DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif de sciage d'une pièce en matériau dur ou fragile qui comprend une nappe de fils métalliques parallèles et se déplaçant linéairement en un mouvement continu et/ou alternatif entre deux cylindres de guidage.
On connaît déjà des dispositifs de sciage du type précité dans l'industrie des composants électroniques notamment, utilisés pour le sciage en tranches minces, par exemple de silicium poly- ou monocristallin, de matériaux nouveaux tels que GaAs, InP, etc., ou encore de quartz, de saphir synthétique, voire de céramiques. Le prix élevé de ces matériaux rend attractif le sciage par fil comparativement à d'autres méthodes telles que les scies à disques. Toutefois, la technique du sciage par fils présente également un inconvénient important, puisque la qualité du sciage dépend dans une grande mesure de la manière avec laquelle un mélange abrasif est amené au niveau du contact entre le fil et le matériau à scier.
Or, dans les dispositifs connus, le mélange abrasif est amené par des systèmes d'arrosage, par des gicleurs ou par des buses d'injection, soit sous pression, soit par simple gravité. Malheureusement, de très faibles modifications dans la distribution du mélange abrasif risquent de compromettre la qualité du sciage, par exemple en fournissant des plaquettes découpées ayant un état de surface inadéquat.
Le réglage de cette distribution est d'autant plus délicat que la
portée de la nappe de fils est importante, ce qui correspond à la ten
dance actuelle visant au sciage de pièces de plus grandes dimensions
ou de plusieurs pièces simultanément.
Le but de cette invention consiste donc à remédier à l'inconvé
nient précité en fournissant un dispositif de sciage du type men
tionné précédemment, mais qui ne nécessite aucun réglage délicat de
la distribution de mélange abrasif, de manière à assurer en toutes
circonstances un sciage et un état de surface satisfaisants, à augmen
ter le rendement en diminuant les déchets, à permettre une vitesse de
sciage et une capacité accrues.
Le dispositif de sciage selon l'invention, visant à atteindre le
but précité, présente les caractéristiques énoncées dans la revendica
tion 1.
Le dessin annexé illustre systématiquement et à titre d'exemple
une forme d'exécution du dispositif de sciage selon l'inventinn.
Les figures 1 et 2 en sont des vues générales de face et de côté,
respectivement.
La figure 3 est une vue en perspective d'un détail montrant la
tête de sciage et la pièce à scier.
La figure 4 est une vue partiellement en coupé et partiellement en
plan d'une portion de surface d'un cylindre de guidage de la nappe
de fils.
Comme illustré sur le dessin annexé, la forme d'exécution du dis
positif selon l'invention décrite ci-après à titre d'exemple comprend
une tête de sciage (figure 3) comportant trois cylindres disposés en
un triangle isocèle, un premier cylindre 1 étant entraîné en rotation
sur son axe longitudinal par un moteur 2 (figure 2), les deux autres
cylindres 3, 4 étant montés fous sur leur axe longitudinal parallèle
à celui du premier cylindre 1 et servant de guides pour le fil de
coupe 5.
Le fil de coupe ou de sciage 5 est enroulé sur les trois cylindres 1, 2, 3, présentant chacun des gorges circulaires 6 équidistantes selon un pas donné dans le revêtement extérieur 7 dudit cylindre (figure 4), de manière à former à la base horizontale supérieure du triangle formé par les trois cylindres une nappe continue 8 de fils parallèles et équidistants (figure 3). Le fil de sciage 5 unique formant la nappe 8 est amené sur la tête de sciage par un système, connu en soi, visant en outre à assurer audit fil une tension déterminée et réglable.
Ce système (figure 1) comporte une bobine d'alimentation 9 et une bobine réceptrice 10, trois séries de poulies folles 11, 12, 13, la dernière servant notamment à l'essuyage du fil, ainsi que deux balanciers 14 et deux cabestans 15, ceux-ci permettant d'obtenir un couple constant quelle que soit la vitesse de défilement du fil.
Le dispositif comprend en outre un bac 16 ouvert vers le haut, rempli d'un mélange abrasif liquide 17, et dans lequel la tête de sciage, et plus particulièrement la nappe de fils 8, est immergée. Une porte d'accès (non montrée) est prévue sur la face frontale de ce bac.
