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Die
Neuerung betrifft eine Drahtsägevorrichtung
nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs.
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Drahtsägevorrichtungen
dieser Art mit einer Bewegung des oder der Drähte oder des zu sägenden Werkstücks sind
bereits bekannt, insbesondere in der Industrie für Elektronikbauteile aus Ferriten, Quarzen
und Kieselerden, um Materialien wie poly- oder einkristallines Silizium
oder Materialien wie GaAs, InP, GGG oder auch Quarz, künstlichen
Saphir und keramische Materialien in dünnen Scheiben, sog. Wafern,
zu gewinnen.
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In
den bekannten Vorrichtungen wird aus benachbarten Drähten, die
beispielsweise mittels einem Satz von mindestens zwei parallel angeordneten
Zylindern aufgespannt sind, eine Sägezone bzw. ein Sägefeld gebildet.
Dabei weisen die Zylinder Rillen auf, die den Abstand zwischen den
Drähten
des Sägefeldes
und somit die Dicke der zu sägenden Scheiben
definieren. Auf diese Weise dienen sie auch als Drahtführungsmittel.
Das zu sägende
Werkstück
selbst ist beispielsweise an einem Tisch befestigt, der sich senkrecht
zu der aus parallel aufgespannten Drähten gebildeten Drahtfeld bzw.
dem Sägefeld
verschiebt, wobei die Verschiebungsgeschwindigkeit die Schneidgeschwindigkeit
definiert. Das den Schnitt bewirkende Mittel ist entweder ein am
Draht fest fixiertes Schleifmittel (festes Korn) oder ein in Gestalt
einer Aufschlämmung
am Draht frei haftendes freies Schleifmittel (freies Korn). Zum
Zersägen
des Werkstückes
in dünne
Scheiben, werden die gespannten Drähte des Drahtfeldes in den
Rillen der Zylinder geführt
bzw. Durch diese Zylinder gezo gen. Die zu sägenden Werkstücke, welche
auch als Ingots, Blöcke
oder Bricks bezeichnet werden, haben üblicherweise die Gestalt eines
Prismas mit runder, rechteckiger, quadratischer oder pseudoquadratischer
Grundfläche.
So werden z. B. zur Herstellung von Solarwafern meist längliche
Blöcke
mit rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt verwendet.
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Da
bei derartigen Sägen,
insbesonders bei der Herstellung von dünnen Wafern, der Durchmesser
des verwendeten Sägedrahtes
den Mindestverlust an Material definiert, werden zur Erhöhung der erzielbaren
Anzahl an Wafern pro kg Brick immer dünnere Drähte verwendet. Da jedoch die
Drähte beim
Sägen ebenfalls
einem Abrieb unterliegen, verringert sich ihr Durchmesser mit jedem
Durchlauf. Durch diese Abnutzung wird die Reißfestigkeit des Sägedrahtes
im Laufe der Zeit stark verringert. Reißt nun ein derartig dünner Sägedraht,
dann muss der gesamte Sägeprozess
gestoppt und das entsprechende Werkstück in seiner Gesamtlänge bzw.
einem Teil seiner Gesamtlänge
verworfen werden. Aufgrund der Abnahme der Reißfestigeit des Sägedrahtes
infolge seines dünnen
Durchmessers bzw. seiner zusätzlichen
Abnutzung muss entweder die Sägegeschwindigkeit
entsprechend reduziert werden oder die Breite des Drahtfeldes von
Anfang an geringer gehalten werden, wodurch die Auslastung der relativ teuren
Sägevorrichtung
ebenfalls verringert wird.
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Der
Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, eine Drahtsägevorrichtung
anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile vermeidet. Dabei soll
die Erfindung insbesonders für
dünne Drähte, d.
h. Drähte
mit einem Durchmesser von ≤ 120 μm, insbesonders ≤ 100 μm geeignet
sein. Besonders soll die Drahtsägevorrichtung
für Drähte bis zu
einem Durchmesser von 60 μm
geeignet sein und auch die Herstellung von Solarwafern mit einer
Kantenlänge
von 6 bzw. 8 Zoll ermöglichen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
neuerungsgemäße Drahtsägevorrichtung
zum Sägen
mindestens eines insbesonders prismatischen Werkstücks weist
ein ebenes Säge- bzw.
