树脂金刚石切割线对硅晶体切割机理的研究

摘要

随着太阳能光伏产业的发展，硅晶体材料的应用越来越广泛。硅片切割是光伏产业中一道重要的工艺。硅片质量的好坏直接影响后续的加工成本。研究树脂金刚石切割线切割硅晶体的切割机理以及硅片切割过程中影响硅片质量的因素，可以为切割工艺的制定提供理论指导。 研究了硅晶体的去除机理，借助电子扫描显微镜观察切割后的硅片以及切屑形貌，研究硅晶体的去除形式，计算了硅晶体塑性去除的临界深度，并研究了不同切削参数对硅晶体去除机理的影响。对切割完的硅片进行表面损伤层的研究，切割完后的硅片表面有大量的微裂纹存在，随着硅片切入深度的增加硅片表面裂纹宽度变大，硅片表面粗糙度随着线速度的增加而减小，随着进给速度增大而增大，采用截面显微法研究了不同切割参数对硅片亚表面损伤深度的影响。 首次建立了树脂金刚石切割线切割硅片的切割模型以及单颗金刚石的树脂层退让模型。通过分析树脂层的退让行，获得了退让量δ和线弓A的关系。理论研究表明，树脂金刚石切割线切割时线弓的增大主要是由树脂层的退让性引起的。线弓的变化量和树脂层的退让量成正比。实验研究选用了2种不同硬度树脂，用相同的切割工艺对单晶硅进行了切割实验，实验研究表明：使用硬度高的树脂制作的金刚石线锯可以减小线弓，提高切削效率。 首次做了单颗金刚石颗粒切削硅晶体的有限元仿真。仿真考虑了空气对流与切削液对流换热系数，并且综合考虑了应力场与温度场的相互影响，属于热力耦合的切削仿真模拟。研究了影响切削力与切削热的影响因素。研究结果表明，切削深度越大，切削力越大，温度越高。切削速度越高，切削力越小。 借助扫描电子显微镜研究了树脂金刚石切割线的磨损形式，树脂金刚石切割线的磨损主要有树脂层磨损，金刚石颗粒抛光磨损，金刚石颗粒脱落，并且建立了单颗树脂金刚石颗粒的有限元模型，用有限元方法分析了单颗树脂金刚石颗粒的受力情况，从分析结果看，靠近金刚石颗粒的树脂层位移量较大，远离金刚石颗粒的树脂层位移量逐步减小，因此金刚石根部的树脂层容易在交变应力作用下产生开裂，并且容易和金刚石颗粒产生间隙，最终脱落。

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1 绪论

1.1本课题研究的目的与意义

1.2树脂金刚石线锯的发展及现状

1.3硬脆材料加工机理的研究现状

1.3.1硬脆材料去除机理的研究现状

1.3.2硬脆材料表面亚表面损伤层的研究现状

1.4金刚石切割线切割机理的研究现状

1.5本文研究的主要内容

2 树脂金刚石切割线对硅晶体去除机理的研究

2.1引言

2.2树脂金刚石线锯的制作工艺特点以及形貌

2.2.1树脂金刚石切割线的制作工艺

2.2.2树脂金刚石切割线的特点

2.2.3金刚石颗粒及其树脂线的形貌

2.3单晶硅的特性及其结构

2.4树脂金刚石切割线切割硅晶体的实验

2.5树脂金刚石线锯切割完后的硅片以及切屑的形貌研究

2.5.1硅片扫描电镜实验以及形貌分析

2.5.2树脂金刚石切割线切割硅晶体时切屑的形貌分析

2.6硅晶体塑性去除的临界条件

2.7不同切割工艺对硅晶体去除机理的影响

2.8本章小结

3 硅晶体材料表面亚表面损伤层的研究

3.1引言

3.2硅片表面损伤层的研究

3.2.1不同切割参数下的硅片表面形貌分析

3.2.2不同切削深度裂纹的形貌

3.2.3不同切割参数对硅片表面粗糙度的影响

3.3硅晶体亚表面损伤层的研究

3.4本章小结

4 树脂金刚石切割线切割硅片延时现象分析

4.1引言

4.2切割模型的建立

4.3 树脂金刚石切割线切割延时影响因素

4.3.1单颗金刚石切割硅晶体时树脂层的退让模型

4.3.2树脂层的退让性对切割延时的影响

4.4树脂层硬度对切割延时的实验研究

4.5切割参数对线弓的影响

4.6金刚石颗粒浓度对线弓的影响

4.7本章小结

5 单颗金刚石切削硅晶体的有限元仿真

5.1引言

5.2有限元法的一般分析流程

5.3有限元分析软件

5.3.2 ANSYS/LS-DYNA算法

5.4硅晶体材料的本构模型

5.5单颗金刚石颗粒切削有限元模型

5.5.1金刚石颗粒与工件的有限元模型

5.5.2有限元模型网格划分

5.5.3接触的设置

5.6单颗金刚石切削仿真结果分析

5.6.1单颗金刚石颗粒切削仿真切削力

5.6.2工件应力场分析

5.6.3工件温度场分析

5.6.4金刚石颗粒温度场分析

5.7本章小结

6 树脂金刚石线锯失效机理及仿真分析研究

6.1引言

6.2树脂金刚石线锯的失效机理

6.2.1金刚石颗粒的磨损

6.2.2金刚石颗粒的脱落

6.2.3树脂层的磨损

6.3金刚石颗粒及树脂层受力的有限元分析

6.3.1金刚石颗粒与树脂层有限元模型的建立

6.3.2边界条件以及载荷的加载

6.3.3计算与结果分析

6.4本章小结

结 论

参考文献

致 谢

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