автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка системы управления и автоматизация технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания на промышленных установках

На правах рукописи

005019424

ХЛЫЗОВ Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ

05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 АПР 2012

Москва-2012

005019424

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Научный руководитель:

доктор технических наук, ГИНДИН Павел Дмитриевич

Генеральный директор НПО «Альфа»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор САГАТЕЛЯН Гаик Рафаэлович профессор кафедры «Технология приборостроение» МГТУ им. Н.Э. Бауман

кандидат технических наук, доцент ТРУБИЕНКО Олег Владимирович

зам. заведующего кафедрой, доцент «Защита информации» ИТ-5 МГУПИ

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт технического стекла»

Защита состоится « 22 » мая_2012 года, в 12 часов на заседании

диссертационного Совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» по адресу: 107846, г. Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Автореферат разослан« 22 » мая 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.119.01 доктор технических наук, профессор

В.В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

За последние годы резко увеличились требования современной промышленности к качеству изделий производимых для микро- и оптоэлектроники. В связи с этим в мире широкое распространение получила технология лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) таких материалов как кремний, арсенид галлия, стекло, однако в Российской Федерации насчитываются единицы установок с технологией ЛУТ. Из них можно отметить установку резки тонкого стекла (0,1мм-0,55мм) для защитных стекол космических солнечных батарей в ОАО «Сатур», установку ЭПКС-4000 резки стекла на флоат линии в Саратовском институте стекла и промышленные установки РТ-350, РТ-500, о который пойдет речь ниже.

Метод ЛУТ был разработан профессором B.C. Кондратенко в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники. Стоит отметить, что весомый вклад в развитие технологии ЛУТ внесли научные работы_ Гиндина П.Д., Наумова А.С., Seak-Joon Lee.

Преимущества метода ЛУТ заключается в следующем:

— нулевая ширина реза, по сравнению с лазерным скрайбированием;

— высокая производительность процесса, в сравнении с алмазной резкой;

— отсутствие глубины нарушенного слоя, которая существенно влияет на прочность изделий.

Настоящая работа посвящена автоматизации технологических процессов ЛУТ хрупких неметаллических материалов на промышленных установках РТ-350, РТ-500 и др.

Анализ предлагаемых на рынке готовых программных решений для лазерных установок показал, что эти решения являются дорогостоящими и еще не успели в полной мере охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования, используемого на лазерных установках.

В связи с этим, для автоматизации технологического процесса лазерного раскроя хрупких не металлических материалов необходимо разработать, на базе существующих простых систем управления, новую высокоэффективную автоматизированную систему управления, а также программно-аппаратные модули необходимые для автоматизации технологического процесса на промышленных установках.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработать принципиально новое программное и аппаратное обеспечение для промышленных установок ЛУТ, позволяющее автоматизировать технологический процесс прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, и в первую очередь, приборных структур на основе кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, а также стекла для дисплейных панелей. Создание и внедрение автоматизированной системы управления установками ЛУТ и программно-аппаратных модулей будет способствовать увеличению функциональности установок, их быстродействие, КПД.

Целью работы является разработка и внедрение новой высокоэффективной системы управления технологическими процессами ЛУТ на промышленных установках РТ-350 и РТ-500, которая позволит автоматизировать процессы разделения кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.

Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:

-сформулировать требования к системе управления и оборудованию, необходимому для автоматизации технологических процессов ЛУТ; I

- произвести сравнительный анализ существующих систем управления лазерныи установками;

-спроектировать и разработать АСУ ТП в состав, которой входят программы! модули необходимые для оборудования лазерной обработки изделий i промышленных установках, обеспечивающих высокую степень чистоты процесса, также контроль микротрещины и автоматизацию ЛУТ;

- внедрить АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках ЛУТ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В разработке полнофункциональной АСУ ТП ЛУТ для промышленных установс которая позволяет производить раскрой хрупких неметаллических материалов i технологии ЛУТ с высокой производительностью, в отличие от существующ] простых систем управления.

2. В разработке нового алгоритма для АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках, учетом процедуры контроля наличия микротрещины, которая отслеживает полш цикл резки приборных пластин на чипы.

3. В разработке алгоритмов управления для аппаратных модулей, позволяющ: автоматизировать процесс ЛУТ на промышленных установках. Для модуле устройства нанесения первоначального дефекта (УНПД), видео и ИК контро положения пластины, блока управления лазером.

4. В разработке схемы нового устройства контроля микротрещины для технолог] ЛУТ, которое позволяет определить наличие микротрещины при каждом лазерн< резе.

Практическая ценность.

Исследования и разработки по теме диссертации связаны с решением практическ задачи автоматизации технологических процессов ЛУТ. Практическая ценность данн работы подтверждена актом внедрения результатов работы на отечественных предприятю Разработанная АСУ ТП используется для установок ЛУТ РТ-350 резки кремниев] приборных пластин на чипы, РТ-500 резки дисплейных панелей для приборов и средс отображения информации в кабине пилотов истребителей «Су» и «МиГ» и боев] вертолетов «Ка» в отечественной военной промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанная автоматизированная система управления внедрена на российских зарубежных предприятиях, в том числе:

-наустановке резки кремниевых пластин РТ-350 в ОАО «МЗ «Сапфир» г. Москва; -на установке резки стекла РТ-500 в ОАО «Раменское приборостроительн конструкторское бюро» г. Раменское;

- на установках резки стекла в «Foxconn Technology Group Ltd.» (Тайвань);

Апробация работы. Результаты диссертационной работы демонстрировались международных выставках «Высокие технологии XXI века — 2008», «Высокие технолог XXI века - 2010», «Archimedes 2008», «MashMeh 2008», V международный фор «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2009», VI международный фор «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2010».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сформулированные требования к АСУ ТП и основным функциональным узлам технологического оборудования для ЛУТ.

2. Программное обеспечение ЬаБегСЩ - АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.

3. Алгоритмы АСУ ТП ЛУТ и входящих в состав программных модулей управления: устройством нанесения первоначального дефекта (УНПД), устройством видео контроля позиционирования, устройством управления блоками питания и охлаждения лазеров.

