CN109108268B - 一种用于半导体切片的复合直线型划片刀及其制造方法 - Google Patents

一种用于半导体切片的复合直线型划片刀及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于半导体切片的复合直线型划片刀及其制造方法，该直线型划片刀包括柔性基体、热稳定支撑层、致密微弧氧化膜层三个部分；其中柔性基体具体为由按重量份计铝锭80份‑85份、AlSi10铝硅中间合金锭15份‑18份、(CrFe)Al7合金锭3份‑5份、镁粉块3份‑5份、正硅酸乙酯6份‑8份通过粉末冶金烧结的充分时效过饱和固溶体；热稳定支撑层具体为按重量份计废弃镍铬系高温合金25份‑30份、活性碳粉3份‑5份、铝粉18份‑20份通过铝熔化后形成半流体再喷出均匀固化在柔性基体表面；致密微弧氧化层固定生长在热稳定支撑层表面。本发明切削震刀率低、韧性足、自润滑、耐高温、稳定性极好。

Description

一种用于半导体切片的复合直线型划片刀及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种材料领域，尤其涉及一种用于半导体切片的复合直线型划片刀及其制造方法。
背景技术
高温合金主要分为两类：固溶强化型和溶淀硬化型，其中又以固溶强化型高温合金技术门槛稍低，使用量更大，众所周知，高温合金成本高、废品率高，使用工况恶劣，一旦长时间使用后失效则只能直接废弃（回收再利用成本更高，由于失效原因过于复杂，有应力腐蚀、磨损、金属熔融、再结晶等多种，回收时无法精确再把控其内成份配比和杂质精炼），造成极大浪费，但即使这些合金不能再用于高温恶劣工况，但其实仍可利用于基础物理性能，用于其它工况下，节约资源成本。
现有技术中，随着硅圆片直径的增大，内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大，刀片张紧力也相应增大，同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗加大。这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率，降低生产成本受到制约。所谓直线型线切割技术优点是效率高（大约为内圆切割技术的6-8倍。在8小时左右切割过程中一次可切出400圆片左右）。切口小，硅棒切口损耗小（约为内圆切割技术的60%，这相当于内圆切片机切割6片圆片而节约出1块圆片），切割的硅片表面损伤层较浅（约为10～15微米），人为因素少。但要实现优良的直线型切割至少要有几点技术特征：1、刃口薄而硬；2、刀身薄且兼具强度和韧性；3、不易震刀（即尽量少发生硬硬切削）；4、性能稳定，不会随着切削长刀身温度升高而出现机械性能下降的情况，现有技术中还没有这方面的专门技术。
现有技术中的切片刀由于其尺寸和结合力、强度和呈现矛盾状态，目前市场上仍没有一种切削震刀率低、韧性足、自润滑、耐高温、稳定性极好的切割半导体的切片刀。
因此市场上急需一种切削震刀率低、韧性足、自润滑、耐高温、稳定性极好的用于半导体切片的复合直线型划片刀。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种切削震刀率低、韧性足、自润滑、耐高温、稳定性极好的用于半导体切片的复合直线型划片刀。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性基体的制造
①按重量份数准备铝锭80份-85份、AlSi10铝硅中间合金锭15份-18份、(CrFe)Al7合金锭3份-5份、镁粉块3份-5份、正硅酸乙酯6份-8份；
②将步骤①获得的所有原材料2/3-3/4机械研磨成粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，1/4-1/3机械研磨成粒径0.2mm-0.3mm的合金粉，将获得的合金粉与步骤①准备的正硅酸乙酯混合均匀后获得混合原材料；
③将步骤②获得的混合原材料放入轮廓尺寸与所需直线型划片刀外形尺寸相似、三维尺寸等比例缩小11%-13%的砂模中，然后将砂模置于温度595℃-600℃、氩气保护、0.8MPa-1MPa压力的环境下，保温2h-3h，进行第一次烧结，然后随炉冷却至320℃-350℃后脱模，再取出自然空冷至室温后获得预制坯；
④将预制坯重新包套，采用热等静压装置，以温度215℃-220℃、真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa、机械压力80MPa-100MPa进行热等静压时效合并处理，持续60min-70min，获得所需柔性基体；
2）热稳定支撑层
①按重量份准备足量回收的废弃镍铬系高温合金25份-30份、活性碳粉3份-5份、铝粉18份-20份；
②将步骤①获得的原料机械研磨至粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，混合并搅拌均匀，获得预制粉料；
