CN103184094A - 一种用于金刚石线切割技术的冷却液 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于金刚石线切割技术的冷却液，该冷却液主要由润滑剂、乳化剂、防锈剂、分散剂、防腐剂和去离子水组成，其中各组分的质量百分比为：润滑剂5～50％，乳化剂0.05～10％，防锈剂0.1～5％，分散剂0～10％，防腐剂0～5％，余量为去离子水。该冷却液具有优良的润滑性、分散性和易清洗性，适用于晶硅、蓝宝石等硬脆性材料的切割，在满足金刚线高速切割的同时，可实现良好的切片表面光洁度，显著地提高了产品合格率。

Description

一种用于金刚石线切割技术的冷却液

技术领域

本发明涉及一种冷却液，更具体地，本发明涉及用于硬脆性材料片、方及块的切割尤其是用于金刚石线切割的切割液，更具体为用于金刚石线切割的冷却液。

背景技术

目前，硬脆材料切片厂家普遍采用的游离磨料的多线切割技术，虽然能获得良好的切片质量，但由于切割过程是钢线带动砂浆完成切割作用，能量传输步骤多造成大量损耗，因此，切割效率较低。近几年兴起的金刚线切割技术是通过各种方法将金刚砂直接固定在锯丝表面，这样能量传输减少到两步，提高了切割效率，并且由于不使用游离磨料所用的砂浆，作业环境也能得到很大改善。因此，在极力追求降低切割厚度、增大切片尺寸及提高切割效率的硅片生产行业，金刚线切割技术将会逐步成为主流技术。

国外许多线切割机生产厂家都有新型的金刚线切割设备推出，在国内金刚线切割技术还只是用于硅锭开方、去头尾和硅芯的切割及其他硬脆性材料如蓝宝石、锗、碳化硅、砷化镓的切割(后道工序可以研磨和抛光解决表面的粗糙程度问题)。硅片切割一直没有推广，原因是金刚石线的切削力比较大，切割出来的硅片表面质量比较粗糙，不能实现令用户满意的表面质量。

如何改善切片表面质量，不但要从金刚石线锯质量和锯切工艺着手，切割过程中冷却液的润滑、冷却性能也起到不可忽视的作用。

CN102159691A公开了一种与金刚石线锯切割联用的含水切割液，该切割液由分散剂、润湿剂、消泡剂、缓蚀剂、螯合剂、生物灭杀剂和水组成，具有较好的冷却性和分散性。然而，该切割液的润滑性难以满足实际使用的要求。

研究表明，冷却液的良好润滑性可以减缓钢线与硅片之间的硬摩擦，降低摩擦热的产生，从而可以减少线痕，达到提高切片表面质量的效果。

发明内容

为了解决如上技术问题，本发明人经过深入研究发现，通过加入润滑剂，可以显著地改善现有冷却液的性能，特别是在金刚石线切割过程中，可以大幅提高产成品的合格率。

因此，一方面，本发明提供一种用于金刚石线切割的冷却液，该冷却液主要由润滑剂、乳化剂、防锈剂、分散剂、防腐剂和水组成，各组分的质量百分比为：

另一方面，所述的润滑剂为选自聚烷氧基化合物、有机酯、合成碳氢化合物中的一种或多种。

所述的聚烷氧基化合物为选自烷基醇聚氧乙烯醚、烷基醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚、烷基胺聚氧乙烯醚、烷基酸聚氧乙烯酯中的一种或多种。

所述的聚烷氧基化合物的数均分子量范围为200～4000。

所述的有机酯为选自油酸异辛酯、磺化油、山梨醇油酸酯、癸二酸二异辛酯、辛酸季戊四醇酯、三羟甲基丙烷油酸酯的一种。

所述的合成碳氢化合物为选自聚α烯烃、烷基芳香烃的一种或多种。

再一方面，所述的乳化剂为选自壬基酚聚氧乙烯醚(NP系列)、辛基酚聚氧乙烯醚(OP系列)、苯乙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、烷基三甲基铵盐、烷基苯磺酸盐、脂肪酸盐、脂肪醇硫酸盐中的一种或多种。

再一方面，所述的防锈剂为选自三乙醇胺、三乙醇胺硼酸酯、钼酸钠和石油磺酸钡中的一种或多种。

再一方面，所述的分散剂为选自丙烯酸-马来酸共聚物、三乙基己基磷酸、聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、硅酸钠和硅酸钾中的一种或多种。

再一方面，所述的防腐剂为选自苯甲酸或其盐、山梨酸或其盐、对羟基苯甲酸酯、硼酸或其盐以及氯化苯甲烃铵中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要在于：