4. Оптимизированные технологические режимы ЛУТ кремниевых пластин и стекла на промышленных установках, полученные экспериментальным путём.

5. Программные модули: УНПД, в том числе для утонённых кремниевых пластин и тонкого стекла, модуль позиционирования приборной пластины, позволяющий производить резку структур с обратной стороны подложки, тем самым, обеспечивая высокую степень чистоты процесса ЛУТ.

6. Схема и алгоритм программно-аппаратного модуля контроля лазерного реза, которое позволяет определить наличие микротрещины для конкретного реза.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 5 публикациях, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора.

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит фотографии, схемы и таблицы в общем количестве 60шт.

Во введении показана актуальность выбранной темы, определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Представлены сведения об апробации и реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены существующие механические и лазерные методы разделения хрупких неметаллических материалов, таких как кремний и стекло.

Основные существующие технологии:

- резка алмазными дисками с наружной и внутренней режущей кромкой;

- штрипсовая резка;

- проволочная резка.

Рассмотрены основные недостатки традиционных технологий:

- большой расход исходного материала (потери до 30%), связанный с большой шириной реза, соизмеримой с толщиной пластины (рис. 1);

- низкая производительность процесса алмазно-абразивной резки исходной заготовки на пластины и последующего шлифования и полирования;

- необходимость длительного шлифования и полирования поверхности пластины, вызванная относительно большой глубиной нарушенного слоя после алмазно-абразивной резки.

Рис. 1. Потери материала при различных видах резки - ширина реза в мм.

Проволочная резка, резка алмазным инструментом с внутренней режущей кромкой.

В последнее время, широкое распространение получило новое оборудование для резки приборных пластин на чипы с помощью лазеров с излучением в ультрафиолетовой области спектра, которое вызвало повышенный интерес у производителей СИД. Резка с помощьн УФ-лазера предполагает нанесение неглубокого надреза на поверхности подложки 1 последующего разламывания. На рис. 2а показана фотография торца чипа после лазерной скрайбирования и последующего разламывания. Как и в случае механической резки, прг резке УФ-лазером ширина реза имеет достаточно большое значение - порядка 30 мкм, а скорость скрайбирования составляет 25 -35 мм/сек. Это существенно выше, чем прг механической резке.

Рис. 2. Фотография торца кристалла светоизлучающего диода на сапфировой подложке: а)после резки УФ-лазером б)стекла после обработки с помощью технологии

ЛУТ.

Лазерное скрайбирование уже используется в полупроводниковом производстве Однако ожидается, поскольку выгоды при скрайбировании очевидны, что обработка лазеро1* должна заменить традиционные механические методы резки пластин на кристаллы.

Лазеры находят применения для скрайбирования, резки, и сверления. В прошлом высокая стоимость, ненадежность и сложность использования лазеров для разделени пластин на кристаллы сделали эти применения не основными в производстве. Сегодн* появление компактных, твердотельных лазеров с высоким КПД, особенно ультрафиолетовом спектре излучения, изменило эту ситуацию. Лазер теперь получае популярность в областях, где механические методы обработки достигли своего предела.

Особое значение имеет метод разделение кремневых пластин и стекла методом ЛУТ Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в следующем При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, дл которого материал является непрозрачным, часть энергии отражается от границы «воздух материал», а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии с приповерхностном слое материала. При облучении поверхности непрозрачного хрупког материала лазерным излучением во внешних его слоях возникают значительные напряжени сжатия, которые, однако, к разрушению не приводят.

При выходе нагретого участка из зоны воздействия лазерного излучения начинается охлаждение поверхностных слоев материала. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза.

Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию микротрещины, проникающей вглубь материала до внутренних прогретых слоев, испытывающих напряжения сжатия. Таким образом, в материале на границе зон нагрева и охлаждения, то есть в месте максимального градиента температур «нагрев - охлаждение», образуется микротрещина (рис. 3). Этот метод был разработан профессором B.C. Кондратенко еще в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники и преимущественно изделий из стекла. Однако в последнее время этот метод раскроя широко используется на установках лазерного управляемого термораскалывания РТ-350 разделения кремниевых приборных пластин на чипы и РТ-500 раскрой стекла для плоских дисплейных панелей.

микротрещина | V, мм/сек ^

хладагент

Луч лазера

Рис. 3. Схема образования микротрещины при лазерном управляемом термораскалывании.

Основные преимущества метода лазерного управляемого термораскалывания перед остальными известными методами раскроя стекла для плоских дисплейных панелей (РРБ) и кремниевых приборных пластин на чипы (в том числе перед методом лазерного скрайбирования):

- безотходность процесса лазерного управляемого термораскалывания, это означает, что ни одна молекула материала не удаляется в процессе резки;

- метод лазерного управляемого термораскалывания отличается высокой чистотой и не способен загрязнять поверхность РРБ и приборных пластин в процессе резки;

- ширина реза при использовании метода лазерного управляемого термораскалывания равна нулю;

- лазерного излучения в данном методе расходуется лишь на разрыв межатомных связей материала;

- повышение механической прочности изделий до пяти раз за счет отсутствия остаточных напряжений и микродефектов вдоль линии реза;

- высокая скорость резки, достигающая до 2 метров в секунду;

- высокая точность раскроя материалов.

По результатам анализа способов резки выбран метод лазерного управляемого термораскалывания как наиболее эффективный метод прецизионной резки кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.

В результате проведённых исследованиях на промышленных установках РТ-350, РТ-500, спроектированных и выпущенных на ОАО «МЗ «Сапфир», были получены экспериментальным путем следующие оптимизированные технологически режимы, с учетом особенностей установок:

Таблица 1.

Технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания полупроводниковых материалов и стекла.

Материал Стекло Кремний Арсенид галлия

Режимы ЛУТ

Тип лазера, длина волны излучения, мкм С02 10,6 ДЛ 0,807 ДЛ 0,807

Размеры пучка, мм 20-25x1,0-1,5 0,8-2x0,3-0,5 0,8-2x0,3-0,5

Мощность излучения, Вт 50-70 100 - 450 100-450

Толщина материала, мм 0,7-2 0,1-0,6 0,1-0,6

Скорость резки с микро надрезом, мм/сек 120-300 100-500 100-500

Полученные режимы актуальны для лазерного раскроя кремниевых приборны; пластин на чипы на установке РТ-350 и стекла для плоских дисплейных панелей н; установке РТ-500.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены и проанализировав существующие системы управления установками лазерной резки.

