CN106637359B - 轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法 - Google Patents

轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，将高精度的铝合金基体进行化学镀处理，放入到含有金刚石磨料的电镀液中，在直流电场的作用下，均匀悬浮的金刚石磨料在阳极镍离子的阴极还原的同时被包裹进入镀层，均匀共沉积一定时间后形成所需厚度的复合镀层；再经镀层表面精密研磨、外圆磨削、刀刃反面微腐蚀处理工艺，制造出刀刃厚度0.010mm~0.150mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮。采用含磷的氨基磺酸镍电镀液，并借助硬化剂的增硬作用和应力消除剂的微应力作用，获得低应力、高硬度的新型镍基结合剂，实现了轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮切割刀刃具有极低的应力和较高的强度，避免了砂轮在实际应用中因应力变形或强度过低导致的切割断刀。

Description

轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法
技术领域
本发明属半导体精密加工技术领域，涉及一种半导体硅晶圆、氧化物晶圆等硬脆材料的精密加工工具及其制造方法，具体涉及一种轮毂型电镀超薄切割砂轮的制造方法。
背景技术
在半导体、光电材料切割加工中，需使用高精度的金刚石砂轮对晶片进行分割或开槽。目前，金刚石切割砂轮制造工艺主要是采用热压法或复合电沉积法，而热压法受到其制造工艺限制，目前对于厚度为0.080mm以薄的切割砂轮很难实现。采用复合电沉积法制造的金刚石切割砂轮有三种：无轮毂式金刚石切割片（软刀），粘结型金刚石切割砂轮和轮毂型电镀金刚石切割砂轮（硬刀）。无轮毂式切割片是在阴极母板上复合电沉积出环状金刚石层，然后与母板分离后经冲压成型；此种砂轮在使用时需配用精密法兰，装刀要求高，使用前还需在线修圆，使用不太方便；粘结型轮毂式切割砂轮是将上述砂轮环用胶粘剂（或焊接剂）与基体粘结在一起而制成；但在粘结时，由于粘结厚度的均匀性不易控制，砂轮精度不易保证，粘结强度也不够稳定。而轮毂型电镀超薄切割砂轮是将镍-金刚石复合层一次性电镀成型，尺寸精度高，使用方便，代表着该类砂轮产品的技术发展方向。但轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮受多种因素影响，普遍存在切割刀刃应力过大，强度过低，在实际应用中，频繁出现切割过程中断刀的严重质量问题。
发明内容
针对现有技术中存在的切割断刀问题，本发明提供一种轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，采用含磷的氨基磺酸镍电镀液，借助硬化剂的增硬作用和应力消除剂的微应力作用，获得低应力、高硬度的新型镍基结合剂，实现了轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮切割刀刃具有极低的应力和较高的强度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
（1）将砂轮基体进行化学镀处理；
（2）复合电沉积
将化学镀处理后的砂轮基体作为阴极放入氨基磺酸镍电镀液中，球形镍作为阳极，在外接直流电的作用下，实施金刚石磨料与镍金属离子的共沉积，在砂轮基体上形成复合镀层；
（3）镀层表面精密研磨
采用碳化硅研磨棒对复合镀层表面进行精密研磨，去除复合镀层表面的组织缺陷，使得复合镀层表面组织均匀；
（4）外圆磨削
采用陶瓷砂轮对砂轮外圆进行粗磨，然后使用石墨砂轮对砂轮外圆进行精磨，使得超薄砂轮外圆圆度≤5μm；
（5）刀刃反面微腐蚀
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为100~150:1~5:40~60的化学复合微腐蚀液对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，使得刀刃反面的金刚石裸露。
步骤（1）中的砂轮基体为铝合金基体，其平面度为0.002mm，内孔精度为IT5级。
步骤（3）中组织缺陷包括电镀浮砂、镀层凸起、镀层凹坑。
步骤（2）复合电沉积时电镀电流密度为2~5A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5。
步骤（2）氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、硬化剂、应力消除剂、分散剂、去离子水、金刚石磨料的重量比为40~60：0.3~0.6：0.05~0.1：3.5~4.5：0.4~0.7：0.01~0.03：0.1~0.3：80~90：0.1~1配置，搅拌均匀。
硬化剂为乙氧基化丙炔醇、甘油单丙炔醚、丙氧基化丁炔二醇、二乙基丙炔胺中的任一种。
应力消除剂为对-甲苯磺酰胺、邻-苯甲酸磺酰亚胺、丙烯基磺酸中的任一种。
分散剂为磺基丁二酸二戊酯钠盐、乙基己基硫酸钠、月桂基醚硫酸盐中的任一种。
所述搅拌为正、反向搅拌交替进行，正向搅拌10~20rpm，2~3min；反向搅拌180~240rpm，10~30s。
