Continuous sawing of monocrystalline silicon with welded diamond wires

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Knoblauch, Ricardo
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Engenharia mecânica
Usinagem
Silício
Circuitos eletrônicos
Semicondutores
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/215493
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019
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spelling Continuous sawing of monocrystalline silicon with welded diamond wiresEngenharia mecânicaUsinagemSilícioCircuitos eletrônicosSemicondutoresTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019Wafers de silício são utilizados como substrato na produção da maioria dos componentes semicondutores da indústria eletrônica e de módulos de painéis solares fotovoltaicos. A tecnologia mais promissora utilizada atualmente para cortar wafers de silício é o corte com fio diamantado (Diamond Wire Sawing - DWS). O processo é realizado por um fio tipo corda de piano revestido com uma única camada de grãos de diamante. No DWS, um único fio de aço proveniente de um carretel de suprimento forma uma malha de múltiplos fios dispostos em paralelo e segue para um carretel de recolhimento. Um bloco de silício é avançado contra esta rede e cortado em centenas de wafers por meio do movimento reciprocante do fio. Como o processo de wafering é realizado na indústria sempre com reversão da direção de corte do fio, é muito difícil de se determinar a correlação entre a velocidade de corte alternante do fio e a superfície resultante do wafer. Além disto, como o próprio fio diamantado é responsável por até um quinto do custo total do processo de wafering, uma investigação detalhada sobre o desgaste do fio poderia fornecer informações úteis para se compreender as formas de desgaste deste. Entretanto, como milhares de metros de fio são utilizados em um único corte de múltiplos fios, a análise do desgaste da ferramenta representa uma tarefa difícil de se executar e geralmente é feita por amostragem. Com base nas dificuldades mencionadas encontradas no DWS de materiais frágeis, o objetivo do presente trabalho é estabelecer um ponto de partida para futuras investigações experimentais mais aprofundadas sobre DWS de materiais frágeis, tais como silício monocristalino (mono-Si). Para tanto, foi projetada e construída uma nova bancada experimental de corte a qual utiliza um segmento de fio diamantado em loop para cortar materiais frágeis. Esta serra de fio diamantado contínuo foi desenvolvida pela reconfiguração de uma máquina-ferramenta de ultra-precisão baseada na tecnologia de mancais aerostáticos. Para pôr em funcionamento a bancada de corte, fez-se necessário o desenvolvimento de um dispositivo de solda por resistência que é capaz de soldar fios diamantados em loop. Como resultado, fios com diâmetro externo de 350 e 200 µm foram soldados com sucesso e utilizados para corte de pastilhas de mono-Si na bancada de corte experimental. Ao contrário das máquinas de wafering industriais reciprocantes, a bancada é capaz de cortar com velocidade de corte e força normal constantes. A fim de se caracterizar a bancada com fio contínuo, experimentos de corte foram realizados com diferentes parâmetros de entrada (velocidade de corte e força normal). A velocidade de avanço resultante, a rugosidade, a ondulação da superfície da peça e os danos na subsuperfície foram investigados e correlacionados com os parâmetros de entrada. Um segunda série de experimentos de corte foi realizada para investigar o desgaste do fio diamantado. Um novo método foi empregado para investigar o desgaste de fios diamantados: o rastreamento de grãos de diamante do fio dia-mantado durante o corte de pastilhas de mono-Si. Os grãos de diamante ligados à superfície do fio foram analisados por microscopia eletrônica de varredura e microscopia de variação de foco. Com base em análises que apresentaram desgaste não uniforme no perímetro da seção transversal do fio, foi feita uma investigação experimental da rotação do fio no seu eixo longitudinal. Um método que promove a rotação do fio durante o corte foi aplicado com sucesso. A forma e progressão do desgaste também foram investigadas pelo rastreamento durante os experimentos de corte de grãos de diamante individuais. Os resultados mostraram a ocorrência de remoção/deformação da camada de níquel, microlascamento dos grãos de diamante, desgaste por abrasão e eventuais arrancamentos.Abstract: Silicon wafers are used as the substrates to build the vast majority of semiconductor devices for the electronics industry and photovoltaic solar modules. The most promising technology used nowadays to slice silicon wafers is the Diamond Wire Sawing (DWS), in which the cut is performed by a piano wire coated with a single layer of bond diamond grains. In the DWS, a single steel wire is fed from a supply-spool to a take-up spool, forming a web of multiple strands of wire. The silicon ingot is pushed against the wire web and sliced into hundreds of wafers by the reciprocating movement of the wire. As the wafering process is performed in the industry by reversing the wire cutting direction, the correlation between the reversing wire speed and the resulting wafer surface is very difficult to determine. In addition to that, since the diamond wire itself is responsible for up to a fifth of the wafering process total cost, a detailed investigation of the wire wear could provide useful information to understand the wear forms. However, as thousands of meters of wire are used in a single multi-wire cut, analysis on tool wear is difficult to perform and is usually done by sampling. Based on the mentioned difficulties found in the reversing DWS, the purpose of the present work is to establish an experimental baseline for future deeper investigations on the DWS of brittle materials such as monocrystalline silicon (mono-Si). For that, a new experimental wire saw test rig that uses a single looped diamond wire to cut brittle materials was designed and built. The test rig was created by the reconfiguration of an ultra-precision machine tool that is fully based on aerostatic bearing technology. In order to use the endless wire saw test rig, a resistance welding device that is capable of butt-welding diamond wires into a loop was also designed and built. As a result, wires with an outer diameter of 350 and 200 µm were successfully welded and used to cut mono-Si on the wire saw test rig. Unlike the reciprocating industrial wafering machines, the endless wire saw can cut with constant cutting speed and normal force. In order to characterize the wire saw test rig, cutting experiments were performed using different input parameters (cutting speed and normal force). The resulting feed speed, workpiece sawn surface roughness, waviness and subsurface damage were investigated and correlated to the input parameters. A second set of cutting experiments was performed to investigate the wear of the diamond wire. For that, a new method was applied to investigate the wear of diamond wires: several diamond grains of a looped diamond wire were tracked during the slicing of monocrystalline silicon. The grains attached to the wire were analyzed by scanning electron microscopy and focus variation microscopy. Based on the observed non-uniformity of the wear over the cross-section perimeter of the wire, the rotation of the wire around its longitudinal axis was investigated. A method that promotes wire rotation during the cut was successfully applied. The form and progression of the wear were also investigated by tracking individual diamond grains during the cutting process. The results showed the occurrence of nickel layer removal/deformation, microchipping of the diamond grains, abrasion wear and sporadic grain pullout.Weingaertner, Walter LindolfoWegener, KonradUniversidade Federal de Santa CatarinaKnoblauch, Ricardo2020-10-21T21:17:10Z2020-10-21T21:17:10Z2019info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis170 p.| il., tabs., gráfs.application/pdf361920https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/215493engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:17:10Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/215493Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:17:10Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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