Рассмотрены несколько установок лазерной резки металлов и системы их управления Установка М1812-ТК1200 M-Series с современной системой управления CNC (ЧПУ РА8000 (Germany) с вложенным программным обеспечением FastCAM (Australia) и стано] лазерной резки металла Mazak Super Turbo-X44 с системой Mazak Smart System Jr предназначены для автоматического раскроя (резки) листового металла различных видов Рассмотренные системы управления данными установками не являются универсальными ] закреплены за конкретными микроконтроллерами и производителями. Также необходим! отметить, что они обладают достаточно большой стоимостью.

Рассмотрена универсальная лазерная установка резки приборных пластин из различны материалов (рис. 4). На данной установке используются два лазера с различной длиши волны (С02-лазер ИЛГН-708 мощностью 50 Вт и полупроводниковый лазер мощностью 251 Вт) и два независимых оптических тракта. Рассмотрена установка лазерной вырезки диско: различного диаметра из кварцевых пластин (рис. 5), полученных после распиловки блоков взамен их алмазного округления.

Установка лазерной резки приборных пластин выполняет технологический процес ЛУТ на основе простой системы управления. Установка состоит из двух-координатног столика и котроллера управления LMSC-2 и предполагает нанесения дефекта вручнук Установка лазерной резки дисков оснащена двух координатным приводом X и ( (вращающийся привод), раскрой дисков осуществляется в терминальном режим управления.

Рис. 4. Общий вид установки лазерной резки приборных пластин методом ЛУТ.

Рис. 5. Фотография установки лазерной резки стеклянных дисков методом ЛУТ.

В результате анализа существующих систем управления были выявлены их достоинства и недостатки. Как показано в Таблице 2, лабораторные программы управления могут выполнять зачастую только простые операции по ЛУТ. Лабораторные системы управления зачастую являются сложными в управлении, т. к. в них используется терминальный режим управления с командной строкой. Такие программы могут послужить основой для разработки новой автоматизированной системы управления для промышленных установок ЛУТ. В свою очередь, более сложные системы управления лазерной резкой металлов закреплены за определенными оборудованием и не являются универсальными и легко переносимыми системами.

Таблица 2.

Системы управления установками лазерной резки.

Система управления Класс Достоинства Недостатки

CNC РА8000 (Germany) с системой FastCAM (Aust.) ЧПУ + система управления Система не рассчитана на тех. процесс ЛУТ; высокая стоимость

Mazak Smart System Jr. ЧПУ + система управления Поддержка интеграции с DWG, CAD системами Система не рассчитана на тех процесс ЛУТ; высокая стоимость

Системы управления для лабораторных установок ЛУТ ЧПУ, терминальная система управления Низка стоимость Системы сложные в управлении; мало функциональны.

Также стоит отметить что, эти программные решения еще не успели охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования используемого на установках и являются дорогостоящими.

В связи с этим, на установках РТ-350, РТ-500 был проанализирован технологии процесс ЛУТ и сформулированы требования к автоматизированной системе управления установками, выдвинуты требования к оборудованию (программно-аппаратным модулям), позволяющему автоматизировать технологические процессы ЛУТ кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.

Требования к АСУ ТП состоят в следующем:

_ необходимость обладать требуемым функционалом для обеспечения автоматизации ТП по ЛУТ;

- выполнять ЛУТ при заданных скоростях, технологических режимах и одновременном нагревании и охлаждении в зоне резки;

- выполнять полный технологический маршрут ЛУТ определенных заготовок;

- обеспечивать своевременное получение требуемых промежуточных результатов, в том числе за счет платы обратной связи;

- необходимость в автоматизирование следующих операций: выравнивания системы координат по двум точкам в интерфейсном окне управления перемещениями, распознавания реперных меток заготовки, контроля прохождения микротрещины для ЛУТ на установках.

Требования к программно-аппаратным модулям состоят в следующем:

- необходимость нанесение первоначального дефекта на утоненные кремниевые приборные пластины и стекло с давлением 100-500мг, не разрывая технологический маршрут;

- необходимость распознавать реперные метки с лицевой и оборотной стороны приборной пластины;

- способность эффективно идентифицировать заготовки в процессе ЛУТ с отсутствием или наличием микротрещины (МТ) после выполнения реза.

Третья глава посвящена техническим особенностям промышленных установок РТ-350, РТ-500, которые являются передовыми высокотехнологическими комплексами в области отечественной лазерной резки кремниевых пластин и стекла для плоских дисплейных панелей методом ЛУТ, а также оборудованию на этих установках.

Рис. 6. Установка лазерной резки стекла для плоских дисплейных панелей РТ-500.

Рис. 7. Установка лазерной резки кремниевых пластин РТ-350.

На установке РТ-350 используется специально разработанный, немецкой компанией "LIMO GmbH", полупроводниковый лазер с длиной волны излучения X = 808нм со встроенной оптической системой фокусировки излучения LIMO 450-L4.3x0.05-SL808-ЕХ725. Установке РТ-500 оснащена С02 лазером с длиной волны X = 10,6мкм и мощностью 100Вт. Объектив для этой установки выполнен из материала ZnSe и имеет цилиндрическую форму.

Для создания оборудования необходимого для автоматизирования технологического процесса ЛУТ была представлена блок-схема промышленных установок. Из схемы понятно, что для использования УНПД необходима еще одна плата в контроллере управления, которая позволит управлять данным устройством (привод В), также для ИК-камеры и видео-контролирующего устройства ТП ЛУТ необходимо две платы видео захвата, исключая уже установленную плату в ПК (рис.8).

1 - С02 или полупроводниковый лазер;

2 — блок питания лазера;

3 - оптический преобразователь;

4 - поворотное зеркало с контролем мощности;

5 - заслонка;

6 - пневмоцилиндр;

7 - поглотитель;

8 - поворотное зеркало;

9 - видеокамера, ИК-камера;

10 -2-привод;

11 - объектив;

12 - УНПД (привод В); 13-форсунка;

14 - подложка;

15 - вакуумный столик;

16 - координатный стол, С- привод;

17 - координатный стол, Х- привод;

18 - координатный стол, У- привод;

19 - компьютер с платами управления;

20 - контроллер Х,У,г,В,С - приводов.

