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研究生： 鄧嘉豪
CHIA-HAO TENG
論文名稱： 鑽石線鋸切割硬脆材料暨加工參數之研究
The Research of Diamond Wire Slicing Brittle Materials and Process Parameters
指導教授： 左 培 倫
Pei - Lum Tso
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 96
中文關鍵詞： 鑽石線鋸 、延性磨削 、固定磨粒加工
外文關鍵詞： Diamond Wire, Ductile Regime, Fixed Abrasive
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    • 鑽石線鋸切割是目前利用在切割石材及其他硬脆材料的一種固定磨粒加工方式，相對於游離磨粒線鋸其優點在於提升材料移除率以及加工磨粒能充分被利用，能夠有效的提高產能。
    為了能夠將鑽石線鋸在未來能應用於半導體晶圓切割等高成本的材料加工之中，本文在研究中國砂輪公司所研發的鑽石硬銲線鋸；本論文首先推導單顆鑽石磨粒移除體積公式，來幫助瞭解磨粒移除材料體積之過程，並以實驗來驗證；其次有效降低切割後硬脆材料之表面粗度到1μm以內，並針對矽試片表面粗度在1μm左右的實驗參數進行研究，觀察加工參數（進給速度、線鋸速度、進給壓力）對加工特性（材料移除率、表面粗度）之影響，計算單顆鑽石其單位時間之平均進給，再引入延性磨削理論，用以解釋整個磨粒切割試片之過程；最後利用類神經網路模擬，尋求加工過程最適切之加工參數，並討論此一鑽石線鋸應用在實際鋸切可行性。

    At present, diamond grain wire slicing is the tool that uses fixed abrasives to cut ceramic and other brittle materials. Contrast to free abrasive wire slicing, fixed abrasive wire slicing can improve material removal rate and make the diamond grain used efficiently. So it can promote the productivity of material.
    In order to make the diamond grain wire saw apply to high cost production in semiconductor industry such as wafer slicing. This paper researches the brazed diamond grain wire saw that the Kinik company manufactures. First we deduce Single-diamond grain remove material volume formula. It is helpful to realize the process of diamond grain remove material. And through some experiment to analysis and discuss the formula .Second we focus on surface roughness about 1μm and observe the effect that process parameters ( feed velocity、wire velocity、feed pressure) to working parameters(material remove rate、surface roughness).By Calculating average feed velocity of single-diamond grain, we can use ductile regime theorem to explain the process of diamond grain slicing brittle materials；Finally we use neural network to simulate the effect that process parameters to working parameters, find out the suitable process parameters, and discuss the workable of diamond grain wire slicing brittle materials.

    論文目錄 英文摘要………………………….………………………………….…I 中文摘要……………………….…………………………………….II 誌謝……………………………….…………………………………III 目錄……………………………….……………………………………IV 圖目錄……………………………….………………………………VII 表目錄……………………………….………………………………XI 第一章. 簡介 1.1研究背景……………………………….……………………….…1 1.2鑽石線鋸………………………………………………….…….…4 1. 3問題描述……………………………………………………….…9 1.4文獻回顧 ……………………………………………………..10 第二章.硬脆材料加工 2.1矽晶材料與精密陶瓷……………………………………………19 2.2硬脆材料的精密加工原理（延性磨削）………………………21 2.3硬脆材料實驗……………………………………………………24 第三章..