我國(guó)的環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)研究起步較晚，始于21 世紀(jì)初，桂林國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心的科研人員參觀了上海斯泰克陶瓷公司，考察了該公司使用的三臺(tái)德國(guó)進(jìn)口環(huán)形金剛石線(xiàn)切割機(jī)用于硼化鈦陶瓷材料切割生產(chǎn)之后，開(kāi)始立項(xiàng)開(kāi)展環(huán)形電鍍金剛石線(xiàn)的研究，筆者亦開(kāi)始設(shè)計(jì)研制立式環(huán)形金剛石線(xiàn)切割機(jī)。在此期間，山東大學(xué)，青島科技大學(xué)和桂林理工大學(xué)的碩士生，博士生在導(dǎo)師指導(dǎo)下，也在開(kāi)展環(huán)形金剛石線(xiàn)制造工藝以及切割機(jī)理方面的研究試驗(yàn)。

       從切割各種硬脆材料的試驗(yàn)效果表明：環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸的切割性能優(yōu)勢(shì)明顯，線(xiàn)速度高達(dá)50～60m/s，切割效率高，多晶硅切片進(jìn)給速度均在5mm/min以上，最高達(dá)30mm/min。這是金剛石長(zhǎng)線(xiàn)鋸所無(wú)法達(dá)到的。所以，它非常適合于多晶硅、單晶硅等硬脆材料多片切割以及其它工序的切割加工。如：可以替代現(xiàn)有的金剛石帶鋸截?cái)鄼C(jī)對(duì)單晶硅或多晶硅進(jìn)行截?cái)嗲懈罴庸?。目前，?guó)內(nèi)多家硅晶片生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)用上環(huán)形金剛石線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)，158×158多晶硅截?cái)?，每?分鐘，每根線(xiàn)平均壽命200刀，最多可切割400刀，可望近期內(nèi)替代帶鋸機(jī)，以服務(wù)于光伏企業(yè)進(jìn)一步提高晶片生產(chǎn)效率，降低成本。

       據(jù)悉，十三五規(guī)劃期間，我國(guó)的藍(lán)寶石行業(yè)具有爆發(fā)性發(fā)展趨勢(shì)。由于下游應(yīng)用市場(chǎng)持續(xù)高速成長(zhǎng)，如 LED 襯底市場(chǎng)、軍用及民用光學(xué)窗口等需求增長(zhǎng)以及新型手機(jī)屏幕等新應(yīng)用的需求激增，可以預(yù)測(cè)藍(lán)寶石晶片在 LED 行業(yè)的發(fā)展和手機(jī)屏幕、半導(dǎo)體方面的運(yùn)用有望節(jié)節(jié)攀升，增幅翻番。國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)藍(lán)寶石的大企業(yè)均蠢蠢欲動(dòng)，安排擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。藍(lán)寶石硬度 9，屬于難加工材料，晶體越大越難加工。發(fā)揮環(huán)形線(xiàn)的性能優(yōu)勢(shì)，克服短板，是解決藍(lán)寶石上游切割加工生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵途徑 。

       其它諸如人工光電晶體、功能陶瓷、靶材的切割，市場(chǎng)需求也相當(dāng)大。目前，國(guó)內(nèi)仍采用大量的金剛石帶鋸機(jī)切割，材料損耗大，切面不平整。

       1、光伏硅片

       目前國(guó)產(chǎn)金剛石線(xiàn)和多片切割機(jī)己經(jīng)在光伏硅片生產(chǎn)中大量使用，而環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)仍發(fā)展滯后。其實(shí)，除了多片切割以外，還有大量的切割工作量，如切兩頭、截?cái)?、拼刀、切厚片等工序使用的帶鋸切割，材料損耗大，若代之以環(huán)形線(xiàn)切割技術(shù)將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效果。

       環(huán)形金剛石線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)取代帶鋸機(jī)

       目前國(guó)內(nèi)各大型光伏企業(yè)均擁有幾十臺(tái)帶鋸機(jī)用于晶錠，晶 棒的截?cái)嗲懈罴庸?，帶鋸厚度最?.7mm，切縫＞1.5mm，切面不平整；截?cái)鄶?shù)量多，造成極大浪費(fèi)。而國(guó)外如韓國(guó)Disec公司推出的環(huán)形金剛石線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)用于15寸的單晶硅棒截?cái)嗷蚯衅H受青睞(見(jiàn)圖 1 所示)。因此，國(guó)內(nèi)青島測(cè)控中心等不少單位研制單長(zhǎng)線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)和多工位截?cái)鄼C(jī)以取代帶鋸機(jī)，而環(huán)形線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而具有更大的替代優(yōu)勢(shì)。最近天瑞公司研制功的PTM200環(huán)形線(xiàn)截?cái)鄼C(jī)已經(jīng)小批量推向光伏晶片加工市場(chǎng)，初顯切割效率高，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，受到客戶(hù)青睞。

