硅芯加工刀具冷却方式的改进

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The Improvement of the Cooling Method for Silicon W afer Cutting ToolHE Jin-sheng，YANG Jie-wei(Kunming Yeyan New-Material Co.，Ltd.，Kunming，Yunnan 65003 1，China)ABSTRACT：Polysilicon materials is an important raw material in photovohaic industry，diamond tools are widely applied in siliconrod cutting along with the rising of photovohaic industry；The cause of the damage of silicon processing too]and the reasons of product frac-ture resulted from different cooling methods is introduced in this paper，and the problems are solved through optimization of the cooling meth-ods and improvement of cutting tools。

KEY W ORDS：silicon；diamond；tools；cooting硅材料作为-种新兴的光伏材料，广泛运用于电子、光伏产业，是发展信息产业和新能源产业的重要基石。目前随着国内市场的发展，对多晶硅的需求不断上升，国内多晶硅生产加工技术已突破欧美 日等国家技术封锁，大部分生产厂家均能 自行生产出合格的多晶硅，国内市场发展较为迅速。

现阶段，还原炉沉积用的硅芯-般有两种制备方法；-是区熔拉制硅芯，另-种是采用硅棒切割法切割硅芯。后期的硅芯主要采用磨削加工，磨削加工主要考虑到硅材料具有易碎、硬度高的特点以及要求的产品纯度高，不能在加工过程中带入其他杂质影响等因素，当前均采用金刚石刀具对其进行磨削加工。

金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点∩以用于非金属硬脆收稿日期：2012-05o2作者简介：和金生 (1985-)，男，云南丽江人，助理工程师。

80材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工○刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。

聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。

目前采用的是如图 1所示 A刀具进行产品的钻孔加工。利用该刀具加工出合格的还原炉用硅芯，将硅芯装入还原炉后通电击穿，开始多晶硅产品的沉积过程。

调用数控机床程序开始进行多晶硅产品的加工，当刀具中心孔通水冷却后刀具高速对多晶硅产品进行钻孔加工，得到-表面光滑，无崩边的锥孑L。

和金生，等 硅芯加工刀具冷却方式的改进爪图 1 A刀冷却液导流槽，三槽均等分布Fig.1 Cooling fluid diversion trench of tool A，equal distributions in three trenches1 切削加工存在的问题当前在多晶硅切削加工，为保证加工中产品的纯度及连续性，均采用金刚石刀具对其进行切削加工，现阶段影响切削加工的主要因素有以下几个方面 ：1)冷却液：冷却液是将加工中产生的热量带走，避免加工刀具因加工产生的热量无法及时带走而产生刀具变形甚至损坏。-般采用的研磨冷却液配比控制在8% -10%，冷却液配比过高会导致多晶硅产品表面粗糙，过低则会使刀具锈蚀。

2)加工速度：加工过程中加工的进给量及主轴转速对加工过程影响重大▲给过慢会导致多晶硅产品崩边 ，过快则会导致加工刀具的损坏。主轴转速过低，加工会产生崩边现象，转轴转速过高，刀具寿命降低。

3)冷却水压：水压过低则导致加工中形成的圆柱状钉子无法排出，堵塞刀具，加工过程中，转速较高，若不能及时地发现并清理堵塞刀具 ，继续加工将会导致刀具损坏，使加工产品断裂。

4)刀具的结构：刀具的结构直接影响着刀具的使用寿命 (如刀具金刚石浓度的含量)，同时也会直接影响加工产品的最终质量。

目前多晶硅加工，主要采用图 1所示用 A刀具，加工前期，能顺利完成产品的加工，加工出光滑、无断裂横梁，但是随着加工时间延长，出现产品加工中刀具断裂，产品断裂及锥孔崩边等现象。

2 解决办法产生刀具断裂，产品断裂及锥孔崩边等现象后，拆下刀具，换上新刀，接通同样的供辅条件及相同程序进行加工，加工部分后开始出现刀具断裂，产品断裂及锥孑L崩边等现象，据此可以排除是冷却液、水压及加工速度导致。拆下刀具，仔细检查，发现刀尖部分出现不同程度的磨损。如上所述，硅硬度很高，在排除其他原因外，着手对刀具进行分析。通过分析发现，刀具自身的冷却存在问题，现有刀具设计 ，沿刀壁两边有冷却液倒流槽，但是未能贯穿刀壁，加工过程中冷却水只能通过钻孔后沿冷却槽流出，整体的冷却效果不理想 ，-旦冷却不充分，加工中所产生的热量就不能及时带走，过热后就会出现刀具破损及堵塞现象，若不能及时发现，就会导致加工产品崩边及断裂现象。

针对上述问题，设计了两种不同的方案，特别是对刀具的冷却方式进行改进，确定如下两种方案；方案-：在原刀具的冷却槽上将其打通，让内水冷能通过刀壁溢出，在加工过程中与加工面充分接触冷却，将热量带走，其结构如图2示所示。

j甜 EiLL图2 B刀冷却液槽对称分布 ，中间开孑L打穿Fig.2 Cooling fluid symmetrical distribution for tool B，the middle part shal be perforated方案二：重新设计刀具，将刀具的-面直接打通，其余面不变，同样的通过刀具的改变让内冷却水流出，带走热量。其结构如图3所示。

、图3 C刀开单槽，打通-面Fig.3 Tool C，single slot，one side perforation换上 B刀具 ，装好待加工产品，调用程序进行加工，在不改变任何程序设置的前提下，能加工出产品，但带有少许的崩边现象，打出柱状圆钉，说明冷却正常∮下来对加工程序进行优化，调整进给量 ，由15 mm降到 10 mm，主轴转速由2 500r/min提高到3 000 r/min，开机加工，能加工出无崩边，无断裂的锥孔。换上 C刀具，装好待加工产品，调用程序进行加工，在不改变任何程序设置的前提下，能加工出无崩边、无断裂的产品，证明刀具更改可行∮下来对加工程序优化，在不改变进给量的前提下，提高主轴转速，由2 500 r/min提高到4 500 r/min，亦可加工出所需产品，提高转速可间接地提高刀具的使用寿命。

82013年 2月 云南冶金 Feb.2013第42卷第 1期 (总第238期) YUNNAN METALLURGY Vo1.42.No.1(Sum238)3 结 语试验对刀具冷却形式的改进，体现在其内在的冷却方式上，能眷地将加工产生的热量带走，避免因此造成的刀具损坏及产品断裂现象。改进后实际使用效果，证明了刀具冷却形式改进是可行的，加工改造稳定，保证了产品质量，延长了刀具使用寿命，降低了硅棒加工成本。