Le mélange abrasif liquide peut être agité et renouvelé soit en continu, soit de temps en temps selon une fréquence à choisir; pour cela, le bac 16 est muni d'un déversoir de trop-plein 18 aboutissant à un orifice inférieur de sortie 19. Un réservoir 20 de mélange abrasif est prévu au-dessous de cette sortie afin de récupérer ledit mélange et éventuellement de le régénérer. Une pompe 21 permet d'amener le mélange abrasif 16 du réservoir 20 dans le bac 16.
Enfin, le dispositif comporte encore des moyens pour supporter et déplacer verticalement le matériau à scier. Ces moyens comprennent notamment une tablette porte-pièce 22 sur laquelle est fixé le bloc de matériau 23 à scier. Plus particulièrement, celui-ci est généralement collé, par exemple à la cire, sur une plaque, par exemple en verre 24, elle-même fixée sur la tablette-support 22. Cette tablettesupport 22 est maintenue horizontalement par deux bras 25, ceux-ci étant guidés verticalement et pouvant être entraînés en un mouvement vertical de bas en haut par un moteur 26 actionnant une vis d'entraînement 27 avec laquelle coopèrent les deux bras 25. Un ressort 28 agissant sur les bras 25 permet le retour en position inférieure de départ de la tablette 25, une fois l'opération de sciage terminée et l'action du moteur interrompue.
Le fil de sciage 5 est généralement constitué par du fil en acier ressort de 0,1 à 0,2 mm de diamètre dans le cas du sciage de blocs de silicium en tranches de 0,3 à 0,4 mm; on peut alors, à titre d'exemple, utiliser une nappe 8 de fils 5 formée de 300 à 400 tours, avec un pas de 0,5 à 0,6 mm entre chaque tour. On doit alors disposer d'une longueur totale de fil de plusieurs dizaines de kilomètres pour une durée de sciage de 5-6 heures, et avec une vitesse de défilement du fil de 1 à 5 m/sec permettant une avance de sciage de l'ordre de 300 Il/min. Cette avance de sciage est contrôlée par la vitesse de déplacement vertical du support 23 entraîné par le moteur 26, lequel doit donc être en mesure d'assurer par la vis intermédiaire 27 une vitesse de 0,1 à 1 mm/min.
D'autres types de fils, en général métalliques, peuvent être utilises, par exemple en tungstène, la nature du matériau pouvant dépendre notamment de celle du matériau à scier.
Les cylindres, respectivement d'entraînement 1 et guide-fils 2, 3, sont généralement en acier et munis d'un revêtement 7 dans lequel sont pratiqués les sillons 6 pour le guidage du fil 5. Ce revêtement 7 doit présenter des propriétés antiglissement et est par conséquent réalisé en un matériau présentant une certaine élasticité, par exemple en un polyuréthane comme l' Adipréne (Dupont), le Vulcolan (Bayer), etc. Dans le cas de l'exemple mentionné précédemment du sciage d'un bloc de silicium en 300-400 plaquettes d'une épaisseur de 0,3 à 0,4 mm, on utilise des cylindres ayant une longueur d'environ 200 mm et d'un diamètre total de 100 mm, le revêtement antiglissement 7 ayant une épaisseur d'environ 7-8 mm.
Quant aux sillons 6, ils ont alors, pour un pas d'environ 0,6 mm, une profondeur d'environ 0,25 mm et présentent en coupe la forme d'un V ayant un angle de l'ordre de 90 .
En ce qui concerne le mélange abrasif, il est en principe constitué d'un liquide-support dans lequel est suspendu un abrasif solide. Plus particulièrement, ce mélange peut être formé, par exemple, d'un liquide aqueux ou huileux et de carbure de silicium ou de bore, d'un mélange d'eau, de carbure de silicium et d'un agent tensio-actif, tel que la carboxyméthyl-cellulose, d'un mélange de glycérine et de carbure de bore, ou encore d'un mélange contenant de la pâte diamantée, etc. Le mélange abrasif doit être de préférence agité soit par le seul mouvement du fil, soit par des moyens séparés tels que brasseur ou pompe, ou bien, comme illustré sur le dessin annexé, par circulation.
Ainsi, grâce au fait que, selon l'invention, l'opération de sciage par fil est réalisée de telle sorte que ledit fil et le matériau à scier soient complètement immergés, au moins au niveau de la zone de sciage elle-même, dans un mélange abrasif, l'efficacité et la réussite de cette opération ne sont plus tributaires des réglages difficiles de l'amenée dudit mélange abrasif, qui sont indispensables avec les dispositifs connus. On peut en effet, avec le dispositif selon l'invention, éliminer pratiquement complètement les sciages défectueux, augmenter la vitesse et la capacité de sciage, diminuer les déchets et améliorer la qualité de surface des plaquettes sciées.
