CN101531035A - 一种电镀金刚石线锯的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电镀金刚石线锯的制造方法及其产品。主要特征如下：首先金属线缠绕在放线轮上，金属线连续运行，依次完成前处理、预镀、上砂、加厚过程，最后缠绕在收线轮上，完成电镀过程。其中，预镀、上砂、加厚在同一电镀槽中完成。上砂是通过电镀槽内连续转动的环形毛带完成的。电镀液中的金刚石磨料在搅拌的作用下悬浮于镀液中，并自然沉积到环形毛带上。通过环形毛带的金属线和环形毛带的线速度相同，从而保证了金属线和环形毛带上的金刚石磨料有一定的相对静止时间，保证了上砂时间。本发明采用环形毛带进行上砂，提高了上砂效率，提高了电镀金刚石线锯的制造效率，降低了制造成本。

Description

一种电镀金刚石线锯的制造方法
技术领域
本发明涉及一种电镀金刚石线锯的制造方法。具体的说涉及一种用环形毛带上砂，制造电镀金刚石锯丝的技术。
背景技术
由于硅晶体、陶瓷等硬脆材料硬度高、脆性大，切割工序过程中容易产生崩碎损坏，造成材料的损伤，降低成品率。因此，这些材料很难采用普通的加工方法切割。传统的半导体材料切割通常采用金刚石内、外圆切割技术。随着半导体行业的发展，特别是硅晶块直径的逐渐增大，从集成电路问世以来，可制成硅棒的直径由2英寸、4英寸发展到目前主流的12英寸。由于产量、生产率，尺寸等各种因素的影响，金刚石线锯将被广泛地应用于硬脆材料如单晶硅、多晶硅等硬脆材料的的切割加工。
现在可用于硅晶体等硬脆材料的线锯切割方法主要有使用游离磨料的切割和使用固结磨料的切割两种。硅晶体等半导体材料的切割加工中。目前主流的是采用游离磨粒的线锯切割技术，其原理是利用钢丝快速运动将含磨料的液体带入工件切缝，产生切削作用。磨液由磨料和矿物油按一定比例混合而成。常用的磨料为碳化硅。钢丝锯可以用单根，但常用多根钢丝同时切割。钢丝锯的主要特点为：切缝窄，切片量大，切片成本低；但也存在着切割效率低，可靠性差、作业环境恶劣和废浆液的处理等问题。另外由于磨料难于回收，考虑到成本问题，目前还无法使用金刚石磨料。
针对这些问题，近几年固结磨料金刚石线锯逐步开始进入工业应用，即切割用的锯丝表面已经固结有金刚石磨粒，切割过程中固结磨粒替代了原来的游离磨粒，使切割效率大大提高。目前这种固结有金刚石磨粒的锯丝通常采用树脂粘结法固化技术和电镀工艺制造而成。传统的树脂粘结法固化技术采用的结合剂是酚醛树脂之类的热固型树脂。线锯制作中的树脂固化需要加热和烧结工序，因此，线锯制造速度只能提高到每分钟数十米左右，在硅片生产现场使用线锯成本太高。为降低树脂结合剂金刚石线锯的制造成本，人们研究开发出结合剂采用紫外线光固化树脂的金刚石线锯，一定程度上提高的线锯的制造速度。和电镀制造的金刚石线锯相比，虽然树脂粘结剂金刚石线锯具有成本低、制造速度快等优势。但无论是热固树脂还是光固树脂，其磨粒的把持力都有待提高。另外，树脂结合剂线锯的耐磨性和耐热性均比电镀线锯差，在水晶之类的硬质材料或加工温度高的大直径硅锭的多道切割中难以应用。
电镀金刚石线锯是以电镀金属为结合剂，以金刚石为磨料，通过电镀金属的电沉积作用，把金刚石磨料牢固地电镀在钢丝基体上而制成的一种切割工具。金属结合剂通常采用金属镍。和树脂结合剂金刚石线锯相比，电镀金刚石线锯的突出优点是金属镀层对磨粒的把持力高，镀层的耐热性和耐磨性高，锯丝寿命长。电镀金刚石线锯的一般制造过程为：镀前预处理，上砂，加厚和后处理。镀前预处理主要包括：碱洗除油、酸洗除锈和预镀镍。后处理主要为除氢处理。上砂过程是电镀金刚石线锯制造过程的关键工序，根据所要电镀金刚石工具的形状不同，上砂主要分为落砂法和埋砂法。由于钢丝基体为圆柱体形状，为保证在整个圆柱面上均匀地固结金刚石磨料，一般常采用埋砂法，即将钢丝线放入上砂槽中，并用金刚石磨料将钢丝线全部埋住，在通电的情况下和钢丝线接触的磨料在电沉积的作用下粘附在钢丝线表面完成上砂过程。传统的电镀工艺在制造金刚石锯丝时，受电镀沉积速度的限制，锯丝制造周期长，制造成本高，使得生产效率和生产成本较高。