所述方法制得的金刚石切割砂轮厚度为0.010mm~0.150mm。
采用上述技术方案的本发明具有以下有益效果：
（1）采用含磷的氨基磺酸镍电镀液，并借助硬化剂的增硬作用和应力消除剂的微应力作用，获得低应力、高硬度的新型镍基结合剂，镀层应力范围可控制在-5~+5N/mm2，镀层维氏硬度可高达HV500~HV1000，实现了轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮切割刀刃具有极低的应力和较高的强度，避免了砂轮在实际应用中因应力变形或强度过低导致的切割断刀质量问题；
（2）通过采用表面精密研磨的方法，实现了对镀层表面的组织缺陷的有效去除，保证了超薄刀刃的组织均匀性和尺寸精度，解决了因刀刃组织缺陷而导致的切割断刀问题。
（3）通过采用精密外圆磨削，保证了砂轮的外圆精度和圆度，避免了砂轮外圆圆周的不均匀磨削而导致的局部刀刃破损。
（4）通过采用微腐蚀工艺，使得刀刃反面金刚石暴露，刀刃两面的组织结构更趋于一致，避免了刀刃正、反两面不均匀磨损导致的刀刃断裂。
附图说明
图1为本发明砂轮基体的结构示意图。
图2为本发明复合电沉积后的砂轮结构示意图。
图3为本发明经过表面研磨、外圆磨削和微腐蚀处理后的砂轮结构示意图。
图中1是砂轮基体，2是镍-金刚石复合层，3是砂轮刀刃。
具体实施方式
轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
（1）将砂轮基体进行化学镀处理
如图1所示，将砂轮基体1精加工成所需的尺寸和精度，然后对非镀面进行绝缘保护处理，然后对砂轮基体进行化学镀工艺处理；
（2）复合电沉积
将化学镀处理后的砂轮基体作为阴极放入氨基磺酸镍电镀液中，球形镍作为阳极，在外接直流电的作用下，实施金刚石磨料与镍金属离子的共沉积，复合电沉积时电镀电流密度为2~5A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，在砂轮基体上形成镍-金刚石复合层2，见图2；
氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、硬化剂、应力消除剂、分散剂、去离子水、金刚石磨料的重量比为40~60：0.3~0.6：0.05~0.1：3.5~4.5：0.4~0.7：0.01~0.03：0.1~0.3：80~90：0.1~1配置，搅拌均匀，所述搅拌为正、反向搅拌交替进行，正向搅拌10~20rpm，2~3min；反向搅拌180~240rpm，10~30s；其中，硬化剂为乙氧基化丙炔醇、甘油单丙炔醚、丙氧基化丁炔二醇、二乙基丙炔胺中的任一种；应力消除剂为对-甲苯磺酰胺、邻-苯甲酸磺酰亚胺、丙烯基磺酸中的任一种；分散剂为磺基丁二酸二戊酯钠盐、乙基己基硫酸钠、月桂基醚硫酸盐中的任一种；
（3）镀层表面精密研磨
采用碳化硅研磨棒对复合镀层表面进行精密研磨，去除复合镀层表面的组织缺陷，使得复合镀层表面组织均匀，组织缺陷包括电镀浮砂、镀层凸起、镀层凹坑；
（4）外圆磨削
采用陶瓷砂轮对砂轮外圆进行粗磨，然后使用石墨砂轮对砂轮外圆进行精磨，使得超薄砂轮外圆圆度≤5μm；
（5）刀刃反面微腐蚀
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为100~150:1~5:40~60的化学复合微腐蚀液对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，使得砂轮刀刃3反面的金刚石裸露，见图3所示。
实施例1
用于切割半导体砷化镓晶圆、厚度为0.010mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
（1）将砂轮基体进行化学镀处理
将砂轮基体精加工成所需的尺寸和精度，对非镀面进行绝缘保护处理，然后对砂轮基体进行化学镀工艺处理；
（2）复合电沉积
配置氨基磺酸镍电镀液：氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、乙氧基化丙炔醇、对-甲苯磺酰胺、磺基丁二酸二戊酯钠盐、电导率5μs/cm以下的去离子水、M1/2的金刚石磨料的重量比为40：0.6：0.1：4.5：0.6：0.03：0.1：90：1配置，氨基磺酸镍、溴化镍、硼酸均为分析纯，20rpm正向搅拌2min；240rpm反向搅拌10s，正、反向搅拌交替进行，搅拌均匀；
将化学镀处理后的铝基体作为阴极放入上述配置好的氨基磺酸镍电镀液中，球形镍作为阳极，在外接直流电的作用下，使得金刚石磨料与镍金属离子的共沉积，复合电沉积时电镀电流密度为2A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，电镀时间30min在砂轮基体上形成形成Ni-金刚石复合层；
（3）镀层表面精密研磨
采用碳化硅研磨棒对复合镀层表面进行精密研磨，去除复合镀层表面的组织缺陷，如电镀浮砂、镀层凸起、镀层凹坑，使得复合镀层表面组织均匀；
（4）外圆磨削
采用陶瓷砂轮对砂轮外圆进行粗磨，然后使用石墨砂轮对砂轮外圆进行精磨，使得超薄砂轮外圆圆度≤5μm，以得到所需的外径尺寸；
（5）刀刃反面微腐蚀
