DE10303694A1 - Multi-Wire-Säge mit verbesserter Lagerung der Drahtführungsrollen - Google Patents

Abstract

Drahtsäge zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, bei welcher ein Sägedraht vielfach um Drahtführungsrollen geführt ist, wobei die Drahtführungsrollen eine drehbare Lagerung besitzen und zwei benachbarte Drahtführungsrollen ein Sägegatter begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur drehbaren Lagerung der Drahtführungsrollen keramische Gleitlager besitzen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Multi-Wire-Säge mit einer verbesserten Lagerung der Drahtführungsrollen.
• Für das Zersägen von Blöcken oder Stäben aus nichtmetallischen Werkstoffen, insbesondere Halbleitermaterial, in dünne Scheiben werden überwiegend sog. Multi-Wire-Sägen eingesetzt. Bei diesen Sägen wird dünner Draht von < 0,2 mm Durchmesser unter Hinzufügen einer wässrigen Aufschlämmung von Schleifmittelkorn, vorzugsweise SiC, über das zu zerschneidende Werkstück gezogen, wobei die harten Körner nach und nach einen Materialabtrag verursachen. Für diesen Vorgang ist auch der Ausdruck "Trennläppen" gebräuchlich. Fachleute sprechen generell vom "Slurry-Sägen". Der Sägefortschritt ist bei diesem Verfahren nur sehr langsam, meist weniger als 1 mm pro Minute, so dass eine Wirtschaftlichkeit nur dann erzielt wird, wenn eine Vielzahl von Schnitten gleichzeitig stattfindet. Das wird dadurch erreicht, dass der verwendete Draht 1 vielfach um mit Rillen 2 versehene Umlenkrollen, die Drahtführungsrollen 3, geführt wird und so ein sog. Sägegatter 4 bildet. Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine derartige Anordnung als Perspektivdarstellung und Detailschnitt. Die hohen Anforderungen an Ebenheit und Planparallelität der gesägten Scheiben erfordern nicht nur eine sehr genaue Anordnung der Drahtführungsrillen 2 in den Umlenkrollen 3, sondern auch eine äußerst präzise Lagerung 5 der Rollen 3 selbst.
• Während des meist mehrere Stunden dauernden Sägevorgangs darf in der gesamten Anordnung keinerlei Veränderung auftreten, weil andernfalls die Spezifikation für die gesägten Scheiben nicht eingehalten wird. Die zur Lagerung 5 der Drahtführungsrollen 3 verwendeten Lager 6 sind daher stark vorgespannt und müssen zur Abfuhr der Reibungswärme mittels Kühlmittel 9 gekühlt werden. Um sowohl ein Eindringen des Kühlmittels in die fettgeschmierten metallischen Lager 6 als auch eine Verunreinigung der Kühlflüssigkeit mit Fett 7 aus den Lagern 6 zu verhindern, ist eine aufwendige Abdichtung 8 der Lager 6 der Drahtführungsrollen 3 gegen das Kühlmittel erforderlich.
• Die gesamte Anordnung des Sägegatters 4 und der Umlenk- und Antriebsrollen 3 (Drahtführungsrollen) liegt frei im Arbeitsraum der Säge, weil die zur Erzielung des Materialabtrags notwendige Schleifmittelsuspension ungehindert zu- und abfließen muss. Es ist daher eine weitere, absolut sichere Abdichtung der Lagerungen 5 der Drahtführungsrollen gegen dieses äußerst abrasive Medium erforderlich. Die Drahtführungsrollen 3 weisen ein Kühlsystem auf, welches über mittels Dichtungen 11 abgedichtete Drehdurchführungen 12 mit Kühlmittel 13 versorgt wird.
• Alle Abdichtungen bewirken einen zusätzlichen Energieverzehr durch Reibarbeit 8, 11 an den Dichtstellen, der wiederum zu Erwärmung der Lager 6 und einem Leistungsverlust der Säge führt.