Рис. 8. Общая блок-схема промышленных установок ЛУТ

Специально для этих установок была разработана автоматизированная система управления. Кроме того, установки были оснащены новыми дополнительными технологическими модулями, которые уменьшают время, затрачиваемое на обработку, одной заготовки и увеличивают производительность лазерной обработки.

Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замен л специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволил: снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развити промышленного производства.

При создании установок РТ-350, РТ-500 были выбраны предметные столы «20-40С 250-0», «20-24-1054-550» и контролер управления ЬБМС-5 произведенные ООС «Рухсервмотор» в г. Минске. (Рис. 9а)

Рис. 9а. Контроллер управления LSMC-5 и предметный стол «2D-400-250-0».

Рис. 96. Устройство нанесения первоначального дефекта, алмазная пирамидка и электропривод.

Специально для установок РТ-350, РТ-500 было разработано и сконструировано УНП, компанией ООО «Рухсервмотор», а также разработан программный модуль управления эт устройством, который входит в состав программы управления установками лазерной резк LaserCut v.7.0. УНПД (рис.9б) - это устройство нанесения первоначального дефект механическим способом на поверхность материала алмазной пирамидкой. Усилие прижим алмазной пирамидки - это отношение силы поиска упора Fn к ускорению свободног падения. Сила поиска упора рассчитывается в программе LaserCut v.7.0 по формуле (1):

Fn=k*lM(l)

,где к - коэффициент пропорциональности, 1м — сила тока в электромоторе УНПД.

Был рассмотрен метод нанесения дефекта с помощью УФ-лазера, который оказалс очень эффективным и будет в дальнейшем описан в последующих работах автора.

Для решения задачи позиционирования заготовки на предметном столике установк РТ-350 были использованы две камеры, одна из них в видимом диапазоне Watec WAT-902H Supreme (Тайвань) - в том случае если приборная пластина (заготовка) установлен структурами вверх (лицевой стороной вверх), другая камера в ИК диапазоне, если приборнг. пластина расположена лицевой стороной вниз. На установке ЛУТ РТ-350 установлен камера разработанная компанией Edmund Optics Ltd. (Германия) модель 1/2" CCD Near I Analog Camera CCIR NT56-848 с диапазоном чувствительности в спектре 1460-1625н (Рис.3) и объективом 1.5Х Auxiliary Lensfor VIS 7Х Zoom Lenses 1,5X. Данное оборудована позволяет получать 12-ти кратное увеличение изображения пластины на дисплее ПК.

Модуль контроля микротрещины.

Специально для промышленных установок ЛУТ был спроектирован программно-аппаратный модуль контроля микротрещины. Был разработан принцип (см. рис. 10а-б) контроля образования микротрещины на основе дополнительной камеры и программного модуля, обрабатывающего изображение (кадры) и выводящего информации об успешном проведенном лазерном резе. В основе данного метода лежит принцип сравнения сегментов полученных изображений, фиксируемых видеокамерой в момент лазерного термораскалывания. Алгоритм программного модуля контроля ЛУТ представлен на рис. 11.

доподнштлыш камера

подсвечяваютнй г

I СО! лазер; ^^ ^^ 11 полупроводниковый

А,

МТогтаттвда«.

Рис. 10а. Принципиальная схема контроля образования микротрещины с помощью камеры и подсвечивающего лазера.

Рис. 106. Изображение микротрещины в процессе резки.

Запись первого кадра, выбор сегмента, завись сегмента кадра в файл.

Начало. Выход столика в зону резки

Флаг: повторный рез

_ Флаг: закол, дефект]

Лазерная резка, запись сегментов изображений резки с интервалом 4О-1О0Омс

не совпадают 1-2,1-3 совпадают

Рис. 11. Алгоритм программного модуля контроля микротрещины.

В четвертой главе описывается процесс проектирования, разработки автоматизированной системы управления и её внедрение.

Для представления задачи в целом по созданию системы управления был рассмотрен весь технологический процесс резки приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей. Технологический маршрут процесса ЛУТ заготовок состоит и следующих операций:

1. Установка заготовки на предметный столик.

2. Ввод параметров резки: геометрические размеры заготовки, скорость резки, длин реза, координаты точек нанесения первоначального дефекта, длина дефекта, кол-В1 резов.

3. Прижим заготовки, фиксация.

4. Ручная настройка положения заготовки или поиск реперных меток.

5. Выход столика в зону ориентации (выравнивание по линии реза).

6. Расчет параметров данного реза.

7. Выход столика в зону резки.

8. Резка заготовки по заданным параметрам.

9. Выход столика в исходное положение или поворот столика для следующей резки.

10. Снятие заготовки.

Программное обеспечение, система управления должна реализовывать автоматическо выполнение операций 5-9 или 3-9 в случае автоматического поиска реперных меток.

Также была составлена программно-аппаратная блок схема (рис. 12).

На основе технологического маршрута был составлены алгоритмы (рис. 13) дл реализации технологического процесса разделения заготовок методом ЛУТ н промышленных установках РТ-350, РТ-500. Принципиальных отличий в алгоритмах нет, т. I технологический процесс ЛУТ приборных пластин на чипы очень схож с технологически! процессом ЛУТ плоских дисплейных панелей. Стоит учесть, что в тех случаях, есл приборная пластина имеет нанесённые реперные метки, процесс выравнивания заготовк может производиться автоматически.

Имеет смысл отметить, что в случае, если резов более одного, то в момент, когд заготовка перемещается в зону резки, одновременно с этим программа рассчитывае параметры этого реза. В случае если процесс прошел успешно программа завершает сво выполнение и столик выходит в начальное положение, в том случае если рез прошел дефектом или заколом или не прошел, то программа выполняет алгоритм контрол микротрещины ЛУТ (рис. 11)

Основа пая программа ие&гСи! у.7.0

ту

Приводы перемещения предметного

столика и объектива

РС1 Саге) 1/0

клапаны, заслонки, вакуумные эжекторы

Рис. 12. Программно-аппаратная блок схема взаимодействия элементов установки.

