史 越，魏 昕，谢小柱，胡 伟，任庆磊（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

游离磨料线锯硅晶体表面质量和加工精度实验研究*

史 越，魏 昕，谢小柱，胡 伟，任庆磊
（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

通过进行游离磨料线切割硅晶体的正交试验，分析了各工艺参数对加工表面粗糙度和总厚度偏差的影响趋势。通过对试验结果进行了方差和显著性分析，找出了这些工艺参数对表面粗糙度和总厚度偏差影响权重大小，并得到一组最优的参数组合。结果表明：表面粗糙度随着走丝速度、初始张紧力、切割液浓度的增大而减小，随着进给速度的增大而增大。走丝速度、切割液浓度、进给速度对总厚度偏差的影响与对表面粗糙度的影响趋势基本一致，而随着初始张紧力的增大，总厚度偏差先减小后增大，且这些参数中，进给速度对表面粗糙度影响最大，而初始张紧力对总厚度偏差影响最大。

游离磨料；线切割；正交试验；硅片加工

随着光伏产业和电子产业的高速发展，太阳能硅片的产量需求日益增长[1]。针对硅晶片的大径化、超薄化的发展趋势，半导体切割技术已逐渐由内圆切割转变为线切割[2]。

游离磨料线切割技术具有生产效率高、切口材料损耗小、硅片切割表面损伤层较浅等诸多优点，尤其适用大直径硅棒的切割，并可同时进行多条硅棒的切片。对于游离磨料线切割硅晶体的表面质量和加工精度，国内外学者开展了较广泛的研究。瑞士光伏和薄膜电子实验室（EPEL）的Bidivelle等人对游离磨料线锯切割实验中工艺参数对硅片质量的影响进行研究[3]，采用不同的浆料浓度、磨粒进行实验，结果表明细磨料加工出的硅片表面微裂纹深度和表面粗糙度都明显优于粗磨料。浆料浓度要选择合适，过高或过低都会使硅片的表面质量下降。日本金泽工业大学的Ishi⁃kawa等学者[4]采用高速摄影的方法研究了线锯切割过程中磨浆的行为，发现磨浆的加入状态不同会影响切割效率和表面质量。广东工业大学的林建荣[5]、舒继千[6]、袁燕蕊[7]分别从研究切割实验过程中的振动，张紧力，切割液的角度入手，分析了不同条件下工艺参数对表面质量的影响。目前，对硅片表面质量和加工精度的研究大多采用单因素的实验方法，本文采用考虑交互作用的正交试验的方法，通过检测硅片锯切表面粗糙度和总厚度偏差，研究加工工艺参数对游离磨料线切割硅片表面质量和加工精度的影响规律并优化工艺参数。

1 实验条件和方法

游离磨料线切割实验在改装的电火花切割机床上进行。机床上配备了实现工件自动进给的移动工作台，如图1所示。实验选用材料是直径36 mm的单晶硅。切割线采用直径为100～160 mm的表面镀铜的高碳不锈钢丝。磨料选用粒径（8.5±2.0.7）mm的绿碳化硅。切割液是由水与SiC磨粒按照一定的重量配成。实验中采用MCL-T2高精度张紧力传感器测量切割线的初始张紧力，采用马尔粗糙度测量仪（MarSurf XCR20）对样件的表面粗糙度进行检测。在硅片A-E五段处各段取10个测量点，如图2所示，选取其中厚度最大值和最小值之差，作为硅片的总厚度偏差（TTV）。

图1 线切割机床

图2 总厚度偏差测量示意图

本文的优化实验中采用正交设计法，选取部分具有代表性的工艺参数因素及合适的水平点，按照正交表对影响因素及水平进行排列组合，并考虑走丝速度、进给速度、初始张紧力两两之间的交互作用，并对实验结果进行采用直观分析、方差分析和显著性检验，进行参数优化组合。

选用因素及水平，如表1所示。通过因素和水平的确定，考虑到r水平两因素间的交互作用要占r-1列，三水平因素之间的交互作用需占两列，仅对主要因素A、B、C作交互作用分析，忽略切割液浓度与其他因素的交互作用，选取L27(313)[8]型正交表。表头如表2所示。

表1 正交试验因素水平分布表

表2 正交试验表L27(313)表头

2 实验结果与分析

按照正交试验表L27(313)完成实验，并对样件进行测量，得到试验结果见表3。

本实验采用极差分析法[9]对上述试验结果进行分析，算出各个因素在对应水平下的平均值和极差。根据计算结果，绘制出各因素水平对表面粗糙度均值变化规律如图3所示，对总厚度偏差均值变化规律如图4所示。

