陳超，王進(jìn)保，肖樂銀，周世威，鄭超

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林541004）

環(huán)形金剛石線鋸切割藍(lán)寶石試驗研究①

陳超，王進(jìn)保，肖樂銀，周世威，鄭超

（中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，廣西桂林541004）

使用環(huán)形金剛石線直徑為0.70毫米，長4米，切割直徑53毫米的藍(lán)寶石晶體，30分鐘即可完成切割。論文研究切割線速度，進(jìn)給速度等對藍(lán)寶石切割面粗糙度的影響。通過試驗找到環(huán)形金剛石線切割藍(lán)寶石片的最佳工藝參數(shù)并對其切割機(jī)理進(jìn)行了探討。

藍(lán)寶石，環(huán)形金剛石線鋸，切割機(jī)理

切割藍(lán)寶石多使用金剛石多線鋸，切割加工的運動是往復(fù)的。由于線鋸需要換向，所以線鋸速度低且經(jīng)常變化，這帶來兩個問題：一是線速度低，限制加工效率；二是材料加工表面存在線鋸換向時的痕跡，影響表面質(zhì)量［2，3］。使用往復(fù)式金剛石線（0.3mm）切割2英寸藍(lán)寶石晶棒需要耗時3～4個小時。而環(huán)形金剛石線切割時鋸絲單方向運動，線速度較高（20m／s），30分鐘即可完成2英寸藍(lán)寶石晶棒的切斷。本文對環(huán)形金剛石線鋸切割藍(lán)寶石晶體進(jìn)行了研究，分析了切割工藝對藍(lán)寶石切片表面粗糙度及晶片總厚度偏差及表面形貌的影響。實驗表明：環(huán)形金剛石線鋸克服了多線鋸切割的缺點，在切割線速度20m／s、進(jìn)給速度0.5㎜／min及張緊砝碼質(zhì)量5kg時切割效果最好。

2 試驗

切割實驗在自制的環(huán)形金剛石線切割機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備示意如圖1所示。

表1 切割加工條件Table 1 Cutting processing conditions

切割時環(huán)形金剛石線鋸采用重錘法調(diào)節(jié)張力，可以根據(jù)進(jìn)給量的大小，自動調(diào)整線鋸的受力，不至于使鋸絲局部受力過大斷開。切割采用自來水冷卻及切屑的清除。由于切縫不到1毫米，水流量較小時，清屑不徹底會引起切割表面的不平整，有明顯切痕，故切割時應(yīng)保持水量在100ml／min以上。

晶片表面粗糙度Ra值使用時代公司TR200手持式粗糙度儀測量，測量值為5個測量值的平均值。

圖1 切割設(shè)備示意圖Fig.1 Cutting equipment plan

圖2 環(huán)形金剛石線鋸切割的藍(lán)寶石晶片F(xiàn)ig.2 Sapphire wafer cut off by looped diamond wire

3 結(jié)果分析

3.1 切割工藝參數(shù)對晶片粗糙度的影響

影響晶片表面粗糙度的切割工藝參數(shù)有鋸絲線速度Vs、進(jìn)給速度Vw、砝碼配重G等因素。因此為了提高晶片表面質(zhì)量，提高鋸切效率有必要對鋸切工藝參數(shù)優(yōu)化，為此，設(shè)計了一組正交試驗?；谔岣呔砻尜|(zhì)量和鋸切效率的影響因素有鋸絲線速度Vs、進(jìn)給速度Vw、砝碼配重G，因此，每個因素取三個位級，因素位級見表2。鋸切工藝參數(shù)優(yōu)化正交試驗計劃及試驗結(jié)果見表2、表3。

表2 鋸切正交試驗工藝參數(shù)因素及水平表Table 2 The factors and level of cutting technology parameters

表3 鋸切工藝參數(shù)正交試驗設(shè)計表Table 3 The orthogonal experiment Design of cutting technology parameters：L9（33）