(структура АСУ ТП)

Определено, что программное обеспечение целесообразно стоить на основе модульного принципа (рис.12). Это позволит за счет унификации программных модулей в значительной степени сократить сроки стоимость разработки программного обеспечения при одновременном увеличении его общей надежности.

Выбор аппаратно-программной платформы был обусловлен следующими соображениями:

- анализ распространения программно-аппаратных платформ на промышленных предприятиях и динамики развития этого процесса показывает всё более возрастающую долю компьютеров, аппаратные средства которых позволяют использовать операционную систему семейства Windows;

- интерфейсы в программных средах семейства Windows в высокой степени унифицированы, просты и наглядны;

- существует большой выбор программного обеспечения для различных областей применения;

- системы семейства Windows интенсивно развиваются и совершенствуются.

Окончательный выбор программно-аппаратной платформы был сделан в пользу IBM

PC-совместимого компьютера с операционной системой Windows ХР как надёжно зарекомендовавшей себя, основанной на технологии NT.

В качестве инструментального средства разработки приложения была выбрана сред разработки Borland Delphi 7. Выбор был сделан из следующих соображений:

- используется синтаксис объектно-ориентированного языка Delphi; -обеспечивает переносимость исходных кодов, имеет удобную визуальную сред;

разработки интерфейсных элементов приложений; -поддержка использования технологии OLE, объектов типа Thread для создани

мультизадачных приложений, работа с DLL; -возможность использования библиотек функций, написанных на С++, поставщиками оборудования;

- удобные средства разработки баз данных различных форматов.

Интерфейс программы, состоящий из двух интерфейсных окон, был разработан учетом удобства использования оператором установки.

Рис. 14. Интерфейсное окно «резка и Рис. 15. Интерфейсное окно «настройки перемещения». и терминал».

Основные проблемы и методы их решения при разработке ПО АСУ ТП:

1. Необходимо было ввести компоненты Threads многопоточности для оптимально и высокопроизводительной работы установок. Эти компоненты позволяй: одновременно выполнять несколько операций, например: изменять положен» приводов перемещения и рассчитывать данные для текущего реза, производит^ резку и одновременно производить контроля резки (наличие микротрещины), чт значительно ускоряет технологический процесс лазерной резки на установках.

2. Были специально разработаны алгоритм поиска упора и подпрограмма главно программы контроллера управления (ГПКУ) для УНДП, которая позволяет , прецизионной точностью наносить дефект на сверхтонкие материалы, г повреждая их.

3. Использование в системе динамических библиотек DLL и объектов MILImag позволило управлять перемещением приводов в горизонтальной плоскости в окь изображения с камер. Также по средствам получаемого изображения с кам£ можно осуществить выравнивания заготовки по двум точкам. В пpoгpaм^ управления LaserCut 7.0 существует возможность сохранения изображения г заданий по конкретным заготовкам в текстовом формате.

4. Использование дополнительной платы обратной связи PCI Card I/O для своевременно получения данных (значений от приводов) и их верификации в значительной мере увеличило скорость резки заготовки.

5. С появлением новых модификаций контроллеров управления LSMC-5 с

интерфейсом передачи данных USB 2.0, в программе управления появилась поддержка данного интерфейса, что в значительной мере увеличило скорость загрузки программы и выполнению операций на установках.

6. Для создания программно-аппаратного модуля контроля зарождения микротрещины и последующего ее перемещения вдоль лини реза был использован элемент Frame Grabber.

ГГПСУ является- передатчиком команд от основной программы к приводам перемещения, осуществляет контроль положения и выполняет лазерную резку по заданным параметрам на установках. Данная система разработана для серии установок ЛУТ, выполняющих однотипные задачи ЛУТ и оснащенных контроллером управления серии LSMC-5, произведенным ООО «Рухсервмотор» в г. Минске.

Составлены программы микроконтроллера для различных технологических задач таких, как ЛУТ кремниевых пластин на чипы, ЛУТ силикатного стекла, ЛУТ арсенида галлия.

Автоматизированный технологический процесс раскроя приборных пластин на чипы представляет собой следующую последовательность:

1. Получение приборных пластин в межоперационной таре.

2. Наклейка пластины на плёнку-носитель.

3. Фиксация плёнки с пластиной в рамке-держателе.

4. Фиксация рамки-держателя с пластиной на предметном столике установки.

5. Выход столика в зону ориентации.

6. Распознавание реперных знаков и ориентация пластины по линии реза.

7. Выход столика в зону резки.

8. Резка пластины в первом направлении в автоматическом режиме.

9. Контроль процесса прохождения микротрещины.

9.1. Конец операции (в случае появления закола и остановки задачи оператором).

9.2. Повторный рез.

10. Поворот предметного столика на 90°.

11. Ориентация пластины.

12. Автоматическая резка пластины в перпендикулярном направлении.

13. Выход столика в исходное (нулевое) положение.

14. Снятие пластины.

15. Разделение порезанной пластины на чипы, растягивая плёнку с пластиной с помощью специального устройства.

16. Установка плёнки с чипами в автомат сортировки.

17. Разборка и установка чипов в тару.

18. Передача чипов на установку корпусирования.

Программное обеспечение реализует автоматическое выполнение операций 6-14 на установке резки приборных пластин. Данный алгоритм операции раскроя приборных пластин может быть использован для включения в существующую линию автоматизированного производства чипов.

АСУ ТП на установках ЛУТ представляет следующий набор программ:

- основная программа, имеющая графическую оболочку, рассчитывающая параметры лазерной резки, отвечающие за получения изображения с камер, и обеспечивающие управление лазером и его блоками питания и охлаждения, а также запускающая главную программу резки, записанную в контроллере управления;

- главная программа контроллера управления (ГПКУ), выполняющая лазерную резку;

- подпрограммы контроллера, отвечающие за независимое включение/выключение лазера, открытие/закрытие клапанов и лазерных затворов, использование устройства нанесения дефекта, перемещение приводов перемещения объектива и предметного столика, а также включение/отключение вакуумного эжектора.