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为100:1:40的化学复合微腐蚀液对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，使得刀刃反面的金刚石裸露。
对制造出的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮进行检测：砂轮厚度为0.010mm；在晶圆切割专用划片机上对砷化镓晶圆（直径4inch，晶片厚度0.120mm）进行划切，未出现切割断刀问题。
实施例2
用于切割半导体硅晶圆、厚度为0.030mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
（1）将砂轮基体进行化学镀处理
选取铝合金砂轮基体，精加工平面度为0.002mm，内孔精度为IT5级，对非镀面进行绝缘保护处理，然后对砂轮基体进行化学镀工艺处理；
（2）复合电沉积
配置氨基磺酸镍电镀液：氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、甘油单丙炔醚、邻-苯甲酸磺酰亚胺、乙基己基硫酸钠、电导率5μs/cm以下的去离子水、M3/5金刚石磨料的重量比为50：0.5：0.08：4.0：0.4：0.01：0.2：85：0.1配置，氨基磺酸镍、溴化镍、硼酸均为分析纯，20rpm正向搅拌2min；200rpm反向搅拌30s，正、反向搅拌交替进行，搅拌均匀；
将化学镀处理后的铝基体作为阴极放入上述配置好的氨基磺酸镍电镀液中，球形镍作为阳极，在外接直流电的作用下，使得金刚石磨料与镍金属离子的共沉积，复合电沉积时电镀电流密度为2.5A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，电镀时间54min在砂轮基体上形成形成Ni-金刚石复合层；
（3）镀层表面精密研磨同实施例1；
（4）外圆磨削同实施例1；
（5）刀刃反面微腐蚀
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为120:3:45的化学复合微腐蚀液对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，使得刀刃反面的金刚石裸露。
对制造出的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮进行检测：厚度0.040mm；在晶圆切割专用划片机上对半导体硅晶圆（直径6inch，晶片厚度0.240mm）进行切割，未出现切割断刀问题。
实施例3
用于切割半导体硅晶圆、厚度为0.080mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
配置氨基磺酸镍电镀液：氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、二乙基丙炔胺、丙烯基磺酸、月桂基醚硫酸盐、电导率5μs/cm以下的去离子水、M4/8金刚石磨料的重量比为60：0.3：0.05：3.5：0.7：0.02：0.3：80：0.5，氨基磺酸镍、溴化镍、硼酸均为分析纯，10rpm正向搅拌3min；180rpm反向搅拌20s，正、反向搅拌交替进行，搅拌均匀；复合电沉积时电镀电流密度为3.5A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，电镀时间105min在砂轮基体上形成形成Ni-金刚石复合层；
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为140:4:50的化学复合微腐蚀液，对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，并使得刀刃反面的金刚石裸露；
其他制备步骤同实施例1。
对制造出的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮进行检测：厚度0.080mm；在划片机上对半导体硅晶圆（直径6inch，厚度为0.680mm）进行切割，未出现切割断刀问题。
实施例4
用于切割半导体硅晶圆、厚度为0.150mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
配置氨基磺酸镍电镀液：氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、丙氧基化丁炔二醇、邻-苯甲酸磺酰亚胺、磺基丁二酸二戊酯钠盐、去离子水、M6/12金刚石磨料的重量比为45：0.4：0.07：4.2：0.5：0.02：0.2：83：0.7，15rpm正向搅拌2.5min；220rpm反向搅拌20s，正、反向搅拌交替进行，搅拌均匀；复合电沉积时电镀电流密度为5A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，电镀时间70min在砂轮基体上形成形成Ni-金刚石复合层；
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为150:5:60的化学复合微腐蚀液，对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，并使得刀刃反面的金刚石裸露；