③将步骤②获得的预制粉料在温度740℃-745℃、真空度1×10-2Pa-1×10-3Pa的环境下加热至铝完全熔化，然后以铝为液基、采用石墨搅拌器进行搅拌调合成均匀糊状，获得半流体物质；
④将步骤③获得的半流体物质以1mm-1.2mm的喷孔直径、28MPa-32MPa的液压机械驱动喷出压力，在真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa的环境下均匀地喷淋在阶段1）获得的柔性基体表面，获得固化有所需热稳定支撑层的直线型划片刀基体实质；
3）直线型划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V-500V输出电压、25A-30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7:2:1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8%-10%的溶液；
②将阶段2）中获得的直线型划片刀基体实质料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃-45℃的处理温度、70min-75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需直线型划片刀。
上述一种用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法中，所述镍铬系高温合金具体为GH128、GH141GH170、GH3030、GH3044、GH3128和GH4169中的一种或它们的组合。
采用上述方法制造的用于半导体切片的复合直线型划片刀，该直线型划片刀包括柔性基体、热稳定支撑层、致密微弧氧化膜层三个部分；其中柔性基体具体为由按重量份计铝锭80份-85份、AlSi10铝硅中间合金锭15份-18份、(CrFe)Al7合金锭3份-5份、镁粉块3份-5份、正硅酸乙酯6份-8份通过粉末冶金烧结的充分时效过饱和固溶体；热稳定支撑层具体为按重量份计废弃镍铬系高温合金25份-30份、活性碳粉3份-5份、铝粉18份-20份通过低熔点铝熔化后形成半流体再在真空下采用28MPa-32MPa的液压机械驱动喷出均匀固化在柔性基体表面；致密微弧氧化层固定生长在热稳定支撑层表面。
与现有技术相比较，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：（1）不同于现有技术通过使用单一合金或硬质陶瓷、通过切割时使用液体润滑剂实现薄刀直线型切割（事实上即使采用了这种手段，现有技术中的薄刀直线型切割的单次工作时间也极有限，由于够薄够硬，因此切割初期安装精度要求高，否则易震刀，且切削温度升高较快，温升后其本身性质变化不大，但硅基晶元易软化产生粘着，导致粘刀），切割出的晶元表面粗糙，本发明通过自导热（铝基体和活性碳都是热导率相当高的材料）和自稳定（在次表层的镍基高温合金占有主体大比例，在铝基部分稍软化时提供支撑并保持结构稳定，同时软化的铝基体提供缓冲，防止震刀）性，虽然单位时间内的切割速率低于单一合金硬质刀和陶瓷刀，但胜在一次工作时间长（综合下来平均时间内可切割量为单一合金硬质刀的至少2倍，陶瓷刀的至少1.4倍）、制造成本低（虽然用了高成本的镍基高温合金，但由于本身就是废弃的材料，不产生成本，其它部分的包括铝、碳和中间合金锭材料成本均低于单一硬质合金，同时工艺温度最高不超过750℃，耗能远低于陶瓷，更别说陶瓷烧结完后的金刚石修型成本）。（2）根据切削硬度匹配性，表面硬度不低于2600HV的本发明用于切割整体硬度700HV-1000HV的半导体材料时切削效率高、生热低，不容易导致昂贵的半导体材料烧伤和由于晶格转变而损毁。（3）基体采用铝基硅-镁-铬系疏孔合金（疏孔是由于原材料中含有较少量的正硅酸乙酯，在高真空环境下烧结时自然产生），自结合力好、抗拉伸抗挤压能力差，具有一定的抗冲击能力，再结合在真空环境下通过液化喷淋附于表面的镍基高温合金、活性碳、纯铝，大大增加了基体的表面强度、自润滑性和耐高温性。（4）所有心部材料均是高温烧结而成，因此本发明本质耐高温。（5）在铝合金复合材料中添加碳粉和正硅酸乙酯，一方面大大增加了粉末冶金的本发明的自结合力、提升了冲击韧性和自缓冲性能，另一方面也大大增加了本发明的散热性能，因此本发明的散热性能不仅比本技术领域中金刚石与陶瓷粉末复合材料的散热性高，甚至比大多数金属的热导率都高（基体是铝合金，又加入了较高比例的碳粉），因此散热性能好。（6）本发明突破了陶瓷材料与金属材料结合力差的现有技术限制，通过完全使用铝基金属，并于多种成份中应用铬元素，利用几何结构和物理特性大大增强了次表层和基体金属的结合力（化学成份相对较近，在高真空的熔融状态下结合力会更好），又通过在铝合金表面自生长的微弧氧化使本发明获得极高的硬度和切削性能，因此使用性能优异。
具体实施方式
实施例1：