发明内容
本发明采用环形毛带上砂技术制造电镀金刚石线锯，要解决现有电镀金刚石线锯制造方法的生产效率低、成本高的不足，提供一种能够实现快速电镀金刚石线锯的制造方法。
本发明所涉及的电镀金刚石线锯的制造方法，可实现锯丝在一定运动速度下，连续完成前处理、预镀、上砂和加厚过程。其中预镀、上砂、加厚过程在同一个电镀槽内完成。具体包括如下制备步骤：
(1)前处理，包括钢丝基体碱洗除油和酸洗除锈。碱洗除油和酸洗除锈后分别进行清水清洗。
(2)预镀，是在钢丝基体上预先电镀一层金属镍，以提高镀层的结合力。预镀过程在电镀槽内完成，电镀槽内的镀液可采用瓦特型镀液或氨基磺酸型镀液。
(3)上砂，是将金刚石磨料通过电镀的方法先固定在钢丝基体上。上砂过程也在电镀槽内完成。镀槽内安装有两个导轮，两个导轮上安装有一个表面由毛毡制成的环形毛带，导轮带动环形毛带运动。电镀槽的镀液内按一定比例掺入金刚石磨料，在搅拌的作用下，金刚石磨料悬浮于镀液内。环形毛带运动时，部分悬浮于镀液中的金刚石磨料自然沉积到环形毛带上，在环形毛带上表面形成金刚石磨粒堆积层。环形毛带上开一道窄槽，钢丝线置于窄槽内，环形毛带和钢丝线同步运动，使环形毛带上表面、钢丝线和环形毛带上表面沉积的金刚石磨料成相对静止状态，通电后使和钢丝线接触的金刚石磨料在电镀的作用下固结在钢丝线上，完成上砂。由于钢丝线和环形毛带上堆积的金刚石磨料相对静止，从而使上砂电镀时间充足，提高上砂效率。
(4)加厚，加厚过程也在电镀槽内进行，随着钢丝线的继续运动，当钢丝线和环形毛带脱离后，未粘在钢丝线上的金刚石磨料自然和钢丝线脱离。经上砂粘有金刚石磨料的钢丝线在电镀槽的镀液中运动时，在电沉积的作用下，镀层厚度不断增加，当镀层厚度达到要求时完成加厚过程。最后经过清水清洗，将生成的金刚石线锯缠绕在收线轮上。
为更进一步提高锯丝制造速度，可将环形毛带加宽，进行多条锯丝同时电镀。
优选的做法是加厚电镀层的厚度在金刚石粒径的1/2和4/5之间。
优选的做法是上述镀液内金刚石磨粒浓度8～50克/升。
本发明所用的钢丝线直径可以为0.1～1mm。
在上述钢丝的表面固结的金刚石颗粒的粒径为10～50μm。
本发明中的金刚石磨料也可换成立方氮化硼磨料。
本发明的电镀槽可增加镀液循环过滤系统，使镀液循环流动，将镀液喷在钢丝线上方增加了钢丝线周围的镍离子浓度以进一步提高电流密度，提高生产效率。
本发明的优点是：该发明使电镀金刚石线锯生产过程中的前处理、预镀、上砂和加厚过程在锯丝的连续运动过程中同时完成。该发明采用了环形毛带上砂技术制造电镀金刚石线锯，提高了上砂过程金属线和金刚石磨料的相对静止时间，提高了电镀金刚石线锯的生产效率，降低了生产成本。用该方法生产电镀金刚石线锯可使电镀金刚石线锯有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电镀金刚石线锯制造方法的工艺流程图。
图2为本发明用的环形毛带示意图。
图中标号：1-加载器，2-放线轮，3-金属线，4-碱洗槽，5-超声清洗机，6-清洗槽，7-酸洗槽，8-清洗槽，9-直流电源，10-镍阳极，11-导轮，12-环形毛带，13-磁力搅拌机，14-导轮，15-电镀槽，16-清洗槽，17-收线轮，18-耐酸羊毛毡，19-环形橡胶带
具体实施方式
本实施例是关于用于切割半导体材料(如硅晶体)、光电子材料、压电晶体、磁性材料等的电镀金刚石线锯的制造方法。
参照附图1：一种电镀金刚石线锯的制造方法，该方法包括以下步骤：
(1)金属线3采用直径φ0.11mm的琴钢丝，长度：1000m。使用前将金属线缠绕在放线轮2上。
(2)将缠绕在放线轮2上的金属线的另一段经过碱洗槽4，清洗槽6、酸洗槽7、清洗槽8、电镀槽15、清洗槽16，固定在收线轮17上。金属线3经过电镀槽15时，置于环形毛带12的槽内。放线轮2上的加载器1使金属线3增加了一定的张紧力。
