我國的環形金剛石線鋸技術研究起步較晚，始于21 世紀初，桂林國家特種礦物材料工程技術研究中心的科研人員參觀了上海斯泰克陶瓷公司，考察了該公司使用的三臺德國進口環形金剛石線切割機用于硼化鈦陶瓷材料切割生產之后，開始立項開展環形電鍍金剛石線的研究，筆者亦開始設計研制立式環形金剛石線切割機。在此期間，山東大學，青島科技大學和桂林理工大學的碩士生，博士生在導師指導下，也在開展環形金剛石線制造工藝以及切割機理方面的研究試驗。

       從切割各種硬脆材料的試驗效果表明：環形金剛石線鋸的切割性能優勢明顯，線速度高達50～60m/s，切割效率高，多晶硅切片進給速度均在5mm/min以上，最高達30mm/min。這是金剛石長線鋸所無法達到的。所以，它非常適合于多晶硅、單晶硅等硬脆材料多片切割以及其它工序的切割加工。如：可以替代現有的金剛石帶鋸截斷機對單晶硅或多晶硅進行截斷切割加工。目前，國內多家硅晶片生產企業已經用上環形金剛石線截斷機，158×158多晶硅截斷，每刀5分鐘，每根線平均壽命200刀，最多可切割400刀，可望近期內替代帶鋸機，以服務于光伏企業進一步提高晶片生產效率，降低成本。

       據悉，十三五規劃期間，我國的藍寶石行業具有爆發性發展趨勢。由于下游應用市場持續高速成長，如 LED 襯底市場、軍用及民用光學窗口等需求增長以及新型手機屏幕等新應用的需求激增，可以預測藍寶石晶片在 LED 行業的發展和手機屏幕、半導體方面的運用有望節節攀升，增幅翻番。國內各生產藍寶石的大企業均蠢蠢欲動，安排擴產計劃。藍寶石硬度 9，屬于難加工材料，晶體越大越難加工。發揮環形線的性能優勢，克服短板，是解決藍寶石上游切割加工生產鏈的關鍵途徑 。

       其它諸如人工光電晶體、功能陶瓷、靶材的切割，市場需求也相當大。目前，國內仍采用大量的金剛石帶鋸機切割，材料損耗大，切面不平整。

       1、光伏硅片

       目前國產金剛石線和多片切割機己經在光伏硅片生產中大量使用，而環形金剛石線鋸技術仍發展滯后。其實，除了多片切割以外，還有大量的切割工作量，如切兩頭、截斷、拼刀、切厚片等工序使用的帶鋸切割，材料損耗大，若代之以環形線切割技術將帶來可觀的經濟效果。

       環形金剛石線截斷機取代帶鋸機

       目前國內各大型光伏企業均擁有幾十臺帶鋸機用于晶錠，晶 棒的截斷切割加工，帶鋸厚度最薄0.7mm，切縫＞1.5mm，切面不平整；截斷數量多，造成極大浪費。而國外如韓國Disec公司推出的環形金剛石線截斷機用于15寸的單晶硅棒截斷或切片，頗受青睞(見圖 1 所示)。因此，國內青島測控中心等不少單位研制單長線截斷機和多工位截斷機以取代帶鋸機，而環形線截斷機由于結構簡單而具有更大的替代優勢。最近天瑞公司研制功的PTM200環形線截斷機已經小批量推向光伏晶片加工市場，初顯切割效率高，操作簡單等優勢，受到客戶青睞。

       環形金剛石線開方機優于單線開方機

       目前國內金剛石線開方機用量逐年增多，國產開方機也得到大量使用( 其中，大量進口游離式開方機改造為金剛石線開方機)。而且，還出現幾款臥式單根單晶硅開方機，如重慶神工開方機和青島測控中心的開方機，其特點是工件不用粘結，機械手上下工件，切割后不必剪斷網線，相對于多工位立式開方機，生產效率高。見圖2所示。

       但比較而言，在環形線性能好的條件下(線徑0.4～0.6mm)，環線開方機更具優勢：

       ①環線機輪系少，整體結構簡單，造價低，易于推廣;

       ②環線機裝線快捷，線距調整容易，斷線只換一根環線處理速度快，成本低;

       ③技術難度低，省去同步裝置系統、排線系統等復雜機構，操作簡單，容易維修。

       ④環線機線速度快，切割效率高，接近單線開方機的 2 倍。

       2、藍寶石

       十三五期間，藍寶石行業仍然具有爆發性的發展趨勢。藍寶石在智能手機和可穿戴設備領域的應用，將引爆藍寶石的潛在需求，未來三年藍寶石產業有 5 倍以上成長空間?？梢姡绻阅軆灝惖乃{寶石能在合理成本下進行量產，未來的市場將不可估量。目前，LED 襯底切割的多片切割機基本上解決了市場需求，只是擴產增加多片切割機訂單，提高晶片產量問題。表2 是近期的藍寶石切片工藝參數。