       環(huán)形金剛石線(xiàn)開(kāi)方機(jī)優(yōu)于單線(xiàn)開(kāi)方機(jī)

       目前國(guó)內(nèi)金剛石線(xiàn)開(kāi)方機(jī)用量逐年增多，國(guó)產(chǎn)開(kāi)方機(jī)也得到大量使用( 其中，大量進(jìn)口游離式開(kāi)方機(jī)改造為金剛石線(xiàn)開(kāi)方機(jī))。而且，還出現(xiàn)幾款臥式單根單晶硅開(kāi)方機(jī)，如重慶神工開(kāi)方機(jī)和青島測(cè)控中心的開(kāi)方機(jī)，其特點(diǎn)是工件不用粘結(jié)，機(jī)械手上下工件，切割后不必剪斷網(wǎng)線(xiàn)，相對(duì)于多工位立式開(kāi)方機(jī)，生產(chǎn)效率高。見(jiàn)圖2所示。

       但比較而言，在環(huán)形線(xiàn)性能好的條件下(線(xiàn)徑0.4～0.6mm)，環(huán)線(xiàn)開(kāi)方機(jī)更具優(yōu)勢(shì)：

       ①環(huán)線(xiàn)機(jī)輪系少，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，易于推廣;

       ②環(huán)線(xiàn)機(jī)裝線(xiàn)快捷，線(xiàn)距調(diào)整容易，斷線(xiàn)只換一根環(huán)線(xiàn)處理速度快，成本低;

       ③技術(shù)難度低，省去同步裝置系統(tǒng)、排線(xiàn)系統(tǒng)等復(fù)雜機(jī)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單，容易維修。

       ④環(huán)線(xiàn)機(jī)線(xiàn)速度快，切割效率高，接近單線(xiàn)開(kāi)方機(jī)的 2 倍。

       2、藍(lán)寶石

       十三五期間，藍(lán)寶石行業(yè)仍然具有爆發(fā)性的發(fā)展趨勢(shì)。藍(lán)寶石在智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，將引爆藍(lán)寶石的潛在需求，未來(lái)三年藍(lán)寶石產(chǎn)業(yè)有 5 倍以上成長(zhǎng)空間。可見(jiàn)，如果性能優(yōu)異的藍(lán)寶石能在合理成本下進(jìn)行量產(chǎn)，未來(lái)的市場(chǎng)將不可估量。目前，LED 襯底切割的多片切割機(jī)基本上解決了市場(chǎng)需求，只是擴(kuò)產(chǎn)增加多片切割機(jī)訂單，提高晶片產(chǎn)量問(wèn)題。表2 是近期的藍(lán)寶石切片工藝參數(shù)。

       由表2可知：金剛石單長(zhǎng)線(xiàn)切割效率是非常低的，切割成本居高不下。最近，國(guó)內(nèi)各媒體，網(wǎng)站充斥大量的對(duì)藍(lán)寶石手機(jī)蓋板未來(lái)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)報(bào)告，但是，蓋板的開(kāi)方切片的方法并未解決。藍(lán)寶石作為玻璃的替代品，目前制造成本相當(dāng)昂貴，專(zhuān)家預(yù)計(jì)：一旦開(kāi)方切片問(wèn)題解決，2016～2020年的蓋板使用數(shù)量將超過(guò)各家報(bào)告所說(shuō)的市場(chǎng)預(yù)期，最大產(chǎn)量達(dá)到每年5000 萬(wàn)片以上。

       目前，常用的環(huán)形線(xiàn)徑是0.65mm，正在研制的還有0.4mm、0.3mm 的，要把握環(huán)形線(xiàn)自身的特點(diǎn)，不能與長(zhǎng)線(xiàn)比粗細(xì)，可以想象在有限長(zhǎng)度內(nèi)，線(xiàn)徑越小，則壽命越短。關(guān)鍵是要在工藝上做足功夫，提高環(huán)線(xiàn)的抗拉強(qiáng)度，提高單位長(zhǎng)度的工作壽命。通過(guò)創(chuàng)新措施，使環(huán)形線(xiàn)鋸切割藍(lán)寶石的綜合指標(biāo)優(yōu)于長(zhǎng)線(xiàn)鋸，以期獲得藍(lán)寶石切割市場(chǎng)認(rèn)可。

       3、人工晶體

       2014年研制的懸臂式 TXJ-1000 環(huán)形金剛石線(xiàn)切割機(jī)己經(jīng)成功地替代帶鋸機(jī)，并用于福建某研究所的大型 KDP 晶體激光材料的切割生產(chǎn)。經(jīng)二年多切割生產(chǎn)證實(shí)：該設(shè)備配置的線(xiàn)鋸切割力小、切縫窄、不易崩裂、切割效率高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)貴重脆性材料的低應(yīng)力精密切割。這是我國(guó)第一臺(tái)自主創(chuàng)新研制的大型環(huán)形金剛石線(xiàn)切割機(jī)，為國(guó)防軍工做出了貢獻(xiàn)，意義重大。見(jiàn)圖4、圖5 所示。