1.本发明的冷却液具有优秀的润滑、冷却性能，适用于金刚石线切割设备，可以显著地提高切片表面质量和成品率。

2.本发明的冷却液无毒无害，易于清洗，回收。

具体实施方式

本发明主要是用于金刚石线切割技术的冷却液，适用于晶硅、蓝宝石等硬脆性材料的切割。冷却液主要由润滑剂、乳化剂、分散剂、防锈剂防腐剂和水组成。

在本发明的冷却液中添加润滑剂，可以有效减缓钢线与硅片之间的硬摩擦，减少摩擦热的产生，进而可以减少线痕，达到提高切片表面质量的效果。

所述润滑剂为选自聚烷氧基化合物、有机酯、合成碳氢化合物中的一种或多种，其质量百分比范围为5～50％，优选范围为20～50％。当润滑剂的质量百分比大于50％时，冷却液的粘度过大，不易于切割；当润滑剂的质量百分比小于5％时，难以起到有效地润滑效果。

在本发明的冷却液中添加乳化剂可以使冷却液为外观均一液体，并且有利于切片后续清洗。

在本发明的优选实施方案中，乳化剂为选自壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、苯乙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、烷基三甲基铵盐、烷基苯磺酸盐、脂肪酸盐、脂肪醇硫酸盐中的一种或多种。其质量百分比范围为0.05～10％，优选为3～10％。当乳化剂用量小于0.05％，乳化效果不佳；反之，如果乳化剂的用量超过10％，则影响冷却液的润滑性和分散性。

在本发明的冷却液中添加防锈剂可以有效解决因使用冷却液所造成的切割设备生锈问题。

在本发明的优选实施方案中，防锈剂为选自三乙醇胺、三乙醇胺硼酸酯、钼酸钠和石油磺酸钡中的一种或多种。其质量百分比范围为0.1～5％，优选范围为1～5％，防锈剂质量百分比在优选范围的冷却液具有良好的防锈效果。

在本发明的冷却液中添加分散剂可以使切片碎屑均匀地分布于冷却液中，可被冷却液携带，这样有利于切割机及被切割材料的清洁。

在本发明的优选实施方案中，分散剂为选自丙烯酸-马来酸共聚物、三乙基己基磷酸、聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、硅酸钠和硅酸钾中的一种或多种。其质量百分比范围为0～10％。当采用具有分散功能的乳化剂时，本发明的冷却液中可以不再单独添加分散剂。

在本发明的冷却液中添加防腐剂可以有效防止冷却液在使用期内的腐败降解。

在本发明的优选实施方案中，防腐剂为选自苯甲酸或其盐、山梨酸或其盐、对羟基苯甲酸酯、硼酸或其盐以及氯化苯甲烃铵中的一种或多种。质量百分比范围为0～5％。当冷却液的其余组分均为难于腐败降解的物质时，本发明的冷却液中可以不必再单独添加防腐剂。

去离子水，本发明加入去离子水可以有效提高冷却液的冷却性能。另外去离子水对于其他组分是良好溶剂。

需要指出的是，本说明书中提及的各个质量百分数均是以冷却液的总质量为基础的百分数。

下文中给出了本发明中所使用的各种原料和设备以及所采用的制备方法和测试方法的详细说明。

用作润滑剂的聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚、辛二胺聚氧乙烯醚、十二烷基酸聚氧乙烯酯等聚烷氧基化物，可以按照以下制备方法制备得到：在高压反应器中加入适量引发剂和催化剂(根据反应器的大小比例及配比情况确定引发剂的最低加入量，催化剂量为成品量的0.05～0.3％)，密封设备，之后氮气置换，升温，当温度达到60～140℃时通入少量环氧烷烃原料，当温度升高压力下降说明引发反应，之后通入配比量(根据不同分子量的原料确定)的环氧烷烃原料，控制反应温度在60～180℃和釜内压力在0.2～0.6Mpa，待反应完毕，釜内压力逐渐下降至连续30分钟不再下降后，老化降温出料，既得所述聚烷氧基化物。引发剂可以是丁醇、辛二胺、十二烷基酸；催化剂为KOH或NaOH；所述环氧烷烃为环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷中的一种或多种。