       由表2可知：金剛石單長線切割效率是非常低的，切割成本居高不下。最近，國內各媒體，網站充斥大量的對藍寶石手機蓋板未來市場的預測報告，但是，蓋板的開方切片的方法并未解決。藍寶石作為玻璃的替代品，目前制造成本相當昂貴，專家預計：一旦開方切片問題解決，2016～2020年的蓋板使用數量將超過各家報告所說的市場預期，最大產量達到每年5000 萬片以上。

       目前，常用的環形線徑是0.65mm，正在研制的還有0.4mm、0.3mm 的，要把握環形線自身的特點，不能與長線比粗細，可以想象在有限長度內，線徑越小，則壽命越短。關鍵是要在工藝上做足功夫，提高環線的抗拉強度，提高單位長度的工作壽命。通過創新措施，使環形線鋸切割藍寶石的綜合指標優于長線鋸，以期獲得藍寶石切割市場認可。

       3、人工晶體

       2014年研制的懸臂式 TXJ-1000 環形金剛石線切割機己經成功地替代帶鋸機，并用于福建某研究所的大型 KDP 晶體激光材料的切割生產。經二年多切割生產證實：該設備配置的線鋸切割力小、切縫窄、不易崩裂、切割效率高，實現了對貴重脆性材料的低應力精密切割。這是我國第一臺自主創新研制的大型環形金剛石線切割機，為國防軍工做出了貢獻，意義重大。見圖4、圖5 所示。

       近年來，人工晶體越來越向高端發展，價值極其昂貴，切割加工過程十分精細，平穩，不但切縫要小，還不得出現微小裂紋。從事環形線切割技術的企業應創新研制更多的精密切割機以適應切割高端晶體材料的需要，重要的是要盡快尋找客戶，將產品推向市場，讓更多的人工晶體企業用上先進的精密環形金剛石線切割設備。

       4、陶瓷靶材

       靶材加工是個新興產業，由于智能手機、平板電腦等移動終端的流行，靶材市場需求量也非常之大。與環形線切割有關的主要是陶瓷靶材，上述提到的上海某公司10年前就引進三臺環形線切割機，用于切割氮化硼蒸發舟。2015 年，天瑞公司為寧波某材料公司提供 TLB350 立式環形線切割機專門用于 Zno靶材的切圓和對剖切片生產。最近又為北京有研公司的 Mgo、Al2O3、鎢合金靶材進行切圓、切片試驗。見圖6、圖7所示。

       環形金剛石線鋸十分適合陶瓷靶材的切割，尤其，國內靶材生產企業在向高端靶材產品發展，靶材密度偏高，用電火花或帶鋸切割效率低，耗材大(見表3  ）。只要經常與靶材生產企業交流，多參加幾次有關靶材展覽會，環形金剛石線鋸技術一定會在短期內獲得廣泛推廣。

       5、晶圓芯片

       2017年，我國晶圓芯片加工進入大規模發展的黃金時代，其上游的晶圓切割加工鏈中仍然為大量的金剛石帶鋸所占據。見圖8 所示。望業內有識之士能預見，這是發展環線切割技術的又一個大商機，切莫錯失。

目前晶圓直徑正向更大方向發展，從原來的8、10、12、15 英寸甚至到了20英寸，越大越適合環線鋸切割。如圖9，某晶圓芯片公司的Φ350mm 晶圓在環線立式機切片，效果十分滿意，其工藝參數為:線速度38m/s，進給速度15～30mm/min，切割面精度0.02～0.05μm，片厚2～5mm。

       6、總結

       (1) 環形金剛石線鋸切割技朮是我國超硬材料工具發展中的一朵奇葩，具有獨特的優勢，尤其適用于硬脆材料和敏感材料的精密切割。應用范圍廣泛，且規模大，涉及太陽能光伏晶片、晶圓芯片、藍寶石、人工晶體和陶瓷靶材等，市場前景無限，應引起業內人士關注，讓更多企業投入創新、創業。

       (2) 國內從事該項技術研究的單位甚少，這是一項需要投入更多創新的獨特技術，要獨辟蹊徑，有難度，也有短板，甚至也有風險。但闖過風險，就會有豐厚的回報。

       (3) 藍寶石在智能手機和可穿戴設備領域的應用，取決于切割晶片成本的降低，切片面積越大，環形金剛石線鋸的優勢越明顯，一旦成功，即可創造很大價值。

       (4) 環形金剛石線和設備要以市場為中心，緊密結合，相輔相成，這是企業賴以成功的創業法寶，是目前市場上的不可替代產品，具有定價能力，應予以極力保護。

       (5) 我國環形金剛石線鋸技術還要在不斷創新中發展，產品還有待市場驗證，我國超硬材料同行要加倍努力，砥礪前行，引領金剛石環形線鋸技術向更高端發展。

       注：整理自論文《我國環形金剛石線鋸技術在創新中發展》作者：鄭超