       近年來(lái)，人工晶體越來(lái)越向高端發(fā)展，價(jià)值極其昂貴，切割加工過(guò)程十分精細(xì)，平穩(wěn)，不但切縫要小，還不得出現(xiàn)微小裂紋。從事環(huán)形線(xiàn)切割技術(shù)的企業(yè)應(yīng)創(chuàng)新研制更多的精密切割機(jī)以適應(yīng)切割高端晶體材料的需要，重要的是要盡快尋找客戶(hù)，將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓更多的人工晶體企業(yè)用上先進(jìn)的精密環(huán)形金剛石線(xiàn)切割設(shè)備。

       4、陶瓷靶材

       靶材加工是個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，由于智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端的流行，靶材市場(chǎng)需求量也非常之大。與環(huán)形線(xiàn)切割有關(guān)的主要是陶瓷靶材，上述提到的上海某公司10年前就引進(jìn)三臺(tái)環(huán)形線(xiàn)切割機(jī)，用于切割氮化硼蒸發(fā)舟。2015 年，天瑞公司為寧波某材料公司提供 TLB350 立式環(huán)形線(xiàn)切割機(jī)專(zhuān)門(mén)用于 Zno靶材的切圓和對(duì)剖切片生產(chǎn)。最近又為北京有研公司的 Mgo、Al2O3、鎢合金靶材進(jìn)行切圓、切片試驗(yàn)。見(jiàn)圖6、圖7所示。

       環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸十分適合陶瓷靶材的切割，尤其，國(guó)內(nèi)靶材生產(chǎn)企業(yè)在向高端靶材產(chǎn)品發(fā)展，靶材密度偏高，用電火花或帶鋸切割效率低，耗材大(見(jiàn)表3  ）。只要經(jīng)常與靶材生產(chǎn)企業(yè)交流，多參加幾次有關(guān)靶材展覽會(huì)，環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)一定會(huì)在短期內(nèi)獲得廣泛推廣。

       5、晶圓芯片

       2017年，我國(guó)晶圓芯片加工進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展的黃金時(shí)代，其上游的晶圓切割加工鏈中仍然為大量的金剛石帶鋸所占據(jù)。見(jiàn)圖8 所示。望業(yè)內(nèi)有識(shí)之士能預(yù)見(jiàn)，這是發(fā)展環(huán)線(xiàn)切割技術(shù)的又一個(gè)大商機(jī)，切莫錯(cuò)失。

目前晶圓直徑正向更大方向發(fā)展，從原來(lái)的8、10、12、15 英寸甚至到了20英寸，越大越適合環(huán)線(xiàn)鋸切割。如圖9，某晶圓芯片公司的Φ350mm 晶圓在環(huán)線(xiàn)立式機(jī)切片，效果十分滿(mǎn)意，其工藝參數(shù)為:線(xiàn)速度38m/s，進(jìn)給速度15～30mm/min，切割面精度0.02～0.05μm，片厚2～5mm。

       6、總結(jié)

       (1) 環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸切割技朮是我國(guó)超硬材料工具發(fā)展中的一朵奇葩，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于硬脆材料和敏感材料的精密切割。應(yīng)用范圍廣泛，且規(guī)模大，涉及太陽(yáng)能光伏晶片、晶圓芯片、藍(lán)寶石、人工晶體和陶瓷靶材等，市場(chǎng)前景無(wú)限，應(yīng)引起業(yè)內(nèi)人士關(guān)注，讓更多企業(yè)投入創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)。

       (2) 國(guó)內(nèi)從事該項(xiàng)技術(shù)研究的單位甚少，這是一項(xiàng)需要投入更多創(chuàng)新的獨(dú)特技術(shù)，要獨(dú)辟蹊徑，有難度，也有短板，甚至也有風(fēng)險(xiǎn)。但闖過(guò)風(fēng)險(xiǎn)，就會(huì)有豐厚的回報(bào)。

       (3) 藍(lán)寶石在智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，取決于切割晶片成本的降低，切片面積越大，環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸的優(yōu)勢(shì)越明顯，一旦成功，即可創(chuàng)造很大價(jià)值。

       (4) 環(huán)形金剛石線(xiàn)和設(shè)備要以市場(chǎng)為中心，緊密結(jié)合，相輔相成，這是企業(yè)賴(lài)以成功的創(chuàng)業(yè)法寶，是目前市場(chǎng)上的不可替代產(chǎn)品，具有定價(jià)能力，應(yīng)予以極力保護(hù)。

       (5) 我國(guó)環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)還要在不斷創(chuàng)新中發(fā)展，產(chǎn)品還有待市場(chǎng)驗(yàn)證，我國(guó)超硬材料同行要加倍努力，砥礪前行，引領(lǐng)金剛石環(huán)形線(xiàn)鋸技術(shù)向更高端發(fā)展。

       注：整理自論文《我國(guó)環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)在創(chuàng)新中發(fā)展》作者：鄭超