裘騰威，許雪峰，姚春燕，彭 偉，顧 冬

(特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業(yè)大學)，浙江杭州 310032)

半導體材料切割加工技術隨著太陽能電池制造業(yè)的迅猛發(fā)展得到了越來越廣泛的重視。在光伏電池制造中，切片加工是重要工序之一，到目前為止，切片加工的成本依然占生產(chǎn)成本的30%，其中材料損耗占50%左右。因此，減小硅片的厚度(提高單位材料的出片率)、減少切割的刀損(提高原材料的利用率)和提高硅片的表面質量(降低后續(xù)工藝的成本)等成為國內外研究的重點［1-2］。在工業(yè)應用領域，目前大尺寸硅錠基本使用多線鋸切割技術進行切片加工，切割用的鋸絲主要包括游離磨料鋸絲、電鍍金剛石鋸絲和熱固化樹脂鋸絲。但是以上3種線鋸絲都存在一些缺陷：游離磨料鋸絲存在切割效率低，磨漿污染環(huán)境嚴重;電鍍金剛石鋸絲在制造過程中，電鍍層由鍍銅底層、金剛石磨粒層和鍍鎳外層復合而成，因此生產(chǎn)周期長，成本高［3］;熱固化樹脂鋸絲制造通常使用熱固性酚醛類樹脂，通過加熱將磨粒固結于芯線表面，形成樹脂結合劑鋸絲［4］，所以該鋸絲在生產(chǎn)時，能耗大，成本高。

紫外光固化樹脂金剛石鋸絲是基于紫外光樹脂快速固化機理，將金剛石磨?？焖俟探Y在芯線表面。其具有制造成本低、線徑小、耗材率低等優(yōu)點。日本學者夏本俊之、上岡勇夫、井手大介等人［5-7］發(fā)明了紫外光固化樹脂金剛石鋸絲，國內一些學者也對其進行了研究，但是目前紫外光固化樹脂金剛石鋸絲存在樹脂柔韌性差、鋸絲對金剛石磨粒把持力低等問題，導致磨粒易脫落、鋸絲使用壽命短、切割效率低、鋸切表面質量差，制約著它的工業(yè)應用。因此，研究開發(fā)柔韌性好、對金剛石磨粒把持力強的雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲，實現(xiàn)晶體材料的紫外光固化樹脂金剛石鋸絲高質量低損耗的精密切片，滿足晶體材料切片加工方面越來越高的要求，就成為國內外學者共同關注的焦點。

1 紫外光固化樹脂金剛石鋸絲固化原理及制備方法

紫外光固化是利用紫外光引發(fā)具有化學活性的低分子量物質轉變成高分子量產(chǎn)物的過程，將紫外光光固化樹脂由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)［4］。光固化樹脂聚合反應如圖1所示，在聚合反應過程中，分子間的范德華力變成共價鍵，相應原子間距離從0．3～0．5nm 縮短到0．154nm。伴隨著大量分子的聚合反應，紫外光固化樹脂在快速聚合反應中體積快速收縮［8-9］。紫外光固化樹脂金剛石鋸絲就是基于紫外光樹脂快速固化機理，將金剛石磨?？焖俟探Y在芯線表面。

圖1 光固化樹脂聚合反應示意圖

單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的截面圖如圖2(a)所示，該鋸絲由芯線、金剛石磨粒和樹脂組成，其制備方法：(1)在芯線表面均勻涂覆一層含金剛石磨粒的樹脂層;(2)紫外光固化。這種方法生產(chǎn)的鋸絲要求樹脂不僅與芯線結合力強，與金剛石具有較好的把持力，而且要求樹脂具有高的耐磨性和柔韌性，但是某一種樹脂的柔韌性、耐磨性及樹脂與芯線的結合力很難同時達到理想情況。

圖2 紫外光固化樹脂金剛石鋸絲截面示意圖

雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的截面圖如圖2(b)所示，該鋸絲由芯線、打底樹脂、金剛石磨粒和涂覆樹脂組成，其制備方法：(1)在芯線表面涂覆一層柔韌性好并且與芯線結合能力強的打底樹脂;(2)紫外光固化;(3)在該樹脂層表面涂覆一層含金剛石磨粒的涂覆樹脂;(4)再次紫外光固化。這種制備方法的優(yōu)點是降低了紫外光固化樹脂金剛石鋸絲對樹脂的要求，只需要打底樹脂與芯線的結合力好，且具有較好的柔韌性;涂覆樹脂對金剛石磨粒把持力強，且具有較好的耐磨性。

2 雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲制作

雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲主要采用實驗室的紫外光固化樹脂金剛石線鋸涂覆機制備。紫外光固化樹脂金剛石線鋸涂覆機的主要結構包括芯線清洗裝置、涂覆裝置、紫外光固化爐、收放線輪機構和控制機構［4］，其示意圖如圖3所示。紫外光固化樹脂金剛石線鋸涂覆機的鋸絲制作速度允許在0～50m/min之間進行設置。生產(chǎn)速度太低時，易造成線鋸表面樹脂層涂覆不均勻，出現(xiàn)結球現(xiàn)象;生產(chǎn)速度太高時，涂覆層太薄，會降低樹脂對金剛石的把持力，所以機器生產(chǎn)速度對鋸絲性能影響較大。