實驗設備與實驗規劃 3.1實驗設備與耗材…………………………………………………26 3.2實驗規劃…………………………………………………………29 3.3實驗步驟…………………………………………………………30 第四章.鑽石磨粒移除材料體積公式之推導與驗證 4.1鑽石磨粒對材料體積去除公式推導……….…………………36 4.2材料移除公式驗證………………………………………………39 4.3實驗分析討論……………………………………………………44 第五章.鑽石線鋸實驗分析 5.1鑽石線鋸對矽晶棒材料實驗分析………………………………46 5.1-1進給速度……………………………………………………..48 5.1-2線鋸轉速……………………………………………………..53 5.1-3進給壓力……………………………………………………..57 5.2實驗結果與討論…………………………………………………62 5.2-1加工參數對加工特性之討論…………………………….….62 5.2-2單顆鑽石平均進給計算………………………………….….64 5.2-3延性磨削………………………………………………….….66 5.3矽試片表面與切屑之觀察………………………………………69 5.3-1矽試片（3D光學干涉量測儀）…………………………..…69 5.3-2矽試片（數位相機）……………………………………….…71 5.3-3切屑（光學顯微鏡）………………………….…………..….73 第六章. 類神經網路對加工參數之研究 6.1類神經網路簡介………………………………….…..…...…..74 6.2類神經網路之應用與加工參數分析…………………..………..77 6.3類神經網路對加工參數之研究………………………..……..82 第七章.結論與未來展望…………………………………….….….85 附錄 （註一）矽晶棒密度……………………………….………………87 （註二）鑽石線鋸實驗表…………………………………….……88 （註三）類神經網路模擬數據………………………...…………94 參考文獻………………………………………………………….…...96 圖目錄 圖1-1內圓鋸片鋸切晶棒示意圖……………………………………....14 圖1-2複線式線鋸鋸切晶棒 ………………………….……………….14 圖1-3固定磨粒與游離磨粒示意圖……………………………………15 圖1-4硬銲、電鍍、樹脂三種線鋸示意圖………………………………15 圖1-5(a)硬焊線鋸間的鑽石分佈（50倍）……………………………16 圖1-5(b)硬焊線鋸間的鑽石分佈（100倍）…………………………….16 圖1-6纜線鑽石線鋸示意圖……………………………………………17 圖1-7H.Suwabe提出旋轉工作物的方式(rotation type) …………..….17 圖1-8H.Suwabe提出旋轉工作物的方式(rotation type) …………..….18 圖2-1複線式切割圖………………………………….……………..…25 圖2-2磨粒對材料去除過程示意圖.………………………………..…25 圖3-1單線線鋸切割機示意圖.………………………………………..32 圖3-2表面粗度儀.……………………………………………………..32 圖3-3張力感測器.……………………………………………………..33 圖3-3張力感測器架設示意圖.………………………………………...33 圖3-5OLYMPUS公司PM-10AD光學顯微鏡.………………………..34 圖3-6WYKO.……………………………………………………….…..34 圖3-7電阻尺裝置示意圖.……………………………………………...35 圖3-8線鋸實驗中所使用的鑽石.……………………………………...35 圖4-1單顆鑽石磨粒對材料去除示意圖（一）………………………36 圖4-2單顆鑽石磨粒對材料去除示意圖（二）………………………37 圖4-3單顆鑽石磨粒對材料去除示意圖（三）………………………37 圖4-4進給速率與材料移除率之關係（線鋸轉速160 rpm）………….40 圖4-5進給速率與材料移除率之關係（線鋸轉速150 rpm）………….41 圖4-6鑽石磨粒實驗-公式比較圖………………………………….….43 圖4-7單顆鑽石磨粒對材料去除示意圖（四）……………….………...45 圖5-1 在進給壓力0.3（Mpa）、線鋸速度2225（mm/sec），進給速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖……….…………………...50 圖5-2 在進給壓力0.3（Mpa）、線鋸速度3000（mm/sec），進給速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖……….…………………...50 圖5-3 在進給壓力0.5（Mpa）、線鋸速度2225（mm/sec），進給速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖……….…………………...51 圖5-4 在進給壓力0.5（Mpa）、線鋸速度3000（mm/sec），進給速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖……….