• Es wurde wiederholt vorgeschlagen, das zum Zerspanen des Sägeguts dienende lose Schleifmittelkorn durch direkt auf dem Sägedraht befestigte Diamantpartikel zu ersetzen (z. B. EP-A1- 0982094). Auch in diesem Fall bestehen grundsätzlich die selben Probleme hinsichtlich der Lagerung der Draht-Umlenkrollen wie beim oben beschriebenen Slurry-Sägen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drahtsäge zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, bei welcher ein Sägedraht vielfach um Drahtführungsrollen geführt wird, wobei die Drahtführungsrollen eine drehbare Lagerung besitzen und zwei benachbarte Drahtführungsrollen ein Sägegatter begrenzen (Multi- Wire-Säge) bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik vermeidet.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine Säge, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zur drehbaren Lagerung der Drahtführungsrollen keramische Gleitlager besitzt.
• Die erfindungsgemäß vorgesehenen keramischen Gleitlager ersetzen die im Stand der Technik üblichen, fettgeschmierten metallischen Lager. Sie können vorzugsweise mit jeder Art Flüssigkeit, insbesondere auch mit Wasser, geschmiert werden.
• Die Gleitlager sind vorzugsweise vom Wasser umspült, d. h. das Gleitfilmwasser wird ständig ausgetauscht (Wärmetausch) Hilfssysteme zur Schmierung und Kühlung, die bei ölgeschmierten Gleitlageranwendungen erforderlich sind, entfallen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem keramischen Gleitlager um Gleitlager aus Siliziumcarbid. In der Umgebung Wasser haben keramische Gleitlager herausragend gute Gleiteigenschaften, da Wasser an den Gleitflächen des Siliziumcarbides tribochemisch reagiert und dort eine reibungsmindernde Zwischenschicht bildet.
• Solche Gleitlager sind käuflich erhältlich, beispielsweise bei der Fa. Wacker-Chemie GmbH unter der Bezeichnung EkaSiC® D, EKaSiC® C und EKaSiC® G.
• Keramische Lagerwerkstoffe, insbesondere das für Gleitlager allgemein verwendete Siliziumcarbid, haben gegenüber Metallen einige wesentliche Vorteile.
• - Der E Modul von SiC ist etwa doppelt so hoch wie jener von Stahl. Dadurch ist die Lagersteifigkeit wesentlich höher.
• - Der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC beträgt nur 25% desjenigen von Stahl. Dadurch ist die Verformung der Lagerflächen bei Erwärmung wesentlich geringer.
• - Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist viermal so hoch wie jene von Stahl. Das erleichtert die Wärmeabfuhr.
• - Die Härte von Siliziumcarbid ist mit HV 2500 mehr als 3- fach höher als jene von gehärtetem Stahl. Das bedeutet, dass sich SiC gegenüber Abriebpartikeln von gesägtem Halbleitermaterial in der sog. Verschleiß-Tieflage befindet und daher auch bei Anwesenheit solcher Partikel im Lagerspalt praktisch keine Abnützung erfährt.
• - Siliziumcarbid ist extrem korrosionsbeständig.
• - Siliziumcarbid-Gleitpaarungen benötigen als Schmiermittel keine Öle oder Fette.
• Generell, haben Gleitlager ein besseres Dämpfungsverhalten als Wälzlager, die erfindungsgemäße Säge besitzt daher auch eine erhöhte Laufruhe.
• Die zum Stand der Technik beschriebenen Anforderungen an die Lagerung von Umlenk- und Antriebsrollen für Sägegatter in Multi-Wire-Sägen können mit keramischen Gleitlagern auf wesentlich elegantere und einfachere Weise erfüllt werden als bisher:
  
