KR20240042105A - 와이어 톱과 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조화된 와이어 톱을 형성하기 위한 방법에 관한 것으로서, 적어도 2차원 구조를 갖는 금속 와이어를 와이어에 주로 소성 변형으로 돌출부가 형성되도록 와이어의 종축을 따라 와이어가 압축되는 방식으로 형성하는 방법, 압착 중 전체 와이어 단면의 최대 20%, 특히10%가 탄성 변형 범위에 있는 반면, 와이어의 나머지 단면적은 소성 변형되는 방법에 관한 것이다.

Description

와이어 톱과 그 제조 방법

본 발명은 와이어 톱과 그 제조 방법에 관한 것이다.

이하, 금속 및 광물 재료, 특히 전자 부품 생산을 위한 웨이퍼를 절단하는 데 사용되는 와이어 톱에 대해 상술하기로 한다.

예를 들어, 이러한 목적을 위한 실리콘 로드를 조각으로 절단하는 것이 알려져 있으며, 이때 절단은 가이드 롤러로 금속 와이어를 둘레로 안내하여 수행되고, 이때 절단할 로드는 절단 영역에 있고, 절단 와이어에 의해 연마되어 절단된다.

보다 정확하게 말하면, 절단할 로드의 재료는 금속 와이어 자체에 의해 절단되는 것이 아니라, 와이어에 의해 절단 틈으로 운반되는 슬러리 내의 연마 성분에 의해 절단된다. 따라서 이를 와이어 커팅 래핑이라고도 하는데, 이때 와이어는 권출 코일로부터 권취 코일까지 세로 방향으로 이동하며, 와이어가 한 방향으로만 이동할 수도 있고, 와이어의 이동 방향이 지속적으로 방향 전환될 수도 있다. 따라서 와이어는 연마 성분을 절단 틈으로 가져올 수 있어야 하며, 상기 연마 성분이 침식적으로 절단할 재료에 효과를 미칠 수 있도록 해야 한다. 이때, 슬러리(slurry)는 혼합물로, 예를 들어, 비교적 점도가 높은 글리세린과 탄화 규소 입자로 구성된다. 단단하고 작은 탄화규소 입자는 가공할 재료의 기본 매트릭스로부터 미세한 입자를 분리한다. 물론, 다른 오일이나 액체 캐리어 매체 및 기타 단단한 재료도 가능하다.

그러나 와이어 톱이 이러한 슬러리를 운반하기 위해서는 점성이 높은 슬러리를 운반할 수 있는 표면 설계가 필요하다. 오직 원통형 와이어만 접착 상호 작용을 통해서만 슬러리를 운반하지만, 절단 공정으로 인해 슬러리가 바로 벗겨지고 절단 효과가 손실된다.

와이어의 슬러리 운반력을 향상시키기 위해, 와이어 톱에는 구조가 구비되는데, 이 구조는 소위 크림프(crimp)에 의해 적용된다. 압착(crimping)은 하나의 구조가 와이어에 스탬핑(stamping) 되는 규칙적인 굽힘 과정으로, 예를 들어 90° 오프셋 된 두 개의 기어를 이용해 와이어를 기계적으로 가운데 중앙부에서부터 소성적으로 방향을 바꾸거나 굽히는 과정이다. 이때, 이 구조는 와이어를 둥근 팁(tip), 예를 들어 적절한 모양의 기어 톱니에 대하여 구부려 만들어진다.

물론 이러한 와이어는 절단 과정 중에 마모될 수 있는데, 운반된 연마 입자가 절단할 재료 뿐만 아니라 와이어에도 영향을 미치거나 절단할 재료 역시 와이어에 연마 효과를 줄 수 있기 때문이다. 특히, 와이어는 바깥에서 압착부의 외측에서 마모되며, 과도한 마모는 와이어가 늘어나 더 이상 충분한 슬러리도 운반할 수 없게 되어 압착이 손실되는 원인이 될 수 있다.