磺化油为市售产品。

壬基酚聚氧乙烯醚(NP10)来源于辽宁奥克化学股份有限公司，商品名NP10。

十二烷基磺酸钠为市售产品。

丙烯酸-马来酸共聚物来源于天津五福同泰化工有限公司，商品名MA/AA。

石油磺酸钡来源于南京欧贝克精细化工有限责任公司，商品名T701。

山梨酸钾为市售产品。

聚乙二醇(分子量2000)来源于辽宁奥克化学股份有限公司，商品名PEG-2000。

硅酸钠为市售产品。

十六烷基三甲基氯化铵来源于上海金山经纬化工有限公司，商品名1631。

钼酸钠为市售产品。

苯甲酸钠为市售产品。

油酸异辛酯为市售产品。

辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)来源于辽宁奥克化学股份有限公司，商品名OP-10。

聚丙烯酰胺为市售产品。商品名PAM。

三乙醇胺为市售产品。

三羟甲基丙烷油酸酯为市售产品。

十二烷基三甲基氯化铵为市售产品。

三乙醇胺硼酸酯来源于深圳市美福科技有限公司，商品名三乙醇胺硼酸酯。

对羟基苯甲酸乙酯为市售产品。

脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-20)来源于辽宁奥克化学股份有限公司，商品名AEO-20。

辛酸季戊四醇酯来源于聊城瑞捷化学有限公司，商品名NPE-3。

聚α烯烃为市售产品。商品名PAO2。

三乙基己基磷酸为市售产品。

辛基醇硫酸钠为市售产品。

本发明所述冷却液可以按照以下常压复配方法制备：在20～60℃下，把所述润滑剂、乳化剂、防锈剂、分散剂、防腐剂和去离子水按照所述质量百分比混合后，搅拌10～60分钟即得到所述冷却液。

冷却液的润滑性采用四球摩擦机测定，可以得到摩擦系数和平均磨痕直径，摩擦系数是指润滑剂存在下的滑动摩擦系数，数值越小，润滑性越好；平均磨痕直径是指有润滑剂存在，但不引起卡咬和烧结的试验负荷下，转动球对静止球所产生的平均磨痕直径，该值越小，润滑性能越好，具体测定方法可以参考中华人民共和国国家标准GB-T12583-1998。

冷却液的分散性通过测定冷却液对硅粉的悬浮稳定性来表征的。测定方法为：先将硅粉与冷却液以一定比例混合成均匀的悬浊液，装入100mL量筒内，自然沉降，记录不同时间上清液的体积。数值越小，代表分散性越好。

冷却液的防锈性测定采用单片和叠片防锈实验方法测定，将已配置好的切割液滴加在试片上，放入已恒温到35±2℃的恒温箱中，连续试验到规定时间取出试片进行观察，同样分为A、B、C、D四个等级。A级防锈性能最好，D级最差。具体测试方法可以参考中华人民共和国国家标准GB6144-85。

下面结合实施例和实验数据对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于下列实施例。

实施例一

配制1000g冷却液，取聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚(数均分子量600)400g、磺化油100g、壬基酚聚氧乙烯醚(NP10)50g、十二烷基磺酸钠50g、丙烯酸-马来酸共聚物(重均分子量10000)100g，石油磺酸钡50g、山梨酸钾25g、水225g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚、磺化油、壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠、丙烯酸-马来酸共聚物、石油磺酸钡、山梨酸钾，搅拌30分钟即得金刚线冷却液A。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例二

配制1000g冷却液，取聚乙二醇(数均分子量2000)200g，硅酸钠80g，十六烷基三甲基氯化铵30g、钼酸钠10g、苯甲酸钠50g，水630g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的聚乙二醇、硅酸钠、钼酸钠、十六烷基三甲基氯化铵、苯甲酸钠，搅拌30分钟即得金刚线冷却液B。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例三

配制1000g冷却液，取辛二胺聚氧乙烯醚(数均分子量1000)300g，油酸异辛酯100g，辛基酚聚氧乙烯醚(OP10)100g、聚丙烯酰胺80g，三乙醇胺30g，水390g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的辛二胺聚氧乙烯醚、油酸异辛酯、辛基酚聚氧乙烯醚、聚丙烯酰胺、三乙醇胺，搅拌30分钟即得金刚线冷却液C。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例四

配制1000g冷却液，取十二烷基酸聚氧乙烯酯(数均分子量1500)300g，三羟甲基丙烷油酸酯50g，十二烷基三甲基氯化铵50g、三乙醇胺硼酸酯30g、对羟基苯甲酸乙酯30g，水540g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的十二烷基酸聚氧乙烯醚、三羟甲基丙烷油酸酯、十二烷基三甲基氯化铵、三乙醇胺硼酸酯、对羟基苯甲酸乙酯，搅拌30分钟即得金刚线冷却液D。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例五

配置1000g冷却液，取脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-20)200g，辛酸季戊四醇酯100g，聚α烯烃(PAO2)100g，三乙基己基磷酸50g，辛基醇硫酸钠30g，钼酸钠10g，水510g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的脂肪醇聚氧乙烯醚、辛酸季戊四醇酯、聚α烯烃(PAO2)、三乙基己基磷酸、辛基醇硫酸钠、钼酸钠，搅拌30分钟即得金刚线冷却液E。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例六

