力T随t有类似周期变化,故一定的△T在T较大时对固频的影响较T小时的影响要小。图6为 金属丝系统在不同张力情况下,中间点的振动图形。同理可知,加速度的存在对固有频率有一定的 影响,但是其影响相对张力来说,相对较小。由于多丝切割机为了获得一个较高的加工效率,金属 丝的平移速度一般相对都较高。为了使不同材料都得到一个较好的切割效果,必须施加金属丝一定 的初始张力,使的其它参数在加工过程中变动时,对系统固有特性的影响尽量小,同时减小张力波 动时波动量占原初始张力的百分比,从而使张力尽量在一个较高的值上波动,使固有频率保持较高 频率,所以一般施加以一较高的张力。5结论从以上分析可知,由于现有的张力控制系统只能对加 工区域外围进行一定的张力调节,而不能对加工区域进行实时调整。所以为了避免加工过程中由于 研磨颗粒等的激励而引起的共振现象的发生,张力应尽可能设为较高值。一般为25N左右为宜,通过试验在样机上取得了较好的效果。多丝切割机加工过程与钢丝振动@钱宏峰$上海大学机械工程与自动化学院!上海200072
@林财兴$上海大学机械工程与自动化学院!上海200072
@赵懿峰$上海大学机械工程与自动化学院!上海200072本文从振动对多丝切割机切割硅片的 质量影响出发,对加工区域内的受力进行了一定的分析,同时基于对系统的分析,采用Hamil ton原则进行系统建模,并且利用有限元方法对系统求解,得出了不同系统参数对系统固有特性 的影响。并提出了系统参数的一般设置,达到了预期的效果。振动;;张力;;有限元<1>王琮 .半导体材料加工设备的新秀——多线切割机
.电子工业专用设备,2004,(4):63-65.
<2>吴明明,周兆忠,巫少龙.单晶硅片的制造技术.新技术新工艺,2004,(5):7-10.
<3>Ku Chin Lin.Observer-based tension feedback control with friction and inertia com pensation,Control Systems Technology.IEEE Transactions on,Volum e11,Issue1,Jan.2003Page(s):109-118.
<4>Zen,Giam paolo,M uftu,Sinan.Friction induced transverse vi-brations of an axially accelerating string.Contact M e-chanics-Friction:M odeling and Experim ent,2003,p35-37.4.45444.110443.615442.7机床设备4 1图5张力与固有频率关系时,由于研磨颗粒的增多,其对金属丝的作用也越来越频繁,当达到其 固有频率时候,振幅将明显变大。从表2中可以看出,金属丝的固有频率随着张力的增大而增大。 与表1比较,我们可以很明显地看出,张力T对固有频率的影响程度明显大于速度。另外,从图5 可知,固频随T的变化率先大后小。由上面分析可知,张力T随t有类似周期变化,故一定的△T 在T较大时对固频的影响较T小时的影响要小。图6为金属丝系统在不同张力情况下,中间点的振 动图形。同理可知,加速度的存在对固有频率有一定的影响,但是其影响相对张力来说,相对较小 。由于多丝切割机为了获得一个较高的加工效率,金属丝的平移速度一般相对都较高。为了使不同 材料都得到一个较好的切割效果,必须施加金属丝一定的初始张力,使的其它参数在加工过程中变 动时,对系统固有特性的影响尽量小,同时减小张力波动时波动量占原初始张力的百分比,从而使张力尽量在一个较高的值上波动,使固有频率保持较高频率,所
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