Основная программа находиться на управляющем ПК, ГПКУ и подпрограммы контроллера управления находятся в памяти контроллера.

Интерфейс основной программы состоит из двух окон (рис. 14,15). При разработке автоматизированной системы управления были поставлены следующие задачи, которые были выполнены. Необходимо было выполнить задачу автоматизации следующих технологических операций:

- выравнивание программно-аппаратной системы координат;

- распознавание реперных меток заготовок;

- автоматическая система контроля микротрещины.

В целом задача автоматизирования ТП лазерной резки кремнёвых чипов, резки серии заготовок (кремниевых приборных пластин) была выполнена.

Следует отметить преимущества АСУ ТП перед другими системами управления:

- возможность контроля наличия микротрещины;

- увеличенная функциональность промышленных установок;

- быстродействие, повышенная производительность в 1,5-2раза в сравнение с простыми и терминальными системами;

- модульность системы;

- возможность легкого переноса на другие установки ЛУТ оснащенные контроллером управления ЬМ8С-5;

- возможность сохранения заданий раскроя кремневых и стеклянных пластин и их изображений.

В настоящий момент ведется разработка дополнительного программного модуля для импортирования данных из ЮЕБ, или БХР, и РО-САЭ/САМ-систем в ЗО-форме, 20-

форме для оперативного создания задания для обработки заготовки на установках ЛУТ.

В заключении обобщены данные по разработке АСУ ТП, аппаратных модулей на промышленных установках, на основании которых сделаны выводы и получены следующие результаты работы:

1. Разработаны алгоритмы АСУ ТП раскроя кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей на промышленных установках.

2. Создана и внедрена АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках раскроя кремниевых пластин РТ-350, раскроя стекла для плоских дисплейных панелей РТ-500.

3. Предложенные алгоритмы являются универсальными и могут быть использованы для промышленных установок выполняющих различные задачи с использованием технологии ЛУТ.

4. Для обеспечения надежности и эффективности программного обеспечения целесообразно строить её по модульному принципу.

5. Сформулированы требования к АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.

6. Разработаны алгоритмы и выполнена программная реализация для аппаратных модулей управления: УНПД и устройством видео контроля позиционирования приборной пластины. Данные устройства позволяют производить лазерную резку утоненных заготовок, а также резку с оборотной приборной пластины.

7. Разработана схема нового высокоэффективного устройства контроля микротрещины, устройство позволяет определить наличие микротрещины при каждом резе приборной пластины.

8. Получены оптимальные режимы ЛУТ: кремния, арсенида галлия и стекла на промышленных установках ЛУТ экспериментальным путем, с учетом существующих режимов для лабораторных установок.

9. Экспериментально подтверждено, что внедренная АСУ ТП ЛУТ увеличивает функциональность промышленных установок, повышает их быстродействие, а также увеличивает качество управляемости.

10. Показана актуальность внедрения автоматизированного технологического процесса ЛУТ кремниевых приборных пластин на промышленной установке РТ-350 в состав автоматизированного производства кремниевых чипов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Сорокин A.B., Хлызов В.А. Система видео контроля позиционирования заготовок на установках лазерного управляемого термораскалывания. «Приборы», №1 2012. Москва - с. 50-53.

2. Гиндин П.Д., Сорокин A.B., Хлызов В.А. Система управления промышленными установками лазерного управляемого термораскалывания. «Автоматизация в промышленности», №2 2012. Москва. — с. 40-42.

3. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Сорокин A.B., Хлызов В.А. Программа управления для промышленных установок лазерного управляемого термораскалывания. «Мехатроника, автоматизация, управление» №3 2012. Москва. - с. 44-47.

Публикации в других изданиях

1. Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Сорокин A.B., Хлызов В.А. Требования к первоначальному дефекту для технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла и кремния. НПЖ "Отраслевые аспекты технических наук", №12. 2011. Москва. - с. 24-25.

2. Хлызов В.А. Программно-аппаратный модуль контроля микротрещины на установках лазерного управляемого термораскалывания. НПЖ "Отраслевые аспекты технических наук", №1. 2011. Москва, - с. 15-18.

Подписано к печати 28.03.2012 г. Формат 60 х 84. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 230

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

61 12-5/2402

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ».

ХЛЫЗОВ Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ

УСТАНОВКАХ

05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, Гиндин П. Д.

Шифр Совета - Д 212.119.01

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................4

ГЛАВА 1. Основные методы раскроя хрупких неметаллических материалов (обзор).............................................................................................9

1.1. Механические методы разделения хрупких неметаллических материалов..............................................................................9

1.2. Лазерное скрайбирование..........................................................17

1.3. Разделение хрупких неметаллических методом лазерного термораскалывания................................................................24

1.3.1. Технология лазерного управляемого термораскалывание (ЛУТ)24

1.3.2. Влияние оптических и теплофизических свойств материала......27

1.3.3. Сквозное термораскалывание..............................................36

1.3.4. Технологические режимы ЛУТ стекла и кремниевых пластин...38

ГЛАВА 2. Обзор современных лазерных установок и систем управления лазерной резкой...............................................................................43

2.1. Теория автоматического управления...........................................44

2.2. Промышленные установки лазерной резки, системы

управления..................................................................................49

2.3. Лабораторные установки ЛУТ, системы управления........................53

2.4. Требования к системам управления установками ЛУТ....................56

2.5. Сравнительный анализ существующих систем управления лазерной резкой......................................................................................57

2.6. Постановка задачи, АСУ ТП для установок РТ-350, РТ-500............58

ГЛАВА 3. Технические особенности промышленных установок ЛУТ РТ-350, РТ-500........................................................................................60

3.1. Лазеры, система охлаждения и питания, оптические системы.........66

3.2. Контролер управления и предметные столы.................................78

3.3. Устройство нанесения первоначального дефекта (УНПД)...............82

3.4. Аппаратный модуль видео-контроля позиционирования, ИК-камера.86

3.5. Модуль видео-контроля микротрещины.....................................90

ГЛАВА 4. Создание и внедрение АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок......................................................................................96

4.1. Алгоритм программного обеспечения, структура АСУ...................101

4.2. Выбор среды разработки........................................................108

4.3. Разработка интерфейса...........................................................110

4.4. Элементы и приемы программирования, задействованные в

проекте...................................................................................112

4.5. Главная программа контроллера управления (ГПКУ)....................115

4.6. Технологический процесс лазерной резки чипов..........................117

4.7. Автоматизированная система управления промышленными установками РТ-350, РТ-500....................................................119

Выводы.........................................................................................129

Список литературы...........................................................................131

Приложение 1. Акт внедрения результатов диссертационных работы.........138

Приложение 2. Распечатка текста ключевых модулей программы управления установками.................................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Работа посвящена решению проблем в области высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов, широко применяемых в производстве изделий электронной техники, в приборостроении и во многих других областях техники и промышленности.

