我国环形金刚石线锯技术在创新中发展

郑 超

(中国有色桂林矿产地质研究院,桂林 541004)

1 前言

我国的环形金刚石线锯技术研究起步较晚，始于21世纪初，桂林国家特种矿物材料工程技术研究中心的科研人员参观了上海斯泰克陶瓷公司，考察了该公司使用的三台德国进口环形金刚石线切割机用于硼化钛陶瓷材料切割生产之后，开始立项开展环形电镀金刚石线的研究[1-4]，笔者亦开始设计研制立式环形金刚石线切割机。在此期间，山东大学，青岛科技大学和桂林理工大学的硕士生，博士生在导师指导下，也在开展环形金刚石线制造工艺以及切割机理方面的研究试验[5]。从切割各种硬脆材料的试验效果表明环形金刚石线锯的切割性能优势明显，线速度高达50～60m/s，切割效率高，多晶硅切片进给速度均在5mm/min以上，最高达30mm/min[6-8]。这是金刚石长线锯所无法达到的。所以，它非常适合于多晶硅、单晶硅等硬脆材料多片切割以及其它工序的切割加工。如，可以替代现有的金刚石带锯截断机对单晶硅或多晶硅进行截断切割加工。目前，国内多家硅晶片生产企业已经用上环形金刚石线截断机，158×158多晶硅截断，每刀5分钟，每根线平均寿命200刀，最多可切割400刀，可望近期内替代带锯机，以服务于光伏企业进一步提高晶片生产效率，降低成本。

据悉，十三五规划期间，我国的蓝宝石行业具有爆发性发展趋势，由于下游应用市场持续高速成长，如LED衬底市场、军用及民用光学窗口等需求增长以及新型手机屏幕等新应用的需求激增。可以预测蓝宝石晶片在LED行业的发展和手机屏幕、半导体方面的运用，预计2016～2020年的总需求量,有望节节攀升，增幅翻番。国内各生产蓝宝石的大企业均蠢蠢欲动，安排扩产计划。蓝宝石硬度9，属于难加工材料，晶体越大越难加工。发挥环形线的性能优势，克服短板，是解决蓝宝石上游切割加工生产链的关键途径[9]。其它诸如人工光电晶体、功能陶瓷、靶材的切割，市场需求也相当大[10]。目前，国内仍采用大量的金刚石带锯机切割，材料损耗大,切面不平整。

桂林特邦新材料公司的金刚石环形线和立式切割机最先于2015年在国内功能陶瓷行业推广使用，并多次参加上海光伏展等有关展会。大尺寸KDP晶体是昂贵的国防军工材料，由于其材质软且脆，易潮解，是当前世界上公认的难加工材料。而目前使用的带锯切割方法，切口大，易破损，甚至在切割过程中经常产生炸裂，造成灾难性的损失。金刚石线切割机和环形线，正是克服带锯难点的最佳方案，是解决KDP晶体切割攻关的一大创新。经大量切割KDP晶片生产证实，该方法切割力小，切缝窄，切割效率高，实现了对贵重脆性材料的低应力精密切割。实践证明，环形金刚石线锯最适合于切割软脆敏感晶体材料。经过多年努力，国产环形金刚石线锯技术日趋完善，正进入市场推广阶段，应用范围也将更加广泛。

2 光伏硅晶片切割工程市场潜力巨大

我国2020年太阳能光伏装机目标从1亿千瓦(100GW)上调到1.5亿千瓦。因此，中国的光伏产量将迎来爆炸式增长。经过不懈努力，目前国产光伏设备在关键指标、性能等方面均已达到国际先进水平，国内光伏产品生产企业普遍采取国产设备和进口设备混搭的建线方案，而且国产设备在数量上已占多数。多数企业认识到了没有国产设备的支撑，中国的光伏企业将丧失最主要的成本竞争优势。与IC行业相比，光伏设备的技术要求略低一些，这也正是国内企业可大有作为的中低端设备领域。尤其是硅晶切割占据晶片生产成本50%以上，大量采用国产切割技术和设备是光伏企业降低生产成本的关键举措。目前国产金刚石线和多片切割机己经在生产中获得大量使用，而环形金刚石线锯技术仍发展滞后。其实，除了多片切割以外，还有大量的切割工作量，如，切两头、截断、拼刀、切厚片等工序使用的带锯切割，材料损耗大，若代之以环形线切割技术将带來可观的经济效果。