正交實驗結(jié)果表明：金剛石線運行速度，進(jìn)給速度，張緊配重對切割表面質(zhì)量都有不同程度的影響。由試驗結(jié)果可以看出，環(huán)形金剛石線鋸切割藍(lán)寶石表面粗糙度均在1微米以下，試驗4號線速度20m／s，進(jìn)給0.5mm／min，張緊砝碼重50N時切割表面質(zhì)量最好，為0.473μm。切割線速度是切割工藝中一個重要的參數(shù)，特別是對于金剛石工具而言。金剛石工具在高速運行的情況下，單位面積去除率極高，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性能，試驗7、8、9號均獲得了較好的晶片表面質(zhì)量。但是在實際的加工過程中發(fā)現(xiàn)，切割硬度較高材料時，速度過高會加速金剛石的磨損，隨著時間的推移，切割每片的時間在延長，切割線會更彎曲，切割力變大，最終導(dǎo)致環(huán)形金剛石線受力過大而斷開。實驗表明，在線速度20m／s時較好，既可以保持平穩(wěn)進(jìn)刀，也可以保持金剛石的持久鋒利。試驗3、6、9號粗糙度值較大，原因是3組實驗線鋸進(jìn)給速度較快，而進(jìn)給速度是影響切割表面質(zhì)量的主要因素，進(jìn)給速度適當(dāng)時切割表面平整，隨著進(jìn)給速度的增加，單顆粒去除率增加，切割力隨之增加，表現(xiàn)在切割表面上就成為線痕，另外切割片整個表面也表現(xiàn)出不平整、彎曲現(xiàn)象，甚至?xí)a(chǎn)生一邊厚一邊薄的現(xiàn)象。由表3可知，從極差角度，張緊力對粗糙度的影響較小，在不影響鋸絲振動和鋸絲受力在屈服強(qiáng)度以下應(yīng)當(dāng)盡量增加砝碼重量，根據(jù)線鋸基體的抗拉強(qiáng)度計算，配重在50N時為宜。

3.3 晶片表面形貌分析

掃描電子顯微鏡是視覺描述加工表面粗糙度的一個非常好的方法。圖3－圖4為晶片表面的掃描電鏡（SEM）照片，更直觀地展現(xiàn)了晶片表面粗糙度的變化。照片顯示不同工藝切割的晶片表面，沿著切割絲運動的方向均存在劃痕和凹坑。可以看出：4號試驗切割的晶片表面劃痕相對較少，劃痕的寬度較窄。圖3a、圖4a也充分證明了在較大進(jìn)給工藝下單顆金剛石壓入深度增加，材料去除率和切割力的增加，晶片表面脆性斷裂加劇，凹坑、線痕加寬、加深，最終表現(xiàn)出粗糙度的增加。主要是因為材料在脆性模式下去除，切屑的形成是裂紋擴(kuò)展交叉的結(jié)果，最終以微觀與宏觀破碎的塊狀去除。個別凹坑看起來較嚴(yán)重，整個區(qū)域看起來破碎不堪，看起來好像是崩掉的，其實可能是由于在切割過程中脫落金剛石磨粒被擠壓嵌入加工表面所造成的，這對材料表面質(zhì)量的損害更嚴(yán)重。

圖3 試驗3＃切割表面形貌（a.3＃切割晶片局部照片，b.a圖放大照片）Fig.3 Morphology of sapphire wafer with test No.3（a.Partial photo of sapphire wafer；b.amplified picture of a）

圖4 試驗4切割局部表面形貌（a.4＃切割晶片局部照片，b.a圖放大照片）Fig.4 Partial morphology of sapphire wafer（a.Partial photo of sapphire wafer；b.amplified picture of a）

3.2 鋸絲失效機(jī)理

從整個加工過程來看，最終是環(huán)形金剛石線的斷開使切割無法進(jìn)行。對環(huán)形金剛石線進(jìn)行掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，鋸絲的斷開可以用金剛石的磨損和脫落來解釋。環(huán)形金剛石線鋸絲表面的金剛石脫落的相對較少，鎳層的磨損，開裂現(xiàn)象不明顯，金剛石顆粒的磨損情況比較嚴(yán)重。由圖5、圖6可知，金剛石長期的切割作業(yè)，由原來的尖角鋒利刃變成了圓球形，有的已被磨平，這樣就喪失了切割的能力。當(dāng)大部分金剛石喪失切割能力后，恒位移仍進(jìn)給仍在繼續(xù)，切割力急劇增加，金剛石顆粒就會從鋼絲基體上脫落下來。隨著時間的推移，鋼絲上的金剛石脫落殆盡，超過鋸絲的承受能力時，鋸絲就會斷裂。