• - Die Kühlung und Schmierung der Lager kann mit unbehandeltem Wasser gleichzeitig erfolgen.
• - Eine Abdichtung der Lager ist nicht erforderlich. Das zugeführte Wasser kann völlig schadlos aus den Lagerspalten der keramische Gleitlager in den Arbeitsraum der Säge austreten, weil dort sowohl beim Slurry-Sägen als auch beim Sägen mit diamantbelegtem Draht ohnehin Wasser als Suspensionsträger oder Kühlschmierstoff im Überschuss vorhanden ist.
• - Für den Sägevorgang selbst und die Lagerkühlung sind keine getrennten Kreisläufe erforderlich.
• - Durch Wegfall der Dichtungen und geringere Vorspannung läuft die gesamte Lagerung wesentlich leichter: Es geht weniger Draht-Zugkraft für die Mitnahme der Rollen verloren.
• Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Säge daher keine Dichtungen für die Lager der Drahtführungsrollen.
• Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Säge keine gesonderte Kühlung der Lager der Drahtführungsrollen, sondern die Kühlung erfolgt durch ein Lagerschmiermittel, vorzugsweise Wasser.
• Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Detailschnitt einer erfindungsgemäßen Lagerung 15 einer Drahtführungsrolle 3. Zur drehbaren radialen Lagerung des Achszapfens 14 der Drahtführungsrolle 3 weist dieser eine keramische Buchse 16 auf, dessen zylindrische Außenfläche mit einer entsprechenden zylindrischen Innenfläche einer im Lagergehäuse 18 festgelegten Buchse 17 unter Ausbildung eines Lagerspaltes 19 zusammenwirkt.
• Zur axialen Lagerung der Drahtführungsrolle 3 trägt das Lagergehäuse 18 stirnseitig keramische Anlaufscheiben 21, welche mit entsprechend an der Drahtführungsrolle 3 bzw. an dessen Achszapfen 14 axial festgelegten Führungsscheiben 22 unter Ausbildung eines Axiallagerspaltes 23 zusammenwirken. In besonders vorteilhafter Weise ist das axiale Spiel der Drahtführungsrolle 3 mittels Distanzstück 24 und einer Verschraubung 25 einstellbar ausgeführt.
• Das Fluid 26 wird über eine Zufuhrbohrung 27 im Lagergehäuse 18 und in der keramischen Buchse 17 dem radialen Lagerspalt 19 sowie auch den axialen Lagerspalten 23 zugeführt und tritt aus diesen frei in die Umgebung aus. Die Lagerspalte sind in der Fig. 3 der Deutlichkeit halber übertrieben groß dargestellt.
• Das Fluid 26 bewirkt sowohl die Schmierung, als auch die Kühlung des Lagers. Fig. 3 zeigt somit deutlich, dass bei der erfindungsgemäßen Säge auf eine aufwändige zusätzliche Schmierung wie sie gemäß Stand der Technik erforderlich ist, verzichtet werden kann.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abtrennen einer Halbleiterscheibe von einem Einkristall mittels einer Säge, bei welchem sich ein Sägedraht in mehreren Sägespalten durch den Einkristall arbeitet, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass als Säge eine erfindungsgemäße Säge eingesetzt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Erhöhung der Ausbeute an Halbleiterscheiben aus dem Einkristall, da die erfindungsgemäße Säge eine Verringerung der Schnittbreite durch eine Verringerung des Durchmessers des Sägedrahts ermöglicht. Üblicherweise sind die das eigentliche Sägegatter bildenden Umlenkrollen einer Multi-Wire-Säge nicht alle angetrieben. Der Draht muss daher die nicht angetriebenen Rollen selbst mitnehmen, die dafür notwendige Zugkraft steht nicht mehr für die Sägearbeit zur Verfügung. Da zur Verringerung des Verlustes an teurem Ausgangsmaterial die Schnittbreite möglichst gering gehalten werden muss, ist man bestrebt, den Durchmesser des Sägedrahts so klein wie möglich zu halten. Da die zur Mitnahme der nicht angetriebenen Umlenkrollen notwendige Kraft in der erfindungsgemäßen Säge durch Senkung der Verluste im Lager- und Dichtungssystem reduziert ist, kann auch der Drahtdurchmesser in der erfindungsgemäßen Säge verkleinert werden. Da der Materialverlust zum Teil mehr als die Hälfte der gesamten Sägekosten ausmacht, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil verbunden.

Claims (5)

1. Drahtsäge zum Abtrennen von Scheiben von einem Werkstück, bei welcher ein Sägedraht vielfach um Drahtführungsrollen geführt ist, wobei die Drahtführungsrollen eine drehbare Lagerung besitzen und zwei benachbarte Drahtführungsrollen ein Sägegatter begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur drehbaren Lagerung der Drahtführungsrollen keramische Gleitlager besitzt.

2. Drahtsäge gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Gleitlager aus Siliziumcarbid besteht.

3. Drahtsäge gemäß Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Gleitlager durch ein Lagerschmiermittel, vorzugsweise Wasser erfolgt.

4. Drahtsäge gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zugeführte Wasser aus den Lagerspalten der keramische Gleitlager austreten kann.

5. Verfahren zum Abtrennen einer Halbleiterscheibe von einem Einkristall mittels einer Säge, bei welchem sich ein Sägedraht in mehreren Sägespalten durch den Einkristall arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Säge eingesetzt wird.