За последние годы резко увеличились требования современной промышленности к качеству изделий производимых для микро- и оптоэлектроники. В связи с этим в мире широкое распространение получила технология лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) таких материалов как кремний, арсенид галлия, стекло, однако в Российской Федерации насчитываются единицы установок с технологией ЛУТ. Из них можно отметить установку резки тонкого стекла (0,1мм-0,55мм) для защитных стекол космических солнечных батарей в ОАО «Сатур», установку ЭПКС-4000 резки стекла на флоат линии в Саратовском институте стекла и промышленные установки РТ-350, РТ-500, о который пойдет речь ниже.

Метод ЛУТ был разработан профессором B.C. Кондратенко в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники. Стоит отметить, что весомый вклад в развитие технологии ЛУТ внесли научные работы Гиндина П.Д., Наумова A.C., Seak-Joon Lee.

Преимущества метода ЛУТ заключается в следующем:

- нулевая ширина реза, по сравнению с лазерным скрайбированием;

- высокая производительность процесса, в сравнении с алмазной резкой;

- отсутствие глубины нарушенного слоя, которая существенно влияет на прочность изделий.

Настоящая работа посвящена автоматизации технологических процессов ЛУТ хрупких неметаллических материалов на промышленных установках РТ-350, РТ-500 и др.

Анализ предлагаемых на рынке готовых программных решений для лазерных установок показал, что эти решения являются дорогостоящими и еще не успели в полной мере охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования, используемого на лазерных установках.

В связи с этим, для автоматизации технологического процесса лазерного раскроя хрупких не металлических материалов необходимо разработать, на базе существующих простых систем управления, новую высокоэффективную автоматизированную систему управления, а также программно-аппаратные модули необходимые для автоматизации технологического процесса на промышленных установках.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработать принципиально новое программное и аппаратное обеспечение для промышленных установок ЛУТ, позволяющее автоматизировать технологический процесс прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, и в первую очередь, приборных структур на основе кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, а также стекла для дисплейных панелей. Создание и внедрение автоматизированной системы управления установками ЛУТ и программно-аппаратных модулей будет способствовать увеличению функциональности установок, их быстродействие, КПД.

Целью работы является разработка и внедрение новой высокоэффективной системы управления технологическими процессами ЛУТ на промышленных установках РТ-350 и РТ-500, которая позволит автоматизировать процессы разделения кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.

Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи;

- сформулировать требования к системе управления и оборудованию, необходимому для автоматизации технологических процессов ЛУТ;

- произвести сравнительный анализ существующих систем управления лазерными установками;

- спроектировать и разработать АСУ ТП в состав, которой входят программные модули необходимые для оборудования лазерной обработки изделий на промышленных установках, обеспечивающих высокую степень чистоты процесса, а также контроль микротрещины и автоматизацию ЛУТ;

- внедрить АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках ЛУТ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В разработке полнофункциональной АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок, которая позволяет производить раскрой хрупких неметаллических материалов по технологии ЛУТ с высокой производительностью, в отличие от существующих простых систем управления.

2. В разработке нового алгоритма для АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках, с учетом процедуры контроля наличия микротрещины, которая отслеживает полный цикл резки приборных пластин на чипы.

3. В разработке алгоритмов управления для аппаратных модулей, позволяющих автоматизировать процесс ЛУТ на промышленных установках. Для модулей: устройства нанесения первоначального дефекта (УНПД), видео и ИК контроля положения пластины, блока управления лазером.

4. В разработке схемы нового устройства контроля микротрещины для технологии ЛУТ, которое позволяет определить наличие микротрещины при каждом лазерном резе.

Практическая ценность.

Исследования и разработки по теме диссертации связаны с решением практических задачи автоматизации технологических процессов ЛУТ.

Практическая ценность данной работы подтверждена актом внедрения результатов работы на отечественных предприятиях. Разработанная АСУ ТП используется для установок ЛУТ РТ-350 резки кремниевых приборных пластин на чипы, РТ-500 резки дисплейных панелей для приборов и средств отображения информации в кабине пилотов истребителей «Су» и «МиГ» и боевых вертолетов «Ка» в отечественной военной промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанная автоматизированная система управления внедрена на российских и зарубежных предприятиях, в том числе:

- на установке резки кремниевых пластин РТ-350 в ОАО «МЗ «Сапфир» г. Москва;

- на установке резки стекла РТ-500 в ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» г. Раменское;

- на установках резки стекла в «Foxconn Technology Group Ltd.» (Тайвань);

Апробация работы. Результаты диссертационной работы демонстрировались на международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2008», «Высокие технологии XXI века - 2010», «Archimedes 2008», «MashMeh 2008», V международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2009», VI международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2010».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сформулированные требования к АСУ ТП и основным функциональным узлам технологического оборудования для ЛУТ.

2. Программное обеспечение LaserCut - АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.

3. Алгоритмы АСУ ТП ЛУТ и входящих в состав программных модулей управления: устройством нанесения первоначального

дефекта (УНПД), устройством видео контроля позиционирования, устройством управления блоками питания и охлаждения лазеров.

4. Оптимизированные технологические режимы ЛУТ кремниевых пластин и стекла на промышленных установках, полученные экспериментальным путём.

5. Программные модули: УНПД, в том числе для утонённых кремниевых пластин и тонкого стекла, модуль позиционирования приборной пластины, позволяющий производить резку структур с обратной стороны подложки, тем самым, обеспечивая высокую степень чистоты процесса ЛУТ.