由图3可以看出，因素B进给速度由0.3 mm/min上升至0.7 mm/min，硅片的表面粗糙度由最低值0.6 μm上升至最大值1.485 mm，幅度变化是最大的，而且在四条曲线中最陡峭，说明进给速度对表面粗糙度影响最大。从曲线的单调性可看出，硅片各处的粗糙度呈上升趋势，这是由于随着进给速度增大，磨粒所受的法向力增大[10]，单颗磨粒嵌入工件表层的深度越深，使得表面粗糙度增大。因素C初始张紧力由4 N上升至16 N时，硅片的表面粗糙度由最大值1.342 mm降低至最小值0.67 μm，幅度变化和曲线斜率仅次于进给速度，初始张紧力对表面粗糙度影响亦仅次于进给速度。从曲线的单调性可看出，硅片各处的粗糙度呈下降趋势，随着初始张紧力增加，切割线过程张紧力[6]增加，过程振动降低，这有利于切割液在加工过程中形成“水平膜”[4]而使得切割线承载切割液能力增强，进入到切割区域内的磨粒数增加，于是瞬时有效磨粒数[10]增多。磨粒在工件表面的滚压作用越充分，硅片表面粗糙度逐渐降低。但是，随着初始张紧力的进一步提高到10 N时，磨粒所受的法向力增大，磨粒压入工件表面过深，于是硅片表面粗糙度的下降趋势会慢慢放缓。因素A走丝速度由3 m/s上升至8 m/s时，硅片各处的表面粗糙度呈下降趋势，并且整个硅片的表面粗糙度由最大值1.173 mm降低至最小值0.856 μm，幅度变化和曲线斜率稍弱于初始张紧力，因此走丝速度对表面粗糙度影响排在第三位。从曲线的单调性可看出，随着走丝速度的增加，表面粗糙度减小。这是因为当切割线承载切割液能力一定的情况下，随着走丝速度越大切割线的动能越大，则传递到磨粒的动能增加，磨粒单位时间内滚动次数增加，最终使瞬时有效磨粒数增加，使硅片的表面粗糙度降低。最后，因素D切割液浓度由20%上升至60%时，硅片的表面粗糙度由最大值1.073 mm降低至最小值0.95 μm，在四条曲线中，其最为平滑并且幅值变化最小，说明该因素对表面粗糙度影响最弱。从曲线的单调性可看出，硅片各处的表面粗糙度呈缓慢下降趋势，随着切割液浓度的逐步增加，有效磨粒数量增多，磨粒研磨更加充分，硅片表面粗糙度会慢慢下降，但增加到磨粒饱和后，表面粗糙度变化不大。

表3 正交试验结果

图3 表面粗糙度正交试验极差分析图

图4 总厚度偏差正交试验极差分析图

由图4有可以看出，因素C初始张紧力由4 N上升至16 N时，硅片的总厚度偏差由最大值44.444 mm降低至最小值20.333 μm，幅度变化是最大的，而且在四条曲线中最陡峭，说明初始张紧力对总厚度偏差影响最大。在游离磨料线锯加工过程中，总厚度偏差的大小主要是因切割线振动引起的[5]。从曲线的单调性可看出，硅片总厚度偏差呈先下降后上升趋势，并在10 N处获得最小值。在初始张紧力4～10 N时，切割线过程张紧力增加，过程振动降低，使得总厚度偏差减小，在初始张紧力10～16 N时，由于张紧力过大，切割线产生拉伸变形导致张紧力减小，过程振动增加，总厚度偏差增大。因素B进给速度由0.3 mm/ min上升至0.7 mm/min，硅片的总厚度偏差由最低值28.778 μm上升至最大值41.556 mm，幅度变化和曲线斜率仅次于初始张紧力，进给速度对总厚度偏差影响亦仅次于初始张紧力。从曲线的单调性可看出，硅片总厚度偏差呈上升趋势，这是由于工件的进给速度越大，磨粒受到的法向力越大，切割线变形增大，过程张紧力减小，振动增大，总厚度偏差增大。因素A走丝速度由3 m/s上升至8 m/s时，硅片的总厚度偏差呈下降趋势，并且由最大值28.444 mm降低至最小值38.333 μm，幅度变化和斜率稍弱于进给速度，因此走丝速度对总厚度偏差影响排在第三位。从曲线的单调性可看出，随着走丝速度的增加，振动减小，总厚度偏差减小。最后，因素D切割液浓度由20%上升至60%时，硅片的总厚度偏差由最大值33.778 mm降低至最小值34.444 μm，在四条曲线中，其最为平滑并且幅值变化最小，说明该因素对总厚度偏差影响最弱。