配制1000g冷却液，取聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚(数均分子量600)300g、磺化油50g、壬基酚聚氧乙烯醚(NP10)50g、十二烷基磺酸钠50g、丙烯酸-马来酸共聚物(重均分子量10000)100g，石油磺酸钡50g、山梨酸钾25g、水375g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚、磺化油、壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠、丙烯酸-马来酸共聚物、石油磺酸钡、山梨酸钾，搅拌30分钟即得金刚线冷却液F。其性能指标参见下文的表1～3。

实施例七

配制1000g冷却液，取聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚(数均分子量600)200g、磺化油50g、壬基酚聚氧乙烯醚(NP10)50g、十二烷基磺酸钠50g、丙烯酸-马来酸共聚物(重均分子量10000)100g，石油磺酸钡50g、山梨酸钾25g、水475g。

在连续搅拌下的水中缓慢依次加入上述量值的聚氧乙烯聚氧丙烯丁醇醚、磺化油、壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠、丙烯酸-马来酸共聚物、石油磺酸钡、山梨酸钾，搅拌30分钟即得金刚线冷却液G。其性能指标参见下文的表1～3。

表1冷却液的润滑性

样品	摩擦系数	平均磨痕直径
			实施例一的冷却液A	0.040	0.378
实施例二的冷却液B	0.046	0.418
			实施例三的冷却液C	0.039	0.376
实施例四的冷却液D	0.043	0.389
			实施例五的冷却液E	0.042	0.383
实施例六的冷却液F	0.042	0.395
			实施例七的冷却液G	0.047	0.404
市售冷却液H	0.062	0.507

从表1可以看出，本发明的冷却液的润滑性能与润滑剂的组成及质量百分比有关，同样组成条件下，对比实施例一、六、七可以看出，随着润滑剂质量百分比的升高，摩擦系数降低，磨痕直径减小。从表1也可以看出本发明实施例中的冷却液其润滑性要优于市售冷却液。

表2冷却液的分散性

从表2可以看出，本发明的冷却液的分散性优于市售冷却液。

表3冷却液的防锈性

样品	单片试验	叠片试验
			实施例一的冷却液A	A级	合格
实施例二的冷却液B	A级	合格
			实施例三的冷却液C	A级	合格
实施例四的冷却液D	A级	合格
			实施例五的冷却液E	A级	合格
实施例六的冷却液F	A级	合格
			实施例七的冷却液G	A级	合格
市售冷却液H	A级	合格

从表3可以看出，本发明的冷却液具有良好的防锈效果。

虽然为了说明本发明，已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明构思和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、添加和替换。

Claims (11)

1.一种用于金刚石线切割的冷却液，主要由润滑剂、乳化剂、防锈剂、分散剂、防腐剂和水组成，其中各组分的质量百分比为：

2.根据权利要求1所述的冷却液，其中所述的润滑剂为选自聚烷氧基化合物、有机酯和合成碳氢化合物中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的冷却液，其中所述的聚烷氧基化合物为选自烷基醇聚氧乙烯醚、烷基醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚、烷基胺聚氧乙烯醚、烷基酸聚氧乙烯酯中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的冷却液，其中所述的聚烷氧基化合物的数均分子量范围为200～4000。

5.根据权利要求2所述的冷却液，其中所述的有机酯为选自油酸异辛酯、磺化油、山梨醇油酸酯、癸二酸二异辛酯、辛酸季戊四醇酯、三羟甲基丙烷油酸酯中的一种。

6.根据权利要求2所述的冷却液，其中所述的合成碳氢化合物为选自聚α烯烃、烷基芳香烃的一种或多种。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的冷却液，其中所述的乳化剂为选自壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、苯乙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、烷基三甲基铵盐、烷基苯磺酸盐、脂肪酸盐、脂肪醇硫酸盐中的一种或多种。

8.根据权利要求1～7中任一项所述冷却液，其中所述的防锈剂为选自三乙醇胺硼酸酯、三乙醇胺、钼酸钠和石油磺酸钡中的一种或多种。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的冷却液，其中所述的分散剂为选自丙烯酸-马来酸共聚物、三乙基己基磷酸、油酸酰胺、聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、硅酸钠和硅酸钾中的一种或多种。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的冷却液，其中所述的防腐剂为选自苯甲酸或其盐、山梨酸或其盐、对羟基苯甲酸酯、硼酸或其盐以及氯化苯甲烃铵中的一种或多种。

11.根据前述权利要求中任一项的冷却液，在单晶硅、多晶硅、锗、砷化镓、石英、氮化铟镓或宝石的加工方面的应用。