De plus, I'efficacité de l'action de l'abrasif étant optimale, le fil de sciage est moins sollicité et donc moins rapidement usé; de plus, il est possible avec le dispositif selon l'invention de scier des matériaux plus délicats, pour lesquels l'état de surface requis empêchait l'utilisation de machines à apport d'abrasif par buses ou douches.
Bien entendu, d'autres types de dispositifs peuvent être prévus, dans le cadre de la présente invention, dans lesquels la zone de sciage par fil est noyée dans le mélange abrasif. La tête de sciage peut en effet présenter d'autres formes, toujours dans la catégorie des dispositifs à fil à déroulement continu, par exemple avec les cylindres disposés aux sommets d'un carré ou d'un rectangle, au lieu d'un triangle. D'autres catégories peuvent également être envisagées, avec trame de fils se déplaçant en un mouvement alternatif, avec ou sans avance continue du fil, voire avec déplacement alternatif du matériau à scier lui-même.
DESCRIPTION
The present invention relates to a device for sawing a piece of hard or fragile material which comprises a sheet of parallel metal wires and moving linearly in a continuous and / or reciprocating movement between two guide cylinders.
Sawing devices of the aforementioned type are already known in the electronic components industry in particular, used for sawing thin slices, for example of poly- or monocrystalline silicon, of new materials such as GaAs, InP, etc., or else quartz, synthetic sapphire, or even ceramic. The high price of these materials makes wire sawing attractive compared to other methods such as disc saws. However, the wire sawing technique also has a significant drawback, since the quality of sawing depends to a large extent on the manner in which an abrasive mixture is brought into contact with the wire and the material to be sawn.
However, in known devices, the abrasive mixture is supplied by sprinkler systems, by nozzles or by injection nozzles, either under pressure or by simple gravity. Unfortunately, very small changes in the distribution of the abrasive mixture can jeopardize the quality of sawing, for example by providing cut inserts with an inadequate surface finish.
The adjustment of this distribution is all the more delicate as the
span of the ply of wires is important, which corresponds to the ten
current dance aimed at sawing larger pieces
or several pieces simultaneously.
The aim of this invention therefore consists in remedying the inconvenience
deny the above by providing a sawing device of the men type
previously mentioned, but which does not require any delicate adjustment of
the distribution of abrasive mixture, so as to ensure in all
circumstances a satisfactory sawing and surface finish, to increase
ter the yield by reducing waste, to allow a speed of
sawing and increased capacity.
The sawing device according to the invention, aimed at achieving the
aforementioned purpose, has the characteristics set out in the claim
tion 1.
The attached drawing illustrates systematically and by way of example
an embodiment of the sawing device according to the inventinn.
FIGS. 1 and 2 are general front and side views thereof,
respectively.
Figure 3 is a perspective view of a detail showing the
saw head and the workpiece.
Figure 4 is a view partially in section and partially in
plane of a surface portion of a sheet guiding cylinder
of sons.
As illustrated in the appended drawing, the embodiment of the dis
positive according to the invention described below by way of example comprises
a saw head (Figure 3) comprising three cylinders arranged in
an isosceles triangle, a first cylinder 1 being driven in rotation
on its longitudinal axis by a motor 2 (Figure 2), the other two
cylinders 3, 4 being mounted idly on their parallel longitudinal axis
to that of the first cylinder 1 and serving as guides for the wire of
section 5.
The cutting or sawing wire 5 is wound on the three cylinders 1, 2, 3, each having circular grooves 6 equidistant at a given pitch in the outer covering 7 of said cylinder (Figure 4), so as to form at the base upper horizontal of the triangle formed by the three cylinders a continuous sheet 8 of parallel and equidistant wires (Figure 3). The single saw wire 5 forming the ply 8 is brought to the saw head by a system, known per se, which further aims to provide said wire with a determined and adjustable tension.
This system (FIG. 1) comprises a supply coil 9 and a take-up coil 10, three sets of idler pulleys 11, 12, 13, the latter being used in particular for wiping the wire, as well as two pendulums 14 and two capstans 15 , these making it possible to obtain a constant torque whatever the running speed of the wire.
The device further comprises a tank 16 open upwards, filled with a liquid abrasive mixture 17, and in which the saw head, and more particularly the ply of wires 8, is immersed. An access door (not shown) is provided on the front of this tank.
