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       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，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。

       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。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 。

       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。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。

       1、光伏硅片

       目前国产金刚石线和多片切割机己经在光伏硅片生产中大量使用，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。

       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寸的单晶硅棒截断或切片，颇受青睐(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。

       环形金刚石线开方机优于单线开方机

       目前国内金刚石线开方机用量逐年增多，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岛测控中心的开方机，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2所示。

       但比较而言，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：

       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。

       2、蓝宝石

       十三五期间，蓝宝石行业仍然具有爆发性的发展趋势。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。可见，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。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。

       由表2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，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。

       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。通过创新措施，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。

       3、人工晶体

       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代带锯机，并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4、图5 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。

       4、陶瓷靶材

       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6、图7所示。

       环形金刚石线锯十分适合陶瓷靶材的切割，尤其，国内靶材生产企业在向高端靶材产品发展，靶材密度偏高，用电火花或带锯切割效率低，耗材大(见表3  ）。只要经常与靶材生产企业交流，多参加几次有关靶材展览会，环形金刚石线锯技术一定会在短期内获得广泛推广。

       5、晶圆芯片

       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8 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9，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。

       6、总结

       (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。

       注：整理自论文《我国环形金刚石线锯技术在创新中发展》作者：郑超