圖3 紫外光固化樹脂金剛石線鋸涂覆機示意圖

紫外光固化樹脂金剛石線鋸涂覆機制作雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的主要工藝參數(shù)見表1，制作工藝如下：

第一步，去脂槽內放入丙酮，芯線表面丙酮清洗，芯線直徑0．16mm。

第二步，1號打底樹脂涂覆1層，打底模具直徑0．18mm，線速度 v1=9m/min。

第三步，含30%金剛石磨粒的2號紫外光固化樹脂涂覆1層，涂覆模具直徑0．22mm，線速度v2=9m/min。

第四步，根據(jù)總曝光量，計算涂覆層樹脂第二次固化時的線速度。

式中：T為機器剩余曝光時間;Q為涂覆層樹脂總曝光量;Q1為涂覆層樹脂第一次吸收的曝光量;W為機器紫外光強度;v3為涂覆層樹脂第二次固化時的線速度;L為固化爐長度。

其中相關參數(shù)取值如下：Q=600mJ/cm2，W=79 mW/cm2，L=35cm。得出涂覆樹脂第二次固化時的線速度v3為4m/min。

第五步，烘箱80℃烘烤30min。該工藝可以部分消除由于紫外光固化樹脂快速固化而形成的內應力集中現(xiàn)象，增大內層樹脂和芯線的結合力、提高外層樹脂對金剛石磨粒的把持力。最后形成0．2mm雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲。

表1 雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲制備的主要工藝參數(shù)

3 鋸絲切割實驗

3.1 切割條件

采用WXD170型往復金剛石線旋轉點切割機(如圖4(a)所示)，分別對單層和雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲進行切割對比實驗，切割參數(shù)見表2。采用Keyence公司的VHX-600顯微鏡(如圖4(b)所示)觀測切割后硅片表面形貌，硅片表面粗糙度測量采用北京時代表面粗糙度儀。

圖4 實驗平臺

表2 線鋸切割實驗技術指標

3.2 試驗結果與分析

切割效率是評價鋸絲的一個重要指標，本文采用材料去除率來衡量鋸絲切割效率，即單位時間的切割面積。切割試驗中，單層和雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲分別完成切割62．5mm×60mm的面積所需的時間為148min和144min，則對應的鋸絲切割效率分別為25．3mm2/min和26 mm2/min。雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的切割效率要高于單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲，這是由于雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲內層樹脂柔韌性好，而且與芯線結合力強;外層樹脂耐磨性高，而且對金剛石磨粒把持力大，提高了鋸絲的耐磨性，金剛石磨粒不易脫落，從而該鋸絲單位時間內參與切割磨粒數(shù)多，切割效率高。

采用VHX-600超景深三維顯微系統(tǒng)對兩種鋸絲切割硅錠的切縫寬度和崩邊寬度進行觀察，放大倍數(shù)設置為300倍，兩種鋸絲的切縫寬度和崩邊寬度如圖5所示，切縫寬度和崩邊寬度的測量結果見表3。從圖5和表3可以看出，在同等實驗條件下，雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲切割硅錠所形成的切縫寬度和平均崩邊寬度比單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲分別減小 6．98μm，7．68μm，這是由于雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲提高了對磨粒的把持力，單位時間內參與切割磨粒數(shù)多，切割效率高，故鋸切過程平穩(wěn)，振動幅度小，硅錠的切縫寬度和崩邊寬度相應減小。

圖5 鋸絲切割后硅片的切縫寬度和崩邊寬度

表3 鋸絲切割后硅片的切縫寬度和崩邊寬度

此外，采用VHX-600超景深三維顯微系統(tǒng)對硅片表面形貌進行觀察，放大倍數(shù)設置100倍，2種鋸絲鋸切后的硅片表面形貌如圖6所示，結合北京時代表面粗糙度儀，在切割硅片表面隨機選取3個相距較遠的不同平面進行測量，結果見表4。雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲鋸切形成的硅片表面粗糙度為Ra1．031μm，其加工形成的硅片表面質量優(yōu)于單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲，這是由于雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲表面金剛石磨粒數(shù)多，單位時間內有更多的磨粒在硅片加工表面進行耕犁，讓表面變得更平整。

圖6 鋸絲切割后硅片的表面形貌

表4 硅片表面粗糙度

4 結束語

對雙層和單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的切割效率、切縫寬度、崩邊寬度、加工表面粗糙度等參數(shù)的研究結果表明：兩種鋸絲的切割效率相持平，但是雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲加工的硅片的切縫質量和加工表面質量明顯優(yōu)于單層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲。揭示了雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲對金剛石磨粒的把持力大，樹脂層耐磨性好的特點。

研究中紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的使用壽命有待進一步提高，兩種鋸絲加工到300min左右時，鋸絲表面均會出現(xiàn)樹脂層大量脫落的現(xiàn)象，制約其使用壽命?？梢赃M一步研究樹脂和芯線的結合機理、相關固化工藝、光固化樹脂和熱固化樹脂相結合等方法，提高鋸絲使用壽命。

比較國內外紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的研究內容，基本圍繞紫外光固化樹脂、磨粒、鋸絲表面處理等，本文的研究重點在于雙層紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的制備工藝及相關參數(shù)的研究，目的在于對今后的紫外光固化樹脂金剛石鋸絲的研究和生產(chǎn)提供一定的參考。

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