WO2018/149631 A1에는 와이어 톱, 와이어 가이드 롤러 및 하나의 로드에서 다수의 조각을 동시에 분리하는 방법이 공지되어 있다. 여기에서, 상기 언급한 방법을 위해 매끄럽고 둥근 강철 와이어로 만들어진 구조화된 와이어는 특히 중요한 의미를 지니며, 상기 강철 와이어는 주기적으로 전체 길이를 따라 와이어 단면적의 형태 및 크기 변경 없이 와이어의 세로 방향에 수직으로 동일한 양만큼 이동된 단면을 가진다고 상술되어 있다. 이러한 변위는 흔히 크림프(crimp)라고 하며, 변위량을 크림프의 진폭, 변위 사이의 세로 방향 길이를 파장이라고 칭한다. 본 개시에는 또한 크림프 간의 틈이 포켓 또는 저장소 역할을 하여, 와이어가 와이어의 수직 방향으로 이동할 때, 와이어로부터 슬러리가 벗겨짐 없이, 매끄러운 와이어와 비슷한 직경의 크림프 간 틈에서 가능한 것보다 더 많은 슬러리가 운반될 수 있다고 상술되어 있다. 구조화된 와이어의 경우, 외피는 상기 구조화된 와이어 전체를 완전히 포함하는 가장 작은 직경의 직선형 원형 실린더로 정의된다. 이 직선형 원형 실린더의 기본 단면은 구조화된 와이어의 유효 직경인 실린더 기본 단면 직경의 유효 단면으로 정의되고, 실린더 외피의 세로축은 구조화된 와이어의 세로축으로 정의된다. 코어 와이어의 직경은 130 μm 내지 175 μm 사이여야 하며, 구조화된 와이어 외피의 직경은 코어 와이어 직경의 1.02 배 내지 1.25배여야 한다. 마모로 인해, 크림프의 노출된 팁 부분에 이방성 마모가 나타나고, 해당 부분의 와이어가 타원형이 된다.

WO2015/119344 A1에는 장력 하에서도 압착된 특성을 유지하도록 구조화된 소잉 와이어가 기술되어 있다. 본 개시에서는 절단 재료를 운반하기 위해, 소잉 조건에서 와이어의 구조를 유지해야 할 필요성도 설명하고 있다. 이 와이어 톱은 지그재그 방식으로 연속적인 압착 부분(crimping)을 구비하고 있어야 하며, 실제 압착의 굽힘 반경은 와이어 자체 직경의 5 내지 20배이다. 소잉 과정에서 이 와이어는 크림프의 구부러진 부분을 여는 방향으로 세로 방향의 장력을 받는다. 이로써 압착 진폭이 감소하고 와이어가 늘어난다. 굽힘 반경이 단지 와이어 직경의 5배 이하인 경우 과도한 굽힘이 발생하여 제조 과정 중에 와이어가 파손될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 반면, 와이어 직경의 20배보다 큰 굽힘 반경은 절단 장력이 가해질 때 절단 와이어가 매우 쉽게 늘어나서 와이어의 마모 정도가 크게 증가하고 절단 효율성이 감소된다. 또한 압착은 2차원적으로 수행되어야 할 뿐만 아니라 종축을 중심으로 압착을 회전시켜 3차원적으로 수행하여 크림프가 XZ 평면과 YZ 평면에 교대로 놓이게 함으로써 나선형이 생성된다. 이로써 슬러리 운반이 향상되어 절단 용량이 증가된다.

본 발명의 과제는 종래 기술에 비해 개선되어 마모에 더욱 영향을 받지 않는 기하학적 형태 안정성을 갖는 와이어 톱을 제조하는 와이어 톱 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 1항의 특징을 가진 방법으로 해결된다.

유리한 바람직한 기타 실시예들은 종속항에 명시되어 있다.

또 다른 과제는 형태 변화의 영향을 받지 않아 연마제를 운반하는 능력이 유지되도록 내마모성이 개선된 기하학적 형태 안정성을 갖는 와이어 톱을 생성하는 것이다.

상기 과제는 청구항 12항의 특징을 가진 와이어 톱으로 해결된다.

바람직한 또다른 실시예들은 종속항에 명시되어 있다.

형태 안정성을 보장하기 위해 와이어의 인장 잔류 응력을 증가시키는 접근법은 배경기술에 서술되어 있다. 그러나 발명가들은 더 높은 인장 잔류 응력이 와이어의 외부 상에 위치하고 깊이 1 내지 3 μm의 응력이 소성 변형으로 즉시 감소하기 때문에 그 영향이 크지 않다는 것을 발견했다.

