長春專業單晶硅多線切割機是光電信息產業中制備產品基片的重要設備,切片的質量直接影響后續進程的質量和成品率。多線切割是通過極細(70μm)切割線的高速往復運動將工件一次同時切割為數百或上千薄片的一種新型切割技術,相較于傳統的內圓和外圓切割,具有加工精度高、效率高和材料損耗少的優勢,已成為切片加工的主流設備。張力控制技術是多線切割得以進行的關鍵技術,張力的波動程度和變化頻率直接影響了切片質量。目前國內雖然有不少對多線切割機的研究,但是其中對于張力控制的研究較少,張力控制技術主要掌握在少數發達國家手中,所以從理論和實際兩方面考慮,對張力控制系統進行研究和應用很有必要。本文針對多線切割機的張力控制系統靜態超調大、穩態誤差大、加速度時張力波動大的問題,設計張力閉環控制系統,建立其數學模型,通過分析專業單晶硅多線切割機走線過程中的各張力干擾因素,提出一種基于模糊PID控制算法的張力閉環控制策略,并進行了 MATLAB仿真分析和上機試驗,實現了高精度的張力控制。

進一步提高效率、降低成本是硅材料今后發展的趨勢,也是產業化的要求。目前在半導體硅材料的加工領域引入了專業單晶硅多線切割機,它高效的生產能力,諸多的優勢,決定了它的發展空間,但如何有效控制硅片應力,這是一個需要迫切解決的問題。從線切割機與內圓切割機相比較出發,著重研究線切割機在生產過程中的應力控制。針對線切割機的工作原理,在切片過程中硅片因機械作用造成的刀痕、損傷、破損會導致產生包括機械應力和熱應力在內的應力,進而產生滑移位錯,當機械應力和熱應力在高溫處理過程中的作用超過晶體滑移臨界應力時,會產生硅片的破碎。對于翹曲度、彎曲度、總厚度誤差、中心厚度誤差等方面的質量控制,可以通過調整線張力、進給速度、冷卻劑流量等一系列工藝措施來達到目的及要求,它大大降低了生產成本,提高了生產效率。實驗證明,長春單晶硅多線切割機切出的硅片的厚度和質量都很好的滿足了下一道工序的要求。

多線切割是目前先進的切片加工技術,其核心技術長期被瑞士,日本等國壟斷。傳統的長春專業單晶硅多線切割機一般采用砂漿切割工藝進行加工,但這種方法生產效率不高、能耗大,同時由于砂漿粘度高導致切屑分離困難,從而造成對環境的污染。為避免這些缺點,近年來出現了另外一種切割工藝----金剛線多線切割工藝。多軸同步控制是多線切割機設備需要攻克的關鍵問題。傳統的多線切割機控制系統一般通過模擬量或者脈沖的方式控制,這種方式接線復雜,靈活性差,容易受到電磁干擾。而基于現場總線的伺服系統能很好地提高設備的靈活性、快速性和精確性。EtherCAT是目前國際上領先的工業實時以太網技術,本文在研究EtherCAT技術的基礎上,設計了基于EtherCAT的金剛線多線切割機控制系統,主要開展了以下研究工作:針對本課題研究的專業單晶硅多線切割機,設計了基于EtherCAT的硬件系統方案,并對其硬件進行了配置。

目前，專業單晶硅多線切割機已經廣泛應用于光學玻璃、石英晶體、半導體材料、特種陶瓷、藍寶石、稀有金屬及合金等硬脆及貴重材料的加工，與傳統的內、外圓切片機相比，因其具有材料投入少、表面損傷小、運行成本低、加工效率高等優點。在近兩三年，也逐步在磁性材料加工行業推行，如用于切割釹鐵硼磁材。在對磁材進行切割的過程中，需要在工作臺上放置緩沖物料板，以免損壞工作臺，目前的多線切割設備主要是采用膠水將緩沖物料板粘接在工作臺上或粘接在工作臺上的基板上，這樣比較麻煩，而且每次粘接的位置可能出現誤差，影響磁材的切割。因此，亟需設計一種新型的單晶硅多線切割機供應商。

針對切割線張力控制線問題,探討專業單晶硅多線切割機走線過程中影響線張力的各種因素,提出一種機電一體化的張力控制策略,該方法用轉矩電動機代替張力錘施加張力,這種張力控制方法與傳統的控制方法相比能極大地降低線張力波動的強度。理論分析和實驗結果都表明:該方法張力控制精度高、易于實現,而且斷線故障率低、張力調整方便。機電一體化張力控制的實現為多線切割機走線系統的設計奠定了基礎。 針對多電機速度同步系統控制問題,采用機理建模方法,建立了張力電機的運動學數學模型。全面分析了引起單晶硅多線切割機供應商走線系統穩定性各種不確定因素,指出多線切割機同步系統是一個非線性、時變、多輸出的復雜系統。

長春專業單晶硅多線切割機是IC(集成電路)、IT(信息技術)、PV(光伏)等行業核心器件基片制造流程中的關鍵裝備。多線切割是目前非常先進的切片加工技術,其原理是通過金屬線的高速往復運動把磨料帶入待切割材料加工區域進行研磨,將待切件同時切割為數百或數千片薄片的創新性切片工藝。但多線切割機制造技術難度大,其核心技術長期被瑞士、日本等國家的極少數公司所壟斷,嚴重制約了我國半導體照明、光伏、集成電路制造等產業的發展。開發具有自主知識產權的多線切割技術及裝備,已成為突破國外技術封鎖和國內產業瓶頸的關鍵舉措。