(1)环形金刚石线截断机取代带锯机

目前国内各大型光伏企业均拥有几十台带锯机用于晶锭，晶棒的截断切割加工，带锯厚度最薄0.7mm，切缝>1.5mm，切面不平整。截断数量多，造成极大浪费。而国外如韩国Disec公司推出的环形金刚石线截断机用于15吋的单晶硅棒截断或切片，颇受青睐[11]。见图1所示。因此，国内青岛测控中心等不少单位研制单长线截断机和多工位截断机以取代带锯机。而环形线截断机由于结构简单而具有更大的替代优势。最近天瑞公司研制成功的PTM200环形线截断机已经小批量推向光伏晶片加工市场，初显切割效率高，操作简单等优势，受到客户青睐，预计年内将获得普遍推广。见图2所示。

目前，国内光伏单晶硅，多晶硅切割市场刚刚推广各种金刚石长线的截断机和多工位截断机，如图3、图4所示。而环线PTM200机的出现，却引起不小轰动。相比较而言，环线机优势明显，不但切割效率高，而且结构简单，造价低，装拆金刚石线简便。笔者认为，两者必有一场相当激烈的竞争，随着环线机不断地改进创新，克服短板，必将取得市场的认可和接受，获得大批量推广，为我国的光伏产业做贡献。

图2 天瑞公司PTM200截断机Fig.2 The PTM200 cut-off machine of Tian Rui company 线速度：25-50m/s,给进速度：5-30mm/min,线径：0.65,0.45mm, 周长：2670mm

图3 晶盛公司DSW40S-ZJS截断机，机器人在上料Fig.3 DSW40S-ZJS cutting machine from Crystal company, the feeding robot

(2)环形金刚石线开方机优于单线开方机

图4 青岛测控中心GXDW-30多工位截断机Fig.4 GXDW-30 multiple stations cut-off machine of Qingdao Measurement and Control Center

图5 上海日进公司单晶硅截断机Fig.5 Mono-crystalline silicon cut-off machine of Shanghai NISSIN Machine

目前国内金刚石线开方机用量逐年增多，国产金刚石线供不应求，国产开方机也得到大量使用(其中，大量进口游离式开方机改造为金刚石线开方机)。而且，还出现几款卧式单根单晶硅开方机，如重庆神工开方机和青島测控中心的开方机，其特点是工件不用粘结，机械手上下工件，切割后不必剪断网线，相对于多工位立式开方机，生产效率高。见图6所示。但是，比较而言，在环形线性能好的条件下(线径0.4～0.6mm)，环线开方机更具优势：

图6 重庆神工KFD800-1单根开方机Fig.6 KFD800-1 single root cutting machine of Chongqing Shengong

①环线机轮系少，整体结构简单，造价低，易于推广；

②环线机装线快捷，线距调整容易，断线只换一根环线处理速度快，成本低；

③技术难度低，省去同步装置系统，排线系统等复杂机构，操作简单，容易维修。

④环线机线速度快，切割效率高，接近单线开方机的2倍。

(3)切割多晶硅数据充分显示环形线的技术优势

受青岛隆盛公司委托，对多晶硅锭进行开方切片，从切割工艺参数和结果数据来看，充分显示了环形金刚石线锯技术的优势。

①环形线规格：线径0.65mm,周长4960mm,2670mm

②工艺参数：线速度28～31m/s，进给速度12～30mm/min，切割效率0.2～0.336m2/min

③切割效果：环形线切割机每5～6分钟切1片，每米金刚石线平均切割面积0.912m2

环形线切割效率优势明显。见综合比较表1：

表1 环形金刚石线与单长线切割效率比较表

综上所述，环形金刚石线锯技术的创新发展必将在我国光伏企业中获得广泛应用，开花结果。

3 蓝宝石环形线切片开方机是降低加工成本的关键

十三五期间，蓝宝石行业仍然具有爆发性的发展趋势。但是，如何有效降低蓝宝石盖板切片的加工成本，是超硬材料工具企业亟待攻克的难关。如果性能优异的蓝宝石能在合理成本下进行量产，未来的市场将不可估量。蓝宝石在智能手机和可穿戴设备领域的应用，将引爆蓝宝石的潜在需求，未来三年蓝宝石产业有5倍以上成长空间。苹果在iWatch 和iPhone 盖板上采用蓝宝石材料后，将占蓝宝石总需求的80%。目前，LED衬底切割的多片切割机基本上解决了市场需求，只是扩产增加多片切割机订单，提高晶片产量问题。表2是近期的蓝宝石切片工艺参数。