The liquid abrasive mixture can be agitated and renewed either continuously or from time to time according to a frequency to be chosen; for this, the tank 16 is provided with an overflow weir 18 leading to a lower outlet orifice 19. A tank 20 of abrasive mixture is provided below this outlet in order to recover said mixture and possibly regenerate it . A pump 21 makes it possible to bring the abrasive mixture 16 from the reservoir 20 into the tank 16.
Finally, the device also includes means for supporting and vertically moving the material to be sawed. These means include a workpiece shelf 22 on which is fixed the block of material 23 to be sawed. More particularly, the latter is generally bonded, for example with wax, to a plate, for example made of glass 24, itself fixed to the support shelf 22. This shelf support 22 is held horizontally by two arms 25, these ci being guided vertically and being able to be driven in a vertical movement from bottom to top by a motor 26 actuating a drive screw 27 with which the two arms cooperate 25. A spring 28 acting on the arms 25 allows the return to the lower position of departure of the tablet 25, once the sawing operation has ended and the action of the motor has been interrupted.
The saw wire 5 is generally constituted by steel wire spring from 0.1 to 0.2 mm in diameter in the case of sawing silicon blocks in slices of 0.3 to 0.4 mm; one can then, for example, use a ply 8 of wires 5 formed from 300 to 400 turns, with a pitch of 0.5 to 0.6 mm between each turn. We must then have a total length of wire of several tens of kilometers for a sawing time of 5-6 hours, and with a wire running speed of 1 to 5 m / sec allowing a sawing advance of the order of 300 Il / min. This sawing advance is controlled by the speed of vertical displacement of the support 23 driven by the motor 26, which must therefore be able to ensure by the intermediate screw 27 a speed of 0.1 to 1 mm / min.
Other types of wire, generally metallic, can be used, for example in tungsten, the nature of the material possibly depending in particular on that of the material to be sawn.
The cylinders, respectively of drive 1 and wire guide 2, 3, are generally made of steel and provided with a coating 7 in which the grooves 6 are made for guiding the wire 5. This coating 7 must have anti-slip properties and is therefore made of a material with a certain elasticity, for example a polyurethane such as Adipréne (Dupont), Vulcolan (Bayer), etc. In the case of the previously mentioned example of sawing a block of silicon in 300-400 wafers with a thickness of 0.3 to 0.4 mm, cylinders having a length of about 200 mm and d are used. '' a total diameter of 100 mm, the non-slip coating 7 having a thickness of approximately 7-8 mm.
As for the grooves 6, they then have, for a pitch of approximately 0.6 mm, a depth of approximately 0.25 mm and have in section the shape of a V having an angle of the order of 90.
As regards the abrasive mixture, it in principle consists of a liquid carrier in which a solid abrasive is suspended. More particularly, this mixture can be formed, for example, of an aqueous or oily liquid and of silicon carbide or of boron, of a mixture of water, of silicon carbide and of a surfactant, such as carboxymethyl cellulose, a mixture of glycerin and boron carbide, or a mixture containing diamond paste, etc. The abrasive mixture should preferably be agitated either by the single movement of the wire, or by separate means such as a stirrer or pump, or alternatively, as illustrated in the accompanying drawing, by circulation.
Thus, thanks to the fact that, according to the invention, the wire sawing operation is carried out so that said wire and the material to be sawed are completely immersed, at least at the level of the sawing zone itself, in an abrasive mixture, the efficiency and success of this operation are no longer dependent on the difficult adjustments of the supply of said abrasive mixture, which are essential with known devices. It is indeed possible, with the device according to the invention, to virtually eliminate defective sawn timber, increase the speed and capacity of sawing, reduce waste and improve the surface quality of sawn inserts.
In addition, the effectiveness of the action of the abrasive being optimal, the saw wire is less stressed and therefore less rapidly worn; in addition, it is possible with the device according to the invention to saw more delicate materials, for which the required surface condition prevented the use of machines for supplying abrasive by nozzles or showers.
Of course, other types of device can be provided, within the framework of the present invention, in which the wire sawing zone is embedded in the abrasive mixture. The saw head can indeed have other shapes, still in the category of wire devices with continuous unwinding, for example with the cylinders arranged at the vertices of a square or a rectangle, instead of a triangle. Other categories can also be envisaged, with weft of wires moving in an alternating movement, with or without continuous advance of the wire, or even with alternating movement of the material to be sawn itself.