圖5 未使用的金剛石線電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of unused diamond wire

圖6 使用過的金剛石線電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM photograph of used diamond wire

4 結(jié)語

通過使用環(huán)形金剛石線鋸切割藍(lán)寶石試驗，分析了切割藍(lán)寶石切割工藝對藍(lán)寶石晶片表面粗糙度的影響。

使用環(huán)形金剛石線鋸具有切割效率高，切割效果好的優(yōu)勢，切割片厚度最薄在0.2毫米，切割表面粗糙度在1微米以下，約半小時時間即可切斷直徑53毫米的晶棒；

切割線速度25米／秒或者更高，進(jìn)給速度1.5毫米／分或更高，實驗表明：在線速度20米／秒，進(jìn)給速度0.5毫米／秒時，切割效果最好；

增大張緊力，有助于減少鋸絲的振動，也可提高晶片表面的質(zhì)量；

鋸絲的失效原因為金剛石磨損，導(dǎo)致切割力增大使切割力大于鋼絲基體的承受力而斷開盡而失效的。

［1］ 張波，劉文濤，胡曉冬，李偉.線鋸切割技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.超硬材料工程，2008，20（1）：45－48.

［2］ 黃波，高玉飛，葛培琪.金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析［J］.金剛石與磨料磨具工程，2011，31（1）：53－57.

［3］ 李言，王肖燁，李淑娟.大尺寸SiC單晶片的超硬磨料切割技術(shù)研究進(jìn)展［J］.工具技術(shù)，2010，44（7）：7－11.

Study on the experiment of cutting sapphire with looped diamond wire

CHEN Chao，WANG Jin－bao，XIAO Le－yin，ZHOU Shi－wei，ZHENG Chao
（Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources，Guilin541004，China）

This paper has introduced the experiment of cutting sapphire with looped diamond wire.A sapphire cylinder with diameter of 2inches could be cut off in 30minutes by using a looped diamond wire with diameter of 0.7mm and length of 4meters.The influences of cutting parameters on the surface roughness of the wafer are studied such as linear velocity，cutting feed rate and so on.The optimal technological parameters are obtained and the cutting mechanism simultaneously is discussed by the experiment.

sapphire；looped diamond wire；cutting mechanism

TQ164

A

1673－1433（2012）04－0005－04

1 前言

藍(lán)寶石的組成為氧化鋁（Al2O3），是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵形式結(jié)合而成，其晶體為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應(yīng)用的切面有A－Plane，C－Plane及R－Plane。由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光（190nm）到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白／藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶（GaN）的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石（單晶Al2O3）C面與Ⅲ－Ⅴ和Ⅱ－Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，這使得藍(lán)寶石晶片成為制作白／藍(lán)／綠光LED的關(guān)鍵材料。

藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成。其相關(guān)制造流程有：定向－掏棒－切片－研磨－倒角－拋光－清洗－品鑒，其中切割工序位于整個流程的最前端，切割加工的好壞將直接影響后續(xù)加工。LED藍(lán)寶石硬度高，切片厚度要求在330um～430um，切割難度較大。目前切割藍(lán)寶石晶片主要使用金剛石多線鋸，線鋸直徑在0.25～0.35mm，而開方、截斷、晶棒兩頭主要使用帶鋸加工。金剛石線在國內(nèi)已經(jīng)較成熟，而且價格比國外進(jìn)口的便宜，但多線鋸切割的主要技術(shù)還是由國外少數(shù)廠家控制［1］。

2012－06－21

陳超（1980－），男，工程師，從事高壓科學(xué)、超硬材料方面的研究工作。