본 발명에 따르면, 와이어 톱은 구조화된다. 구조화는 균형 문제에 대한 해결책으로서, 즉, 와이어는 변형에 사용되는 세 개의 기어 팁(마주하는 두 개의 팁, 스탬핑되는 한 개의 팁) 사이에서의 위치를 찾는 시도를 하는 것이다. 이때, 와이어는 압착 지점에서 소성 힌지(plastic hinge)를 형성하게 되며, 기어 팁은 적절한 반경을 갖는다. 예를 들어, 적절한 반경은 와이어 직경의 1내지3배 정도이다. 이로써 외부 섬유의 실제 신장률은 10% 내지 30%, 특히 약 17% 내지 23%일 수 있다. 따라서 전체 와이어 단면의 최대 20%, 특히 최대 10%가 탄성 변형 되는 반면, 와이어의 나머지 단면적은 소성 변형된다. 높은 소성 변형은 와이어의 인장 강도를 총 2%내지 6% 만큼만 감소시키며, 이는 소성 힌지의 하중 용량에 해당한다.

따라서 외측의, 압착된 와이어의 압착 위치에서, 응력이 와이어의 필연적 순간 균형에 의해 인장 잔류 응력이 되기 전, 직경에 따라 표면 아래 20 내지 40 μm에 달하는 압축 응력이 발생한다. 높은 소성 변형으로 인해 와이어는 외부 조건의 변동에 거의 둔감해지는데, 이는 0.3 - 0.8 μm의 마모는 기계적 조건의 1 - 2% 변화만을 의미하기 때문이다.

본 발명에 따르면, 압착 중에 와이어에 인장력이 가해지면 와이어의 가능한 형태의 범위가 늘어날 수 있다. 특히, 이러한 인장력이 인장 강도(Rm) 및 와이어 단면(A)의 곱의 최소 8%, 특히 최소 12% 및 최대 35%, 특히 최대 24%가 되도록 치수를 설정하는 것이 바람직한 것으로 입증되었다. 이러한 인장 응력은 소성 변형 범위를 더욱 증가시켜 외부 마모 조건에 의한 와이어 형상의 영향을 더욱 줄일 수 있고 와이어 형상의 가능한 형태에 대한 제한이 더욱 줄어들게 된다.

압착 중 인장력으로 인한 인장 응력은 시스템으로 인해 압착 후에 더 이상 존재할 수 없으므로 외부 섬유에 있는 완성된 와이어에 압축 응력만 발생한다.

본 발명에 따른 영향 변수는 기어 헤드의 형상, 특히 기어 치형의 반경, 구조화 중 인장력 및 항복점 비율 (Re/Rm)이다.

본 발명은 특히 구조화된 와이어 톱 제조 방법에 관한 것으로서, 적어도 2차원 구조를 갖는 금속 와이어가 소성 변형으로 와이어에 돌출부가 형성되도록 와이어가 와이어의 종축을 따라 압착되는 방식으로 형성되며, 압착 중 인장 응력은 와이어 인장 강도의 10 내지 20% 범위에서 적용된다.

또 다른 실시예에서, 3차원 구조를 생성하기 위해 와이어가 여러 개의 서로 각진 평면으로 압착된다.

또 다른 실시예에서, 와이어가 압착 중에 소성 힌지를 형성하며, 이때 굽힘 반경은 와이어 직경의 1 내지 2배 정도이므로 실제 신장률은 약 17% 내지 23%로, 특히 약 20% 정도이다.

또 다른 실시예에서, 항복점이 1.5 내지 1.7%에서 시작되며, 이때 전체 와이어 단면의 최대 5 내지 20%가 탄성 변형 범위에 있고, 와이어의 나머지 80 내지 95%가 소성 변형되기 때문에 소성 변형은 와이어의 인장 강도를 소성 힌지의 하중 용량에 해당하는 총 2 내지 6% 만큼만 감소시킨다.

또 다른 실시예에서, 외측의, 압착된 와이어의 압착 위치에서, 응력이 인장 잔류 응력이 되기 전, 표면 아래로 20 내지 40 μm에 달하는 압축 응력이 발생한다.

또 다른 실시예에서, 특히 적절한 모양의 기어 톱니 또는 규칙적으로 타격하는 변형 핀을 사용하여 와이어가 둥근 팁으로 구부려진다.

또 다른 실시예에서, (양쪽으로부터 와이어에 부딪히는) 변형 거리가 와이어 직경의 약 10 내지 15배이고, 이에 따라 파장은 직경의 약 20 내지 30배가 된다.

또 다른 실시예에서, 80°에서 90°까지 오프셋 된 방향과 상관 없이 구조가 적용되고, 이때 그 결과로 생겨난 파장이 가능한 가장 큰 최소 공배수를 갖도록 보장한다.

