多线切割（Multi-Wire Sawing）中使用绿碳化硅（Green Silicon Carbide, GC）

总的来说，绿碳化硅是多线切割技术早期和当前在某些特定领域应用的重要磨料，但在主流的硅片（光伏和半导体）切割领域，它已被性能更优的金刚石线所取代。

下面我们从几个方面进行详细解析：

1. 绿碳化硅的基本特性

绿碳化硅（SiC）是由石英砂、石油焦和少量食盐在高温电阻炉中冶炼而成的人造磨料。其特点是：

• 高硬度：莫氏硬度达9.5，仅次于金刚石和立方氮化硼（CBN）。这使得它能有效切割高硬材料。

• 锋利的棱角：晶体形态呈尖锐的碎片状，具有良好的自锐性，在切割过程中能不断产生新的锋利刃口。

• 脆性较大：相比黑碳化硅，绿碳化硅纯度更高，性能更脆，更容易在受力时碎裂形成新的切削刃，因此研磨效率更高。

• 良好的导热性：有助于在切割过程中散发热量。

基于这些特性，绿碳化硅非常适合作为游离磨料使用。

2. 在多线切割中的应用原理（砂浆切割）

在多线切割技术发展的早期和中期，绿碳化硅是“砂浆切割法”的核心材料。

• 工艺过程：

  1. 一根极细的钢丝（通常是钢琴丝）在导轮的引导下高速移动，形成一张密集的“线网”。

  2. 将绿碳化硅微粉（通常粒径在5-20μm之间）与聚乙二醇（PEG）等载液混合，制成悬浮状的切割砂浆。

  3. 砂浆被泵送到线网上，随着钢丝的运动，被带入切割区域（工件）。

  4. 高速运动的钢丝将数百万颗细小的绿碳化硅颗粒“带入”工件，通过无数个微小的滚动、挤压、刻划作用，实现对硬脆材料的三维磨削，最终将工件切割成薄片。

• 优点（在当时）：

  • 能够一次性切割出数百甚至上千片薄片，效率远优于内圆锯。

  • 对硅、蓝宝石、磁性材料等硬脆材料具有良好的切割能力。

  • 技术相对成熟，成本在特定时期具有优势。

3. 绿碳化硅砂浆切割的缺点与挑战

尽管曾广泛应用，但绿碳化硅砂浆切割存在一些固有的、难以克服的缺点：

1. 切割效率低：磨削是三维随机的材料去除方式，材料去除率远低于固定的切削刃。切割速度慢，耗时较长。

2. 材料损耗大（Kerf Loss大）：由于是磨削而非切削，切缝（锯缝）宽度必须远大于钢丝直径和磨料粒径之和，导致大量珍贵的原材料被磨成碎屑而浪费。例如，切割硅锭时，有近40%-50%的硅材料被损耗。

3. 表面损伤层深：磨粒的随机滚动和挤压会在硅片表面和亚表面产生较大的微裂纹和损伤层，需要后续更复杂的研磨和抛光工序来去除，增加了制程和成本。

4. 线径限制：为了保证砂浆的流动性并携带足够磨料，钢丝不能太细，否则容易断裂，这限制了切缝的进一步减小。

5. 环境污染：使用后的PEG砂浆处理起来比较麻烦，存在一定的环境压力。

6. 工艺复杂：需要精确控制砂浆的粘度、浓度、流速以及钢丝的张力、速度等众多参数，工艺窗口较窄。

4. 现状：金刚石线的革命性替代

大约从2010年开始，尤其是2014年以后，金刚石线锯（Diamond Wire Saw, DWS） 技术实现了大规模产业化，并彻底改变了光伏和半导体硅片的切割格局。

金刚石线是在钢丝基体上通过电镀或树脂固结的方式，将金刚石微粉颗粒牢固地镶嵌在表面。

与绿碳化硅砂浆切割相比，金刚石线切割具有压倒性优势：

• 切割效率极高：速度是砂浆切割的2-4倍，大大提升了产能。

• 材料损耗极低（Kerf Loss小）：是固结磨料，切缝几乎等于“线径+金刚石粒径”，材料利用率大幅提升（硅料损耗从45%降至20%以下）。这是最关键的经济性优势。

• 表面质量好：切割方式更接近精密切削，表面损伤层浅，有利于后续加工。

• 环保：只需使用水基冷却液即可，无需处理复杂的PEG砂浆，更环保。

• 工艺简单：参数控制更容易，良品率更高。

5. 绿碳化硅多线切割的当前应用领域

尽管在硅片切割领域被淘汰，但绿碳化硅多线切割并未完全消失，仍在一些对成本敏感或材料特殊的领域有其应用价值：

• 光学晶体：切割某些红外晶体、非线性光学晶体等。

• 磁性材料：切割铁氧体等磁性材料。

• 陶瓷材料：切割某些工业陶瓷、结构陶瓷。

• 蓝宝石的粗加工：在蓝宝石衬底切割的某些粗加工环节，出于成本考虑，仍有使用。

• 研究和小批量生产：对于实验室或小批量、多品种的硬脆材料加工，砂浆切割的灵活性和初始设备投资成本可能仍是一个考虑因素。

总结