Drahtfeld auf, das aus nebeneinander verlaufenden, jedoch voneinander
beabstandeten Drähten gebildet
wird, wobei die Drähte
des Sägefeldes
zwischen Drahtführungsmitteln
aufgespannt sind. Zweckmäßigerweise
wird dabei ein langer Draht verwendet, der von einem ersten Drahtspeicher
her verlaufend um die Drahtführungsmittel
spiralförmig
aufgewickelt ist und nach Gebrauch in einen zweiten Drahtspeicher
aufgenommen wird. Dabei weist die Drahtsägevorrichtung mindestens zwei
Sägefelder auf,
wobei üblicherweise
jedes Sägefeld
einen vorzugsweise unabhängigen
Drahtantrieb aufweist. Als Drahtfeld, Sägezone bzw. Sägefeld wird
derjenige Bereich bezeichnet, der das Werkstück schneidet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst mindestens zwei solche Sägefelder,
die jedoch nicht räumlich
zusammenhängend
angeordnet sein müssen. Dadurch,
dass jedes der Sägefelder
einen eigenen, unabhängigen
Drahtantrieb, ein Drahtführungssystem
sowie ein Drahtzuleitungs- und -ableitungssystem aufweist, ergibt
sich der Vorteil, den Betrieb eines oder mehrerer Sägefelder
zu unterbrechen, beispielsweise nach einem Riss des Sägedrahts,
während
die nicht betroffenen Sägefelder
weiter betrieben werden können.
Prinzipiell ist es auch möglich, bei
einer kurzen Unterbrechung den zerstörten Draht bei Bedarf zu entfernen.
Erfindungsgemäß ist es
daher möglich,
den Materialverlust nur auf den Teil des Werkstückes zu beschränken, der
mit dem gerissenen Drahtfeld gesägt
werden sollte bzw. wie bereits gegenwärtig praktiziert, auf nur einen
Teil dieses Teiles.
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Unter
einem Drahtantrieb ist ein Getriebe oder Motor zu verstehen, der
die vom Drahtspeicher kommende Drahtzufuhreinrichtung und/oder die Drahtabführeinrichtung
und/oder eines oder mehrere der Drahtführungsmittel antreibt. Mehrere
Abtriebsstränge
eines Getriebes stellen unabhängige
Drahtantriebe im Sinne der Neuerung dar, wenn diese unabhängig von
einander zu- und abschaltbar sind, auch dann, wenn das Getriebe
von einem gemeinsamen Motor angetrieben ist. Bevorzugt ist die Geschwindigkeit
der jeweiligen Drahtantriebe regelbar, wodurch es ermöglicht wird,
in den jeweiligen Sägefeldern
verschiedene Werkstücke
mit einer jeweils gewünschten
Geschwindigkeit des Drahtvorschubs zu sägen. Der die Sägefelder
bildende Sägedraht kann
kontinuierlich oder mit alternierende Bewegungsrichtung angetrieben
sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
es vorgesehen, dass die Säge-
bzw. Drahtfelder durch jeweils einen Draht gebildet werden, der
mehrfach, d. h. spiralförmig
um ein Paar von Drahtführungsmitteln
gewickelt ist. Mit dieser Ausführungsform
ist ein kontinuierlicher Antrieb des Sägedrahtes besonders gut durchführbar. Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der Neuerung ist es vorgesehen, dass jedes Sägefeld einen eigenen Drahtspeicher
aufweist, mittels welchen jeweils separate Sägedrähte kontinuierlich förderbar
sind bzw. zugeführt
werden. Dadurch, dass die Sägedrähte der jeweiligen
Sägefelder
nicht zusammenhängend
ausgeführt
sind und über
unabhängige
Drahtspeicher zugeführt
bzw. aufgenommen werden, besteht die Möglichkeit, die einzelnen Sägefel der
völlig
unabhängig
voneinander zu betreiben.
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Es
besteht die Möglichkeit,
mehrere nebeneinander liegende Sägefelder
gemeinsam in einer Ebene anzuordnen, wodurch besonders lange Werkstücke gesägt werden
können.
In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden die Sägefelder jedoch
in zueinander parallel beabstandeten Ebenen angeordnet. Durch das
Anordnen von Sägefeldern
in verschiedenen Ebenen lässt
sich ein zur Verfügung stehender
Raum besser ausnutzen, was besonders in der Massenproduktion, insbesonders
von Wafern, vorteilhaft ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die Sägefelder übereinander
angeordnet, und zwar insbesondere in einer Flucht, wodurch die Beschickung
mit mehreren zu sägenden Werkstücken besonders
einfach und schnell möglich ist.
Die für
die Drahtsägevorrichtung
zur Verfügung stehende
Fläche
wird effektiv genutzt, bzw. die von der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung
benötigte
Fläche
wird vorteilhaft minimiert.