또 다른 실시예에서, 와이어 톱의 와이어 필드 내 작업 장력에서 와이어의 외견상 직경(세로 방향의 포위원 직경)이 약 8 내지 12 μm, 특히 10 μm 인 경우 및/또는 인장력이 적용되지 않는 경우, 실제 와이어 직경보다 8 내지 24%, 특히 10 내지 20% 더 크도록 진폭이 설정된다.

또 다른 실시예에서, 와이어 재료의항복점 비율(Re/Rm)이 85 내지 95%, 특히 90%로 설정된다.

본 발명의 또 다른 측면은 특히 상기 서술된 방법으로 제조된 와이어 톱에 관한 것이며, 이때 와이어는 하나 이상의 상호 각진 평면으로 압착된다.

또 다른 실시예에서, 압착 지점의 굽힘 반경이 와이어 직경의 1 내지 2배이고, 양쪽으로부터 와이어에 부딪히는 변형 거리는 와이어 직경의 5 내지 15배, 특히 와이어 직경의 10배이며, 파장은 와이어 직경의 10배 내지 30배, 특히 20배이다.

또 다른 실시예에서, 응력이 인장 잔류 응력이 되기 전, 와이어 표면 아래 20내지 40 μm까지 달하는 압축 응력이 외측의, 압착된 와이어의 압착 위치에 존재한다.

또 다른 실시예에서, 인발 와이어의 인장 강도(Rm)가 3000 내지 4200 MPa, 특히 3200 내지 4000 MPa, 보다 바람직하게는 3400 내지 3800 MPa이고, 인발 와이어의 항복 강도는 2500 내지 4000 MPa, 특히 2900 내지 2900 MPa, 바람직하게는 3000 및 3450 MPa이다.

또 다른 실시예에서, 와이어는 직경이 0.12 내지 0.17 mm이고, 3차원 압착 구조를 가지며, 이때 굽힘 반경은 0.24 내지 0.34 mm, 진폭은 0.14 내지 0.2 mm, 파장은 2 내지 4 mm이다.

본 발명의 과제는 종래 기술에 비해 개선되어 마모에 더욱 영향을 받지 않는 기하학적 형태 안정성을 갖는 와이어 톱을 제조하는 와이어 톱 제조 방법을 제공하는 것이다.

또 다른 과제는 형태 변화의 영향을 받지 않아 연마제를 운반하는 능력이 유지되도록 내마모성이 개선된 기하학적 형태 안정성을 갖는 와이어 톱을 생성하는 것이다.

본 발명을 대응 데이터를 보여주는 도 1에 따른 표와 함께 예를 사용하여 설명한다.

본 발명을 대응 데이터를 보여주는 도 1에 따른 표와 함께 예를 사용하여 설명한다.

직경 0.15 mm의 와이어에 3차원 압착 구조가 제공되며 굽힘 반경은 직경의 두 배, 즉 0.3 mm이다. 이로 인해 형성된 진폭은 0.17 mm이고, 파장은 3.1 mm이다. 외부 섬유의 필요한 신장률은 20%이며, 이 때 재료에 의한 항복점은 1.7%이다. 따라서 소성 신장률은 18.3%이다. 이로 인해 얻어지는 중심선에서 항복점까지의 거리는 5.61 μm이고 가장자리에서 제로 응력 선까지의 거리는 35.36 μm이다. 굽힘 과정에 따라 완화된 후 외부 섬유에 남아있는 최종 잔여 신장률은 마이너스 1.6%(압축)이다.

항복점 비율 Re 대 Rm 은 90%이고, 이때 인발 와이어의 인장 강도(Rm)는 3600 MPa였다. 인발 와이어의 항복 강도는 3240 MPa이다.

상기 언급한 조건에서는 외부 섬유에 453 MPa의 잔류 응력이 발생했는데, 이는 구조화 중에 8N의 항복 응력이 적용되었기 때문에도 발생한 것이다. 따라서 구조화 하는 동안 3600 MPa의 인발 와이어의 인장 강도 (Rm)에 장력이 세로 방향으로 발생한다는 것을 알 수 있고, 이 장력은 약 12.6%이며 0.2%의 사전 신장률을 야기한다.