一种用于半导体切片的复合直线型划片刀，该直线型划片刀包括柔性基体、热稳定支撑层、致密微弧氧化膜层三个部分；其中柔性基体具体为由按重量份计铝锭800g、AlSi10铝硅中间合金锭180g、(CrFe)Al7合金锭50g、镁粉块50g、正硅酸乙酯80g通过粉末冶金烧结的充分时效过饱和固溶体；热稳定支撑层具体为按重量份计回收的废弃GH128、GH141GH170和GH3030共计300g、活性碳粉50g、铝粉200g通过低熔点铝熔化后形成半流体再在真空下采用32MPa的液压机械驱动喷出均匀固化在柔性基体表面；致密微弧氧化层固定生长在热稳定支撑层表面。
上述用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性基体的制造
①按重量份数准备铝锭800g、AlSi10铝硅中间合金锭180g、(CrFe)Al7合金锭50g、镁粉块50g、正硅酸乙酯80g；
②将步骤①获得的所有原材料3/4机械研磨成粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，1/4机械研磨成粒径0.2mm-0.3mm的合金粉，将获得的合金粉与步骤①准备的正硅酸乙酯混合均匀后获得混合原材料；
③将步骤②获得的混合原材料放入轮廓尺寸与所需直线型划片刀外形尺寸相似、三维尺寸等比例缩小11%-13%的砂模中，然后将砂模置于温度595℃-600℃、氩气保护、1MPa压力的环境下，保温3h，进行第一次烧结，然后随炉冷却至350℃后脱模，再取出自然空冷至室温后获得预制坯；
④将预制坯重新包套，采用热等静压装置，以温度215℃-220℃、真空度1×10-5Pa、机械压力100MPa进行热等静压时效合并处理，持续70min，获得所需柔性基体；
2）热稳定支撑层
①按重量份准备足量回收的废弃GH128、GH141GH170和GH3030共计300g、活性碳粉50g、铝粉200g；
②将步骤①获得的原料机械研磨至粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，混合并搅拌均匀，获得预制粉料；
③将步骤②获得的预制粉料在温度740℃-745℃、真空度1×10-3Pa的环境下加热至铝完全熔化，然后以铝为液基、采用石墨搅拌器进行搅拌调合成均匀糊状，获得半流体物质；
④将步骤③获得的半流体物质以1.2mm的喷孔直径、32MPa的液压机械驱动喷出压力，在真空度1×10-5Pa的环境下均匀地喷淋在阶段1）获得的柔性基体表面，获得固化有所需热稳定支撑层的直线型划片刀基体实质；
3）直线型划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备500V输出电压、30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7:2:1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数10%的溶液；
②将阶段2）中获得的直线型划片刀基体实质料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以45℃的处理温度、75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需直线型划片刀。
实施例2
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种用于半导体切片的复合直线型划片刀，该直线型划片刀包括柔性基体、热稳定支撑层、致密微弧氧化膜层三个部分；其中柔性基体具体为由按重量份计铝锭850g、AlSi10铝硅中间合金锭150g、(CrFe)Al7合金锭30g、镁粉块30g、正硅酸乙酯60g通过粉末冶金烧结的充分时效过饱和固溶体；热稳定支撑层具体为按重量份计回收的废弃GH3030、GH3044、GH3128和GH4169共计250g、活性碳粉30g、铝粉180g通过低熔点铝熔化后形成半流体再在真空下采用28MPa的液压机械驱动喷出均匀固化在柔性基体表面；致密微弧氧化层固定生长在热稳定支撑层表面。
上述用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法，包括以下步骤：
1）柔性基体的制造
①按重量份数准备铝锭850g、AlSi10铝硅中间合金锭150g、(CrFe)Al7合金锭30g、镁粉块30g、正硅酸乙酯60g；
②将步骤①获得的所有原材料2/3机械研磨成粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，1/3机械研磨成粒径0.2mm-0.3mm的合金粉，将获得的合金粉与步骤①准备的正硅酸乙酯混合均匀后获得混合原材料；
③将步骤②获得的混合原材料放入轮廓尺寸与所需直线型划片刀外形尺寸相似、三维尺寸等比例缩小11%-13%的砂模中，然后将砂模置于温度595℃-600℃、氩气保护、0.8MPa压力的环境下，保温2h，进行第一次烧结，然后随炉冷却至320℃后脱模，再取出自然空冷至室温后获得预制坯；
④将预制坯重新包套，采用热等静压装置，以温度215℃-220℃、真空度1×10-3Pa、机械压力80MPa进行热等静压时效合并处理，持续60min，获得所需柔性基体；
2）热稳定支撑层
①按重量份准备足量回收的废弃GH3030、GH3044、GH3128和GH4169共计250g、活性碳粉30g、铝粉180g；