…………………...51 圖5-5 在進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度2225（mm/sec），進給速度（mm/sec）與材料移除率（g/sec）關係圖…………52 圖5-6 在進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度3000（mm/sec），進給速度（mm/sec）與材料移除率（g/sec）關係圖…………52 圖5-7 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖………………..54 圖5-8 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖………………..55 圖5-9 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與表面粗度（μm）關係圖………………..55 圖5-10 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與材料移除率（g/sec）關係圖……….56 圖5-11 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與材料移除率（g/sec）關係圖……….56 圖5-12 在進給速度0.1（mm/sec）、進給壓力0.3（Mpa）、0.5（Mpa）線鋸速度（mm/sec）與材料移除率（g/sec）關係圖…………57 圖5-13 在進給速度0.1（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000 （mm/sec），進給壓力（Mpa）與表面粗度（μm）關係圖………59 圖5-14在進給速度0.3（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000（mm/sec），進給壓力（Mpa）與表面粗度（μm）關係圖………59 圖5-15在進給速度0.5（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000（mm/sec），進給壓力（Mpa）與表面粗度（μm）關係圖………60 圖5-16在進給速度0.1（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000（mm/sec），進給壓力（Mpa）與材料移除率（g/sec）關係圖…60 圖5-17在進給速度0.1（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000（mm/sec），進給壓力（Mpa）與材料移除率（g/sec）關係圖…61 圖5-18在進給速度0.1（mm/sec）、線鋸速度2225（mm/sec）3000（mm/sec），進給壓力（Mpa）與材料移除率（g/sec）關係圖…61 圖5-19鑽石線鋸空切示意圖……………………….………………..63 圖5-20波浪紋狀之矽試片……………………….…………………..63 圖5-21鑽石線鋸鋸切示意圖……………………….………………..64 圖5-22為陶瓷與金屬的應力-應變曲線……………………….……66 圖5-23鑽石磨粒延性磨削過程示意圖……………………….……...67 圖5-24矽試片3-D圖形（WYKO）……………………….………….69 圖5-25 矽試片順鋸切方向2-D圖（WYKO）…………………….….70 圖5-26 矽試片垂直鋸切方向2-D圖形（WYKO）…………………..70 圖5-27矽試片表面（數位相機）………………………….……………71 圖5-28矽試片表面（數位相機）………………………….……………71 圖5-29矽試片表面放大（數位相機）………………………….………72 圖5-30矽試片表面（數位相機）………………………….……………72 圖5-31矽試片表面放大（數位相機）………………………….………72 圖5-32光學顯微鏡切屑（放大100倍）……………………….……...73 圖5-33光學顯微鏡切屑（放大100倍）………………………….…….73 圖6-1 黑盒子理論示意圖……………………….…………………….75 圖6-2類神經網路架構示意圖……………………….………………..76 圖6-3類神經網路加工參數分析（粒度60/80、O.3Mpa）……………78 圖6-4類神經網路加工參數分析（粒度60/80、O.5Mpa）…………….78 圖6-5類神經網路加工參數分析（粒度200/230、O.3Mpa）…………79 圖6-6類神經網路加工參數分析（粒度200/230、O.5Mpa）………….79 圖6-7類神經網路加工參數分析（粒度400/420、O.3Mpa）…………80 圖6-8類神經網路加工參數分析（粒度400/420、O.5Mpa）…………80 圖6-9類神經網路加工參數分析（粒度400/420、O.5Mpa）…………82 表目錄 表2-1氧化物陶瓷用途………………………………..…………..……21 表3-1、參數及範圍選定……………………..………………..…….….30 表4-1鑽石線鋸對矽晶片材料之研究（實驗一）….……….………….39 表4-2鑽石線鋸對矽晶片材料之研究（實驗二）….……….………….40 表4-3鑽石線鋸對矽晶片材料之研究（公式一）….……….…………..42 表4-4鑽石線鋸對矽晶片材料之研究（公式二）….……….…………..42 表5-1不同粒度鑽石線鋸在不同進給壓力下的表面粗度差………...47 表5-2鑽石線鋸實驗數據……………………………………………...65 表6-1類神經網路參數加工參數之實驗數據表………………….…..83 表6-2類神經網路對加工參數研究之設定…………………….……84

    參考文獻
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