인발 와이어의 외부 섬유에 존재하는 잔류 응력은 와이어의 항복점에 근사하게 도달할 수 있지만, 약간의 최종 변형을 통해 마지막 인발 단계에서 의도적으로 다소 감소된다. 예를 들어, 인장 잔류 응력은 1500 MPa로 가정되지만, 이는 약 3 μm 의 깊이에서 0으로 감소한다. 최대 사전 변형률이 0.8%인 잔류 응력은 항복점에 더 빨리 도달하게 하므로 소성 변형이 시작될 때부터 최종 와이어 특성에 대한 영향이 즉시 사라진다.

Claims (16)

1. 적어도 2차원 구조를 갖는 금속 와이어가 와이어에 주로 소성 변형으로 돌출부가 형성되도록 와이어의 종축을 따라 와이어가 압축되도록 형성되는 구조화된 와이어 톱의 제조 방법에 있어서,
   압착 중에 전체 와이어 단면의 최대 20%, 특히 10%가 탄성 변형 범위에 있는 반면, 와이어의 나머지 단면적은 소성 변형되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 3차원 구조를 생성하기 위해 와이어가 여러 개의 서로 각진 평면으로 압착되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어는 압착 중에 소성 힌지를 형성하고, 이때 굽힘 반경은 와이어 직경의 1-3 배 정도이므로, 외부 섬유의 실제 신장률은 10% 내지 30%, 특히 약 17% 내지 23% 인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 상기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 소성 변형이 발생하는 면적이 압축 중에 와이어에 인장력이 가해짐으로써 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 인장 응력은 인장 강도(Rm)과 와이어 단면(A)의 곱의 최소 8%, 특히 최소 12%, 그리고 최대 35%, 특히 최대 24%인 방법.
6. 상기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 외측의, 압착된 와이어의 압착 위치에서, 응력이 인장 잔류 응력이 되기 전, 표면 아래로 20 내지 40 μm에 달하는 압축 응력이 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 상기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 특히 적절한 모양의 기어의 톱니 또는 규칙적으로 타격하는 변형 핀을 이용하여 와이어가 둥근 팁으로 구부러지는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 상기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, (양쪽으로부터 와이어에 부딪히는) 변형 거리는 와이어 직경의 약 10배이고, 이로 인해 파장은 직경의 약 20배인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 80°에서 90°까지 오프셋 된 방향과 상관 없이 구조가 적용되고, 그 결과 생겨난 파장이 가능한 가장 큰 최소 공배수를 갖도록 보장하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 상기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 와이어 톱의 와이어 필드 내 작업 장력에서 와이어의 외견상 직경(세로 방향의 포위원)이 약 8 내지 12 μm, 특히 10μm 인 경우 및/또는 인장력이 적용되지 않는 경우, 실제 와이어 직경보다 8내지 24%, 특히 10 내지 20% 더 크도록 진폭이 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 상기한 항들 중 한 항에 있어서, 와이어 재료의 항복점 비율 Re/Rm이 85 내지95%, 특히 90%로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 와이어가 하나 이상의 상호 각진 평면으로 압착되고, 이때 와이어 재료의 항복점 비 율Re/Rm이 85 내지 95%, 특히 90% 라는 것을 특징으로 하는, 특히, 상기한 항들 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 와이어 톱.
13. 제12항에 있어서, 굽힘 반경이 와이어 직경의 1 내지 2배이고, 양쪽으로부터 와이어에 부딪히는 변형 거리는 와이어 직경의 5 내지 15배, 특히 10배이고, 파장은 와이어 직경의 10 내지 30배, 특히 20배인 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
14. 제12항에 있어서, 외측의, 압착된 와이어의 압착 위치에, 응력이 인장 잔류 응력이 되기 전, 와이어 표면 아래 20내지40 μm에 달하는 압축 응력이 존재하는 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 인발 와이어의 인장 강도(Rm)는 3000 내지 4200 MPa, 특히 3200 내지 4000 MPa, 더욱 바람직하게는 3400 내지 3800 MPa이고, 인발 와이어의 항복 강도는 2500 내지 4000 MPa, 특히 2900 내지 3800 MPa, 바람직하게는 3000 내지 3450 MPa인 것을 특징으로 하는 와이어 톱.
16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 와이어는 직경이 0.12 내지 0.17 mm이고 3차원 압착 구조를 가지며, 이때 굽힘 반경은 0.24 내지 0.34 mm이고, 진폭은 0.14 내지 0.2 mm이며 파장은 2 내지 4 mm인 것을 특징으로 하는 와이어 톱.