③将步骤②获得的预制粉料在温度740℃-745℃、真空度1×10-2Pa的环境下加热至铝完全熔化，然后以铝为液基、采用石墨搅拌器进行搅拌调合成均匀糊状，获得半流体物质；
④将步骤③获得的半流体物质以1mm的喷孔直径、28MPa的液压机械驱动喷出压力，在真空度1×10-3Pa的环境下均匀地喷淋在阶段1）获得的柔性基体表面，获得固化有所需热稳定支撑层的直线型划片刀基体实质；
3）直线型划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V输出电压、25A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7:2:1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8%的溶液；
②将阶段2）中获得的直线型划片刀基体实质料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃的处理温度、70min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需直线型划片刀。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1）柔性基体的制造
①按重量份数准备铝锭80份-85份、AlSi10铝硅中间合金锭15份-18份、(CrFe)Al7合金锭3份-5份、镁粉块3份-5份、正硅酸乙酯6份-8份；
②将步骤①获得的所有原材料2/3-3/4机械研磨成粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，1/4-1/3机械研磨成粒径0.2mm-0.3mm的合金粉，将获得的合金粉与步骤①准备的正硅酸乙酯混合均匀后获得混合原材料；
③将步骤②获得的混合原材料放入轮廓尺寸与所需直线型划片刀外形尺寸相似、三维尺寸等比例缩小11%-13%的砂模中，然后将砂模置于温度595℃-600℃、氩气保护、0.8MPa-1MPa压力的环境下，保温2h-3h，进行第一次烧结，然后随炉冷却至320℃-350℃后脱模，再取出自然空冷至室温后获得预制坯；
④将预制坯重新包套，采用热等静压装置，以温度215℃-220℃、真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa、机械压力80MPa-100MPa进行热等静压时效合并处理，持续60min-70min，获得所需柔性基体；
2）热稳定支撑层
①按重量份准备足量回收的废弃镍铬系高温合金25份-30份、活性碳粉3份-5份、铝粉18份-20份；
②将步骤①获得的原料机械研磨至粒径0.05mm-0.1mm的合金粉，混合并搅拌均匀，获得预制粉料；
③将步骤②获得的预制粉料在温度740℃-745℃、真空度1×10-2Pa-1×10-3Pa的环境下加热至铝完全熔化，然后以铝为液基、采用石墨搅拌器进行搅拌调合成均匀糊状，获得半流体物质；
④将步骤③获得的半流体物质以1mm-1.2mm的喷孔直径、28MPa-32MPa的液压机械驱动喷出压力，在真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa的环境下均匀地喷淋在阶段1）获得的柔性基体表面，获得固化有所需热稳定支撑层的直线型划片刀基体实质；
3）直线型划片刀制造
①准备以镍板作为阴极材料，具备400V-500V输出电压、25A-30A输出电流的微弧氧化处理槽；槽液为硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠以质量比7:2:1混合后溶入纯净水中的溶质总质量分数8%-10%的溶液；
②将阶段2）中获得的直线型划片刀基体实质料作为阳极材料浸入步骤①准备的微弧氧化处理槽的槽液中，并以35℃-45℃的处理温度、70min-75min的处理时间进行微弧氧化处理，处理结束后取出即获得所需直线型划片刀。
2.根据权利要求1所述一种用于半导体切片的复合直线型划片刀的制造方法，其特征在于：其中所述镍铬系高温合金具体为GH128、GH141GH170、GH3030、GH3044、GH3128和GH4169中的一种或它们的组合。
3.采用权利要求1所述方法制造的用于半导体切片的复合直线型划片刀，其特征在于：该直线型划片刀包括柔性基体、热稳定支撑层、致密微弧氧化膜层三个部分；其中柔性基体具体为由按重量份计铝锭80份-85份、AlSi10铝硅中间合金锭15份-18份、(CrFe)Al7合金锭3份-5份、镁粉块3份-5份、正硅酸乙酯6份-8份通过粉末冶金烧结的充分时效过饱和固溶体；热稳定支撑层具体为按重量份计废弃镍铬系高温合金25份-30份、活性碳粉3份-5份、铝粉18份-20份通过低熔点铝熔化后形成半流体再在真空下采用28MPa-32MPa的液压机械驱动喷出均匀固化在柔性基体表面；致密微弧氧化层固定生长在热稳定支撑层表面。
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