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Dabei
weist eine bevorzugte Ausführungsform
mindestens ein erstes Sägefeld
mit Umlenkrollen zum Umlenken desjenigen Teils des Sägefeldes, d.
h. des Trumes, auf, welches einem zweiten Sägefeld zugewandt ist. Bei der
Zuführung
von Werkstücken
zu Sägefeldern,
welche in benachbarten Ebenen angeordnet sind, können die zurücklaufenden, nicht
sägenden
Drahtfelder bzw. Trume des ersten Sägefelds so umgelenkt werden,
dass mehr Raum für
die dem zweiten Sägefeld
zuzuführenden
Werkstücke
zur Verfügung
steht, wodurch insgesamt die Vorrichtung kompakter wird und daher
weniger Raum benötigt.
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Bei
der beschriebenen Umlenkung ist es beispielsweise möglich, die
zurücklaufenden,
nicht sägenden
Trume des Sägefel des
außen
um das zweite Sägefeld
herum zu leiten. Besonders bevorzugt sind Leertrume des Sägefeldes
eines ersten Sägefelds
jedoch derart über
Umlenkrollen geführt,
dass der Abstand des des Leertrumes des Sägefeldes, also des rücklaufenden,
nicht sägenden
Drahtfeldes auf der Rück-
bzw. Unterseite des ersten Sägefelds
zu den Sägetrumen
des Sägefeldes
eines zweiten Sägefelds
vergrößert wird.
Im Gegenzug wird in dem ersten Sägefeld
der Abstand der Leertrume zu den zugehörigen Sägefeldtrumen (Sägefeld)
verkleinert, und zwar vorzugsweise gerade so weit, wie es die im ersten
Sägefeld
zu sägenden
Werkstücke
zulassen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt
sich, indem die Umlenkrollen verstellbar ausgeführt sind. Dadurch wird eine
Anpassung der jeweiligen Sägefelder
auf verschiedene Größen von
Werkstücken
ermöglicht.
Zudem wird die Bauhöhe
der Sägevorrichtung
verringert, so dass gegebenenfalls auch mehrere Sägevorrichtungen übereinander
angeordnet werden können.
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Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
sind mindestens die Sägetrume
eines Sägefelds
durch eine Stützrolle
unterstützt,
wodurch eine größere Anzahl
an Werkstücken
pro Sägefeld gesägt werden
kann, ohne dass die Durchbiegung der Sägetrume das Sägeergebnis
beeinträchtigt.
Die Stützrolle
trägt zur
Stabilisierung des Sägedrahts
bei, d. h. zur Verringerung von Schwingungen und/oder von Abweichungen
rechtwinklig zur Laufrichtung bei.
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Bei
der erfindungsgemäßen Drahtsägevorrichtung
ist insbesondere durch die übereinander
liegende Anordnung der separaten Sägefelder eine geringere Stellfläche notwendig.
Ebenfalls vorteilhaft ist nur eine Auffangwanne und nur ein Vorrat stank
für ein
Säge- bzw.
Schleifmittel (Sägeslurry)
notwendig, wodurch weitere Kostenvorteile und Platzersparnis erreicht
werden. Mit der erfindungsgemäßen Neuerung
lassen sich bei einer vorgegebenen Raumgröße sowohl pro Grundfläche als
auch pro Raumhöhe mehr
Drahtsägevorrichtungen
in ein Gebäude
einbringen, als dies bei nebeneinander liegenden Anordnung möglich wäre. Auf
diese Weise ist es möglich,
die Sägeleistung
pro Gebäude-
oder Raumgrundfläche
wesentlich zu erhöhen.
Darüber
hinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die
Kosten bei zuführenden
Elementen, wie z. B. der Zuleitung und Lagerung von Sägeslurries,
Strom, Vorratgefäßen, Kühlflüssigkeiten
etc. zu verringern, was zu einer Verringerung der Investitionskosten
und der Betriebskosten pro geschnittener Waferfläche beiträgt.
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Nachfolgend
wird die Neuerung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen
sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Neuerungsgedanken
nicht ein.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drahtsäge;
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2 eine
schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung;
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst die
Sägevorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
ein erstes Sägefeld 10 und
ein zweites Sägefeld 20,
die um jeweils ein Paar bildenden Drahtführungszylinder 3 und 4 bzw. 5 und 6 als Drahtführungsmittel
aufgespannt sind. Die Zylinder wei sen Rillen auf, welche den Sägeabstand
definieren. Die Achsen der Drahtführungsmittel bzw. Zylinder
sind parallel angeordnet und beispielsweise auf einem nicht dargestellten
Maschinenrahmen montiert. Selbstverständlich kann die Vorrichtung
auch mehr als vier Drahtführungszylinder
aufweisen. Die Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6 definieren
mit ihren oberen Mantellinien die parallele Ebenen der Sägefelder 10, 20.