(3)收线轮17转动，金属线3依次经过碱洗槽4，清洗槽6、酸洗槽7、清洗槽8、电镀槽15、清洗槽16后，完成碱洗除油、清洗、酸洗除锈、清洗、预镀、上砂、加厚、清洗工序，最后缠绕在收线轮17上形成电镀金刚石线锯，完成电镀过程。
(3)碱洗槽4中为自制的除油碱液，其配方为：氢氧化钠10(克/升)、无水碳酸钠25(克/升)(克/升)、硅酸钠22(克/升)、磷酸钠25(克/升)。除油碱液的温度为50℃。
(4)酸洗槽7中为8％的稀盐酸。
(5)碱洗除油，酸洗除锈，清洗过程在超声清洗机5的超声清洗作用下完成的。
(6)电镀槽15中的镀液配方为：硫酸镍280(克/升)，氯化镍30(克/升)，硼酸30(克/升)，十二烷基硫酸钠0.1(克/升)，1-4丁炔二醇0.5(克/升)。镀液温度40℃，PH值为4.3。
(7)镀液中金刚石磨料粒径为8～10μm，金刚石磨料在镀液中的浓度为25克/升。金刚石磨粒在磁力搅拌机13的搅拌作用下悬浮于镀液中。
(8)接通电源9，金属线3接负极，电镀槽15内的镍阳极10接正极。经过除油、除锈的金属线3进入电镀槽15后首先进行预镀。预镀后金属线3继续运行，和环形毛带12接触的金属线3开始进行上砂过程。上砂过程是这样的：电镀槽15中的导轮11、导轮14匀速转动，带动导轮上的环形毛带12以一定的速度运动。环形毛带12的线速度和金属线3移动的速度相同，从而使环形毛带12槽内的金属线3和环形毛带12保持相对静止。镀液中的金刚石磨料在磁力搅拌机13的搅拌作用下，悬浮于镀液中。一部分金刚石磨料在重力的作用下自然落在环形毛带12上，一部分金刚石磨料由于环形毛带12的吸附作用而附着在环形秒带12上，从而在运动到上面的环形毛带12的顶面形成一层金刚石磨料堆积层。环形毛带12、金属线3和环形毛带12上的金刚石磨料以相同的速度运动，形成相对静止状态。在电沉积的作用下金属镍不断沉积到金属线3上，金属镍沉积到一定程度后，和金属线3接触的金刚石磨料粘附在金属线3上，从而完成上砂过程。
金属线3进一步向前运动，当金属线3脱离环形毛带12后，上砂过程完成，金属线3继续在电镀槽15内进行加厚过程。在电沉积的作用下，金属镍不断沉积到金属线3上，从而使经上砂过程粘附在金属线3上的金刚石磨料在镀层中的埋入量不断加大，当金刚石磨料的埋入量达到金刚石粒径的1/3时，金属线3离开电镀槽15，完成加厚过程。金属线3继续运动经过清洗槽16后缠绕在收线轮17上，形成电镀金刚石线锯。
(9)本实施案例中，电流密度为10A/dm2，预镀层的厚度1～3μm，电镀槽的预镀段、上砂段、加厚段长度的比值为1：2：5。金属线线速度为200mm/min。
(10)环形毛带12是将耐酸羊毛毡18粘到环形橡胶带19上形成的，环形毛带12上中间沿金属线运动方向开有深度1mm，宽度1mm的窄槽。

Claims (6)

1.一种电镀金刚石线锯的制造方法，其特征是：金属线在一定运动速度下，连续完成前处理、预镀、上砂和加厚过程。其中预镀、上砂、加厚过程在同一个电镀槽内完成。
2.根据权利要求1所述的电镀金刚石线锯的制造方法，其特征在于：上砂过程是在电镀槽内的环形毛带上完成的。电镀槽内环形毛带、金属线和环形毛带上的金刚石磨料在同一速度下运动，从而保证金属线和与其接触的金刚石磨料相对静止，在电沉积的作用下完成上砂过程。
3.根据权利要求1所述的电镀金刚石线锯的制造方法，其特征在于：环形毛带由耐酸羊毛或其它耐酸高分子纤维和环形橡胶带制成，环形毛带上开有可容纳金属线的槽。
4.根据权利要求1所述的电镀金刚石线锯的制造方法，其特征在于：电镀槽可增加镀液循环系统，通过化学泵使镀液循环，通过一排喷嘴将镀液喷在环形毛带和金属线上，增加镍离子浓度。
5.根据权利要求1所述的电镀金刚石线锯的制造方法，其特征在于：增加环形毛带和电镀槽的长度，可提高电镀金刚石线锯的生产速度。
6.根据权利要求1所述的电镀金刚石线锯的制造方法，其特征在于：环形毛带的宽度、电镀槽的宽度设计的较宽时，可以进行多条锯丝同时电镀。
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