表2 近期蓝宝石切片工艺参数

由表中可知，金刚石单长线切割效率是非常低的，切割成本居高不下。最近，国内各媒体，网站充斥大量的对蓝宝石手机盖板未来市场的预测报告，但是，盖板的开方切片的方法，并未解决。蓝宝石作为玻璃的替代品，目前制造成本相当昂贵，若将蓝宝石材料做成iPhone手机屏幕大小，成本将是康宁大猩猩玻璃的四倍以上，且该项技术在中大尺寸玻璃上难以实现，目前仅能用在小尺寸领域。 分析人士认为，此次苹果新品在技术创新上低于预期，作为高端产品标杆的苹果创新脚步进一步放缓，也显示出高端智能手机的创新遭遇到了一定的瓶颈。专家预计，一旦开方切片问题解决，2016～2020年的盖板使用数量将超过各家报告所说的市场预期，最大产量达到每年5000万片以上。如此大的市场机遇，业内多家超硬材料公司觊觎己久，始终努力探索，也取得不少成绩，正在努力攻关，希望在近期内有所突破。

(1)金刚石长线开方机和带锯机是当前市场主力

目前，国内有几家企业生产蓝宝石多线开方机和切片机，如，重庆源启科技公司和重庆四和晶工公司合作生产了SDX300蓝宝石开方机、SDX500蓝宝石开方机、DX300蓝宝石单线切机和QPD2530(6”)蓝宝石切片机。见图7、图8所示。

图7 SDX500蓝宝石开方机Fig.7 SDX500 sapphire root machine

图8 SDX300蓝宝石开方机Fig.8 SDX300 sapphire root machine

现有长线开方机存在问题分析：

①长线机固有问题，轮系多，结构复杂，故障多，同步排线技术不成熟，生产效率低，造价高，故仍未在生产中大量推广使用。

②标明的线速度20～25m/s，实际做不到，因此，影响切割效率，进给速度标明最高1.8mm/min，但实际估计在0.3～1mm/min之间。

③装线，拆线相当麻烦，用0.25mm细线，寿命不长，晶体越大，适应性越差。

尽管如此，当前还没有更好的设备，重庆四联光电集团依靠它建造蓝宝石基地，将形成1800万片的年生产能力，届时四联集团仅仅是LED基地的年产值就将超过100亿元。

(2)克服短板，发挥优势，敢于竞争

环形金刚石线切割机，在试验和使用中，充分显示出设备构造简单，切割效率高的优势，尤其是在切割人工晶体方面更是得心应手，游刃有余。德国学者著文，阐述实验结果，线速度越高，切割力越小，切面越平整。见图9所示。但是，在切割硬度高的蓝宝石时，却暴露出环形线的短板。一是线径不够细；二是工作寿命短。因此，在设计开方机时遇到难题，必须有意增加线的周长，提高线的寿命，从而结构显得庞大不紧凑。要提升竞争力，关键在于创新，切割机要发展也要不断创新，克服短板，才能在竞争中立于不败之地。

图9 不同线速度与切割力关系图Fig.9 Relationship between cutting speed and cutting force

①减少线径，提高单位长度寿命是环形切割机研制的关键。

2.2.2 抑郁心理:患者本身对手术的了解相对较少,对术后的恢复也存在消极的心理,从而导致其整日处于悲观、绝望的状态,部分患者甚至出现了严重的失眠。

目前，常用的环形线径是0.65mm，正在研制的还有0.4mm、0.3mm的，要把握环形线自身的特点，不能与长线比粗细，可以想象在有限长度内，线径越小，则寿命越短。关键是要在工艺上做足功夫，提高环线的抗拉强度，提高单位长度的工作寿命。

②设计廻转支架，让晶体处于旋转状态中切割，变线接触为点接触，有利于提高切割效率，目标要达到2～3mm/min。

③尽可能延长环形线周长，保证每根环形线切完300mm×400mm晶体面积，因此，周长受限是环形线锯的短板。

通过以上创新措施，使环形线锯切割蓝宝石的综合指标优于长线锯，以期获得蓝宝石切割市场认可。见图10、图11所示。

图10 蓝宝石在环形线立式机上切割试验Fig.10 Cutting sapphire on the ring type vertical cutting machine