Die separaten Sägedrähte 11, 21 werden
von in 1 veranschaulichten Drahtspeichern 15 bzw. 15', 25 bzw. 25' bereitgestellt,
wobei die Drahtspeicher hier beispielsweise jeweils aus einer Abwickelspule
und einer Aufwickelspule bestehen und wobei die Richtung der Drahtbewegung
durch Pfeile angedeutet ist. Selbstverständlich kann die Richtung der
Drahtbewegung umgekehrt werden.
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Unabhängig voneinander
wirkende Drahtantriebe 12, 22 des ersten und zweiten
Sägefelds 10, 20 sind
schematisch dargestellt und umfassen beispielsweise Antriebswellen
der Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6.
In die Peripherie der Drahtführungszylinder 3, 4, 5, 6 sind
nicht dargestellte Rillen eingraviert, die den Abstand zwischen
benachbarten Drähten
der jeweiligen Sägefelder 10, 20 und
daher die Dicke der gesägten
Scheiben definieren. Bei einem Riss des Sägedrahts in einem der Sägefelder 10, 20 kann
durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Sägevorgang
in dem jeweils anderen Sägefeld
ohne Verzögerung
weiter fortgeführt
werden.
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Die
zu sägenden
Werkstücke 30 sind
an einer nicht dargestellten Aufhängung befestigt. Diese zu sägenden Werkstücke 30 haben
in der Regel eine verlängerte
prismatische Gestalt mit einer runden, quadratischen, pseudoquadratischen
oder rechteckigen Grundfläche.
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Die
separaten Sägedrähte 11, 21 werden von
den Drahtspeichern 15, 25 den Drahtführungszylindern 12, 22 zugeführt und
zwischen den Drahtführungszylindern 12/12 bzw. 22/22 gespannt,
gleichzeitig geführt
sowie gezogen. Der Sägedraht 11, 21 besteht
günstigerweise
aus Federstahl und hat beispielsweise einen Durchmesser, der kleiner
als 200 μm
ist, vorzugsweise sogar kleiner als 120 μm bzw. kleiner 100 μm. Eine zweckmäßige Untergrenze
beträgt
ca. 60 μm.
Damit lassen sich Blöcke 30 aus
harten Materialien oder besonderer Zusammensetzung, insbesondere
für die
Halbleiterindustrie und Solaranlagen, oder aber keramische Materialien
wie das Silicium, Keramik, Verbindungen von Elementen der Gruppen
III-V und II-VI, GGG (Gadolinium-Gallium-Granat), Saphir usw. in
Scheiben einer ungefähren
Dicke von 0,1 bis 5 mm zersägen.
Das Schleifmittel ist ein handelsübliches Erzeugnis und kann
als Diamant, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid usw. in auf dem Draht
fixierter Form oder frei in einer Flüssigkeit aufgeschlämmt vorliegen,
die als Fördereinrichtung für die Schleifmittelteilchen
dient.
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In
der 2 ist eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drahtsäge schematisch
dargestellt, wobei gleich bezeichnete Elemente denen der vorhergehenden
Figuren entsprechen. Die Werkstücke 30 sägende Bereiche
des Sägedrahts
der Sägefelder 10, 20 werden als
Sägetrume 13, 23 bezeichnet,
die rücklaufenden, nicht
sägenden
Bereiche als Leertrume 14, 24. Die Leertrume 14 des
ersten Sägefelds 10 sind
mittels Umlenkrollen 7 so umgelenkt, dass der Abstand zu den
Sägetrumen 23 des
zweiten Sägefelds
erhöht
ist. Dadurch wird vorteilhaft mehr Raum für die Zuführung von Werkstücken 30 zum
zweiten Sägefeld 20 geschaffen.
Sind die Umlenkrollen 7 verstellbar, dann ist die erfin dungsgemäße Anordnung
besonders flexibel für
verschiedene Größen von
Werkstücken
einsetzbar.
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In
der 2 ist eine weitere Ausführungsform der neuerungsgemäßen Drahtsägevorrichtung dargestellt.
Dabei wird, um eine Durchbiegung der Sägetrume 13 zu verringern,
das Sägefeld 10 durch eine
Rolle 8 unterstützt.
Zudem werden dadurch auch Schwingungen des Sägedrahts verringert.