金剛石內圓刀片是在0. 10～ 0. 15mm厚的基體支撐下,形成0.20～ 0.32 mm厚的金剛石切割刃口,將切割損耗降低在0.33mm以下;而且這種刀片的厚度幾乎不受其直徑的影響。也就是說,不增加切割損耗,就可以加工更大直徑的晶體,這個優點是外圓切割刀片無法達到的。世界上第一片金剛石內圓刀片的外徑為206 mm,最大切割晶體尺寸只有38 mm。圓形刀片制造商和設備制造商以及晶體加工商們經過近半個世紀的不斷努力,使刀片制作技術和使用工藝日趨完善,如今可以制作出外徑860 mm最大切割晶體尺寸200 mm的金剛石內圓刀片。

圓形刀片

基體

用如此薄的刀片切割,關鍵是沿外圓周加張力。圓形刀片的金屬基體是在夾緊狀態下張緊。這種張緊為刀片提供了必須的剛度,以保證處于內圓的刀口在切割時不搖擺、不抖動。金剛石內圓刀片的基體須經得起高張力而不被撕裂,同時要求引起的應力沿著整體結構均勻分布。

基體材料的選擇也經歷了數次波折,最初使用過磷青銅、不銹鋼網,因當時這些材料軋制時比鋼更易于保證公差。但由于這些材料的物理強度相對較低,長時間張緊和高速旋轉,會因發熱而失去張力,引起一系列切片質量問題。后來,冷軋不銹鋼的厚度和精密公差得以解決,便成為刀片的標準基體。最佳的基體材料是強度大于137.2931MPa的不銹鋼,有著精確的厚度、張力和延伸率,標準的延伸率應小于5%。

粘結劑

金剛石微粒用粘結材料粘結在刀片的內圓上,形成一層包裹層,微粒就嵌入在內。包裹層比金剛石軟,在切割過程中起到緩沖撞擊力的作用,同時還要有一定的韌性,能讓金剛石自我調整方向而不脫落,這樣對工件就可以持續暴露新的切割刃口。

制作金剛石內圓片刀一般有四種粘結方式:樹脂性、搪瓷、熱壓、電鍍,其中只有電鍍法適用于制作金剛石內圓刀片。樹脂受熱會變軟,搪瓷和熱壓在切割硬材料顯得太脆。電鍍粘結材料采用金屬鎳。鎳有許多優點,在精心的控制條件下其機械性能可以按照要求改變。現代電鍍處理技術已經解決了不銹鋼上鍍鎳結合力不良的問題。

通常,切割材料越硬,包裹層也越硬,但是,如果金剛石微粒包的太堅固,在切割撞擊力下就會粉碎,從而降低刀片的壽命。從另一方面講,金剛石必須要包的足夠緊,以防從包裹層中脫落。鍍層硬了,切割時,金剛石表面打滑,產生的熱量大,散發熱困難。硬度低的鍍層散熱特性好。

金剛石微粒

用于制作內圓刀片的金剛石有:天然、人造和混合金剛石。金剛石的型號和粒度適合被切割的材料時就會得到最佳切割效果。通常,天然金剛石最適于切割硅,這是因為天然的有著不規則的鋒利晶體形狀,并具有良好的高溫強度和自由切削特性,切割時有極少的微粉和碎裂物。

金剛石的粗細也是需要考慮的一個因素。一般情況下,粗的和中型的砂礫更好些。太細的砂礫緊密地合并在一起影響切屑的排除和冷卻。在最佳切割速度下,切割硅、鐵氧體和類似的其它材料時,最好使用微粒范圍在270～325目。

金剛石濃度也是內圓刀片的一個重要參數,金剛石太少將意味著切割慢和刀片壽命短,太多的金剛石又會降低鍍層的強度,也會降低刀片的壽命。

內圓刀片的使用

刀片的正確安裝和使用,是確保刀片長壽命的一個非常重要因素。內圓刀片必須在安裝同心下精確地磨損。金剛石內圓刀片其刃口最多有0.25 mm的金剛石延伸層,可靠的說法是0.10～0.20 mm。因此,如果磨損量超過0.1 mm,刀片的壽命就會急劇下降。