图11 蓝宝石在卧式机上切割试验Fig.11 Cutting sapphire experiment on the horizontal machine

4 环形金刚石线锯用于人工晶体切割大有作为,市场有待扩大

于2014年研制的悬臂式TXJ-1000环形金刚石线切割机己经成功地替换带锯机用于福建某研究所的大型KDP晶体激光材料的切割生产。经二年多切割生产证实，该设备配置的线锯切割力小，切缝窄，不易崩裂，切割效率高，实现了对贵重脆性材料的低应力精密切割。这是我国第一台自主创新研制的大型环形金刚石线切割机，为国防军工做出了贡献，意义重大。见图12、图13所示。

近年来，人工晶体越來越向高端发展，价值极其昂贵，切割加工过程十分精细，平稳，不但切缝要小，还不得出现微小裂纹。从事环形线切割技术的企业应创新研制更多的精密切割机以适应切割高端晶体材料的需要，重要的是要尽快寻找客户，将产品推向市场，让更多的人工晶体企业用上先进的精密环形金刚石线切割设备。

图12 TXJ-1000环形金刚石线切割机Fig.12 TXJ-1000 ring diamond wire cutting machine

图13 大型KDP晶体(600×600×600)在切割中Fig.13 Large KDP crystals (600×600×600)being cut

5 陶瓷靶材切割市场潜力大

靶材加工是个新兴产业，由于智能手机、平板电脑等移动终端的流行，靶材市场需求量也非常之大。与环形线切割有关的主要是陶瓷靶材，上述提到的上海某公司10年前就引进三台环形线切割机，用于切割氮化硼蒸发舟。2015年，天瑞公司为宁波某材料公司提供TLB350立式环形线切割机专门用于Zno靶材的切圆和对剖切片生产。最近又为北京有研公司的Mgo、Al2O3、钨合金靶材进行切圆，切片试验。见图14、图15所示。

图14 TLB350立式环形线切割机Fig.14 TLB350 vertical ring line cutting machine

图15 宁波ZnO靶材正在切圆Fig.15 The target of Ningbo ZnO being cut in circle

表3 不同切割方式切割ITO靶材切割效率

6 我国晶圆芯片切割加工也应有环线切割技术一席之地

2017年，我国晶圆芯片加工进入大规模发展的黄金时代，其上游的晶圆切割加工链中仍然为大量的金刚石带锯所占据。见图16所示。望业内有识之士能预见，这是发展环线切割技术的又一个大商机，切莫错失。目前晶圆直径正向更大方向发展，从原來的8、10、12、15英寸甚至到了20英寸,越大越适合环线锯切割，如图17，某晶圆芯片公司的Φ350mm晶圆在环线立式机切片,效果十分满意,其工艺参数为：

线速度38m/s,进给速度15～30mm/min,切割面精度0.02～0.05μm,片厚2～5mm。

图16 有研的450mm晶圆在带锯上切两头Fig.16 450mm wafers being cut on both ends of the band saw in Grinm

图17 350mm晶圆在环线立式机上切片Fig.17 350mm wafers being sliced on a loop vertical machine

7 结论

(1)环形金刚石线锯切割技朮是我国超硬材料工具发展中的一朵奇葩，具有独特的优势，尤其适用于硬脆材料和敏感材料的精密切割。应用范围广泛，且规模大，涉及太阳能光伏晶片、晶圆芯片、蓝宝石、人工晶体和陶瓷靶材等，市场前景无限,应引起业内人士关注，让更多企业投入创新，创业。

(2)国内从事该项技术研究的单位甚少，这是一项需要投入更多创新的独特技术，要独辟蹊径，有难度，也有短板，甚至也有风险。但闯过风险，就会有丰厚的回报。

(3)蓝宝石在智能手机和可穿戴设备领域的应用，取决于切割晶片成本的降低，切片面积越大，环形金刚石线锯的优势越明显，一旦成功，即可创造很大价值。

(4)环形金刚石线和设备要以市场为中心，紧密结合，相辅相成，这是企业赖以成功的创业法宝，是目前市场上的不可替代产品，具有定价能力，应予以极力保护。

(5)我国环形金刚石线锯技术还要在不断创新中发展，产品还有待市场验证，我国超硬材料同行要加倍努力，砥砺前行，引领金刚石环形线锯技术向更高端发展。