本实验采用方差分析法对对实验结果进行分析，选出一组表面粗糙度和总厚度偏差较小的优化方案。对表3的试验结果进行F-检验[9]可得表4和表5。

表4 表面粗糙度正交试验方差分析表

表5 总厚度偏差正交试验方差分析表

由表4中F比的大小可以看出，在a=0.1的水平上，进给速度和初始张紧力对表面粗糙度的影响是非常显著的。其次是走丝速度，溶液的浓度和因素间的交互作用影响并不明显。

所以影响表面粗糙度因素的主次关系为：进给速度＞初始张紧力＞走丝速度＞切割液浓度。与极差分析图反应的结果一致。

由表5中F比的大小可以看出，在a=0.1的水平上，初始张紧力对总厚度偏差的影响是非常显著的，因素间的交互作用影响较为明显。影响总厚度偏差因素的主次关系为：初始张紧力＞走丝速度和初始张紧力的交互作用＞进给速度＞进给速度和初始张紧力的交互作用＞走丝速度＞走丝速度和进给速度的交互作用＞切割液浓度。

由于表面粗糙度和总厚度偏差越小越好，从表4可以看出，优方案应取各因素最小均值所对应的水平。因此，优化的工艺参数组合为：走丝速度8 m/s，进给速度0.3 mm/min，初始张紧16 N，切割液浓度60%。这与图3所体现的最小值是一致的。对比表5，在走丝速度8 m/s，进给速度0.3 mm/min，切割液浓度60%都能取到最小的总厚度偏差，这和表面粗糙度的最优参数组合一致，而在初始张紧力为10 N的时候才能获得最小的总厚度偏差。根据F比的大小得知，初始张紧力对总厚度偏差的影响较对表面粗糙度的影响更为显著，所以最优初始张紧力应选10 N。

3 结论

（1）在游离磨料线切割硅晶体的过程中，加工表面粗糙度随着走丝速度、初始张紧力、切割液浓度的增大而减小。随着进给速度的增大而增大。其中表面粗糙度随进给速度、初始张紧力的变化幅度较大，走丝速度次之，而随切割液浓度的变化比较缓和。各工艺参数对表面粗糙度的影响程度依次是：进给速度、初始张紧力、走丝速度、切割液浓度。

（2）工艺参数对总厚度偏差的影响和对表面粗糙度的影响趋势一致，不同的是在初始张紧力为10 N时，总厚度偏差取到最小值。其对总厚度偏差的影响程度依次是:初始张紧力、走丝速度和初始张紧力的交互作用、进给速度、进给速度和初始张紧力的交互作用、走丝速度、走丝速度和进给速度的交互作用、切割液浓度。

（3）工艺参数间的交互作用对表面粗糙度的影响不是很明显，而对总厚度偏差的影响很显著。随着水平的增大走丝速度和初始张紧力的交互作用对总厚度偏差的降低起加强作用，进给速度和初始张紧力的交互作用对总厚度偏差的降低起削弱作用，走丝速度和进给速度的交互作用对总厚度偏差的降低亦起削弱作用。

（4）从试验结果分析得到一组优化的参数组合：走丝速度8m/s，进给速度0.3 mm/min，初始张紧10 N，切割液浓度60%。

［1］T.Liedke*，M.Kuna.A macroscopic mechanical model of the wire sawing process［J］.International Journal of Ma⁃chine Tools&Manufacture 51（2011）：711-720.

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Experimental Investigation on the Surface Quality and Machining Accuracy of Free-Abrasive Wiresaw Slicing Crystalline Silicon

SHI Yue，WEI Xin，XIE Xiao-zhu，HU Wei，REN Qing-lei
（Faculty of Mechanical and Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

Basing on making orthogonal experiment in slicing Crystalline Silicon by free-abrasive wiresaw，the influence of various process parameters on the surface roughness and total thickness variation are analyzed.Variance and saliency of the results are also analyzed，the descending order of the impact on different parameters is found.Meanwhile，obtain a set of optimal combination of parameters.The research results show that the surface roughness decreases with the increasing of wire speed，initial wire tension and slurry concentration，while increases with the increasing of the table speed.The influence of wire speed，slurry concentration，table speed on the total thickness variation is the same as the influence of various process parameters on the surface roughness.Total thickness variation first increases and then decreases while increases with the increasing of the initial wire tension.The results also indicated that the impact of table speed on the surface roughness is the greatest.However the impact of initial wire tension on the total thickness variation is the greatest.

free abrasive；wiresaw；orthogonal experiment；silicon wafer manufacturing

TG66

A

1009－9492(2014)05－0024－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.005

史 越，男，1989年生，湖北枝江人，硕士研究生。研究领域：硬脆性材料的精密与超精密加工。

(编辑：阮 毅)

*广东省自然科学基金项目（编号：5001807）；广东省科技计划项目（编号：2005B10201019）

2013－11－17