由于金剛石的沉積會有近0.08 mm的誤差,也就是說刃口對于刀片并不完全同心,因此,僅靠刀環上的定位銷來定刀片中心是不可靠的,應該用顯微對刀裝置把刀調到同心。刀片對心和壓緊后要張緊。張緊方式有兩種,即液壓張緊和機械張緊。

液壓張緊是通過液壓油作用在張力環上,將壓力均勻地施加在刀體圓周上達到張緊刀片的目的。它具有簡單、快速、力量準確的特點。但是由于刀體一般都采用單向軋制鋼帶,不可避免地存在應力分布不均。液壓張緊的壓力是均勻分布各向相等,所以無法消除這些應力,而機械張緊卻能克服這個缺點,它用一個個分立的螺釘作用在張力環上,通過人工調整來達到刀片的應力各向分布均勻。機械張緊比起液壓張緊需要更高的操作技能,花費更多的時間,但卻是可靠的,所以現在的設備多采用機械式張緊。其方法為通過測量刀片內徑的擴張量來檢驗,擴張量應為內徑的0.5%～0.8%。

確定刀片張力恰當后,還應測量一下刀片的應變量。沿著離刃口3 mm的圓環施加一個100 g的力,用刻度表(千分表)顯示這一點的應變量應該在0.025 mm,如圖1。在運轉動態條件下,基體材料會因摩擦和發熱降低應力,造成張力松弛,所以建議和實行在機器上再張緊。

修刀

盡管有些內圓刀片是以開刃狀態供貨,但在初始操作時仍需進行修刀。由于金剛石鍍層難以避免地存在一定偏差,甚至還有些凸點,所以新刀要用一個特殊的裝置來將刃口調準。這種裝置通過調整旋轉的修刀砂輪與旋轉刃口的微米級接觸,來修掉刃口凸點達到刃口完全同心,如圖2。

此方法是將金剛石刃口修同心,而不是打開鍍層。再進一步的修刀是用刀片直接切油石。他有三個作用;將內圓的每個邊倒圓;調準刃口側面;磨開鍍層暴露出金剛石微粒。一般情況下用150號的油石倒圓刃口,用320號油石調準側面和磨開鍍層。修刀油石建議用剛玉(三氧化二鋁),最好不用碳化硅。修刀后,操作工必須檢驗第一刀切出來的片子質量,如果斜度尚好,也沒有裂紋,修刀就合適;如果不是這種情況,要通過切下的片子質量情況判斷刀片修的不合理處。圖3給出片子質量情況與修刀結果的關系。

圖中a是一片未修過的新刀;b是合理地修刀結果;c中只在切割刃口和晶體一面修的是合理的,切割片子一面的鍍層沒有磨開未暴露出金剛石微粒,冷卻液不能進入這個切割面,切下的片子在這個面就會出現熱裂紋;d和c表示的是相同的結果,只是在另一面,熱裂紋將會出現在晶體這面;e和f所示的是沒修好刀導致的片子斜度,e所示的那樣將導致片子向晶體方向斜,而f所示的將遠離晶體方向斜。出現圖3c- f中所示的情況是由于刀頭中心線兩側的刃口鋒利程度不一致所造成的,這就要通過使用油石手工(沿45方向)修磨來消除,方法如圖4所示。

為了清除掉刃口上積累的粘結材料,需要間斷性修刀。這要視具體情況而定,如果切割速度上不去,切出的片子有質量問題,就要以切割速度切割2～3刀油石。

值得一提的是油石修完刀后,第一刀所切出的片子表面光潔度可能會差些,這是由于油石劃傷刃口側面的鎳層所致,一般切2～3刀晶體后此現象自然消失。

結論

金剛石內圓刀片是應半導體工業的特殊需要而發展起來的。在近半個世紀內,對這種重要工具的設計改進、生產和使用技術的提高,對半導體工業生產的發展產生了重要的影響。人們應該認識到內圓切割是刀片及其操作者同等重要這一事實