6. Схема и алгоритм программно-аппаратного модуля контроля лазерного реза, которое позволяет определить наличие микротрещины для конкретного реза.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСКРОЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Механические методы разделения хрупких неметаллических материалов

В настоящее время основным технологическим процессом резки стекла и многих других хрупких неметаллических материалов является резка с помощью твердосплавных роликов.

При нанесении надреза на поверхности стекла остается след - так называемая линия реза, под которой образуется трещина, идущая вертикально вглубь (глубинная трещина), иногда ее называют медианной трещиной (рис. 1). При этом важно, чтобы эта трещина достигла зоны растяжения, тогда она легко растет дальше и способствует разлому стекла, так как напряжения растяжения способствуют разрушению.

Поверхностная Линия реза

фрагмент линии реза 25х

Глубинная Боковая трещина

Рис. 1. Схема образования трещин в стекле при нанесении линии реза

То есть резку необходимо вести так, чтобы получить трещину длиной, равной как минимум толщине сжатого слоя. Обычно в нормально отожженном стекле напряжения сжатия в приповерхностном слое составляют ~ 1/6 толщины стекла. Если глубинная трещина будет иметь недостаточную длину, стекло может не разломиться или разломится не по линии реза.

тре

Для механизированной резки стекла, используют стеклорежущие ролики из твердых сплавов (рис. 2 а, б). Благодаря круглой форме ролик катится по поверхности стекла, и образующаяся при этом глубинная трещина практически всегда направлена вертикально. Ролики крепятся с помощью оси в специальные режущие головки с одним или несколькими сменными роликами (рис. 2 в). В России выпускают ролики из карбидов вольфрама марок ВК-2, ВК-3, ВК-6. От материала и качества заточки ролика зависит его стойкость, т.е. рабочий ресурс инструмента.

а б в

Рис. 2. Стеклорежущий ролик

а - общий вид стеклорежущего ролика; б - схема стеклорежущего ролика с осью (а - угол заточки ролика);

в - режущая головка.

Диаметр ролика выбирают в зависимости от толщины стекла. Чем больше диаметр ролика, тем больше глубинная трещина, но при этом образуются боковые трещины, ухудшающие качество кромки. В грубом приближении считается, что диаметр ролика должен равняться толщине стекла.

Важное значение при резке стекла имеет правильный выбор угла заточки режущих граней ролика (а), который является главным параметром резки, а также нагрузка, с которой ролик давит на стекло при нанесении линий реза. Угол заточки ролика может быть от 100 до 165°. Для каждой

толщины стекла существует оптимальный угол и соответствующая ему оптимальная нагрузка. При правильном выборе соотношения между углом заточки и нагрузкой получается качественный рез и требуется минимальное усилие разлома стекла. В отдельных случаях, при соблюдении определенных параметров, можно получить сквозную трещину, то есть когда разлом осуществляется самопроизвольно, без приложения усилия, что особенно важно при фигурной резке.

Сложность раскроя стекла заключается в том, что кроме глубинной, так называемой главной (полезной) трещины, при нанесении линии реза образуются боковые (вредные) трещины, которые при определенных условиях могут выходить на поверхность стекла с образованием поверхностных трещин. При этом может происходить отслаивание частичек стекла в виде отлетающей стружки и затруднение разлома по нанесенной линии реза. Это происходит в результате перераспределения напряжений в стекле: напряжения растяжения (разрушающие напряжения) из вершины глубинной трещины перемещаются в боковые трещины, а напряжения сжатия - наоборот. В зависимости от условий резки боковые трещины могут выходить на поверхность раньше или позже, происходит так называемое «старение» реза. Поэтому, чем быстрее производят разлом стекла по линии реза, тем легче его осуществить.

В промышленности при разделении приборных пластин из хрупких неметаллических материалов в настоящее время используются следующие технологии:

- абразивная резка пластин небольшой толщины;

- алмазная резка пилами с внутренней и внешней режущей кромкой;

- скрайбирование пластин на элементы алмазным резцом с последующим разламыванием по полученным рискам;

- лазерное скрайбирование путем образования канавки на поверхности материала.

Наиболее распространенным, до недавнего времени, при раскрое кремниевых подложек является процесс механической резки с помощью абразивного или алмазного режущего инструмента [1, 2, 3].

Основные виды абразивной и алмазной резки приведены на рис. 3.

а) — разрезание проволокой с абразивной суспензией: 1 — проволока, натянутая между

роликами; 2 — разрезаемая пластина; 3 — абразивная суспензия;

б) — разрезание полотном с абразивной суспензией: 1 — натянутое полотно; 2 —

разрезаемая пластина; 3 — абразивная суспензия;

в) — разрезание диском с абразивной суспензией: 1 — вращающийся диск; 2 —

разрезаемая пластина; 3 — абразивная суспензия;

г) — разрезание диском с периодическим нанесением на режущую кромку вязкой

суспензии с зернами абразивного материала;

д) — разрезание с применением ультразвука: 1 — инструмент в виде ножа; 2 —

разрезаемая пластина; 3 — абразивная суспензия;

е) — разрезание полотном с алмазосодержащей режущей кромкой: 1 — натянутое

полотно; 2 — разрезаемая пластина;

ж) — разрезание алмазным кругом с внутренней режущей кромкой: 1 — алмазный круг;

2 — разрезаемая заготовка;

з) — разрезание алмазным кругом с наружной режущей кромкой: 1 — алмазный круг;

2 — разрезаемая пластина

Рис. 3. Схемы механической резки твердых материалов:

Для получения деталей и заготовок с отклонениями размеров и формы до 0,001-0,003 мм и параметрами шероховатости поверхности Ra = 0,050...0,025 мкм наиболее часто применяется в приборостроении и микроэлектронике абразивная резка.

Также достаточно часто проволокой разрезают пластины из полупроводниковых материалов (кремния, арсенида галлия и др.). Используют проволоку диаметром 50-150 мкм из вольфрама, нихрома, стали. Абразивным материалом служит порошок карбида кремния с размером зерна 10-20 мкм. В процессе работы проволока совершает возвратно-поступа