其他制备步骤同实施例1。
对制造出的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮进行检测：厚度0.150mm；在划片机上对半导体硅晶圆（直径4inch，厚度为0.720mm）进行切割，未出现切割断刀问题。
实施例5
用于切割半导体硅晶圆、厚度为0.150mm的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，包括以下步骤：
配置氨基磺酸镍电镀液：氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、二乙基丙炔胺、对-甲苯磺酰胺、乙基己基硫酸钠、去离子水、M3/5金刚石磨料的重量比为55：0.5：0.06：3.7：0.6：0.03：0.1：87：0.3，10rpm正向搅拌3min；210rpm反向搅拌10s，正、反向搅拌交替进行，搅拌均匀；复合电沉积时电镀电流密度为4A/dm2，温度为55~60℃，PH值为4.0~4.5，电镀时间90min在砂轮基体上形成形成Ni-金刚石复合层；
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为130:2:55的化学复合微腐蚀液，对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，并使得刀刃反面的金刚石裸露；
其他制备步骤同实施例1。
对制造出的轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮进行检测：厚度0.150mm；在划片机上对半导体硅晶圆（直径4inch，厚度为0.720mm）进行切割，未出现切割断刀问题。
上述实施例氨基磺酸镍电镀液中硬化剂、应力消除剂及分散剂可以任意组合搭配，并不限定于上述5个实施例中的组合，且氨基磺酸镍电镀液中各原料的用量也可以在氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、硬化剂、应力消除剂、分散剂、去离子水、金刚石磨料的重量比为40~60：0.3~0.6：0.05~0.1：3.5~4.5：0.4~0.7：0.01~0.03：0.1~0.3：80~90：0.1~1范围内变化；同理，复合电沉积工艺、化学复合微腐蚀液等工艺条件均可在合理范围内变化。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将砂轮基体进行化学镀处理；
（2）复合电沉积
将化学镀处理后的砂轮基体作为阴极放入氨基磺酸镍电镀液中，球形镍作为阳极，在外接直流电的作用下，实施金刚石磨料与镍金属离子的共沉积，在砂轮基体上形成复合镀层；
（3）镀层表面精密研磨
采用碳化硅研磨棒对复合镀层表面进行精密研磨，去除复合镀层表面的组织缺陷，使得复合镀层表面组织均匀；
（4）外圆磨削
采用陶瓷砂轮对砂轮外圆进行粗磨，然后使用石墨砂轮对砂轮外圆进行精磨，使得超薄砂轮外圆圆度≤5μm；
（5）刀刃反面微腐蚀
采用浓硝酸：氢氟酸：磷酸比例为100~150:1~5:40~60的化学复合微腐蚀液对砂轮刀刃反面进行微腐蚀，使得刀刃反面的金刚石裸露；
步骤（2）氨基磺酸镍电镀液按照氨基磺酸镍、溴化镍、次磷酸钠、硼酸、硬化剂、应力消除剂、分散剂、去离子水、金刚石磨料的重量比为40~60：0.3~0.6：0.05~0.1：3.5~4.5：0.4~0.7：0.01~0.03：0.1~0.3：80~90：0.1~1配置，搅拌均匀；
硬化剂为乙氧基化丙炔醇、甘油单丙炔醚、丙氧基化丁炔二醇、二乙基丙炔胺中的任一种；
应力消除剂为对-甲苯磺酰胺、邻-苯甲酸磺酰亚胺、丙烯基磺酸中的任一种。
2.根据权利要求1所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：步骤（1）中的砂轮基体为铝合金基体，其平面度为0.002mm，内孔精度为IT5级。
3.根据权利要求1所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：步骤（3）中组织缺陷包括电镀浮砂、镀层凸起、镀层凹坑。
4.根据权利要求1所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：步骤（2）复合电沉积时电镀电流密度为2~5A/dm2，温度为55~60℃，p H值为4.0~4.5。
5.根据权利要求1所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：分散剂为磺基丁二酸二戊酯钠盐、乙基己基硫酸钠、月桂基醚硫酸盐中的任一种。
6.根据权利要求1所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：所述搅拌为正、反向搅拌交替进行，正向搅拌10~20rpm，2~3min；反向搅拌180~240rpm，10~30s。
7.根据权利要求1-6任一所述轮毂型电镀超薄金刚石切割砂轮的制造方法，其特征在于：所述方法制得的金刚石切割砂轮厚度为0.010mm~0.150mm。
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