（机械设计及理论专业论文）金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在大尺寸半导体基片和功能晶体的切割中，固结磨料线锯以无可比拟的优点被认为 是最好的切割方法之二。与现有的几种固结超硬磨粒的方法相比，电镀方式具有制造周 期短和生产成本低等优势，且电镀线锯具有耐热性和耐磨性良好等特点。固结金刚石线 锯的电镀工艺是金刚石线锯生产和应用的关键技术。本文根据硬脆晶体材料切片加工的 要求和电化学共沉积工艺的特点，对固结金刚石线锯的复合电镀工艺进行了试验研究。 根据线锯性能要求，选用3 1 6 l 不锈钢丝作为电镀线锯芯线，金刚石作为第二相颗 粒，并设计了相关的前处理工艺。 选择以氨磺酸型高速镀镍液作为基础镀液，通过正交试验研究了双脉冲电镀参数对 镀层显微硬度的影响关系，试验结果表明：双脉冲供电模式下的镀层质量优于直流和单 脉冲模式；双脉冲的频率和反向脉冲占空比是影响镀层显微硬度的显著因素。在试验基 础上，确定了获得高显微硬度镍镀层的双脉冲电镀参数。 设计并制造了一种连续电镀长线锯的试验设备，并且设计了连续制备长线锯的试验 方案，实现了连续电镀。通过试验研究了不同的上砂工艺，以及实现连续电镀过程中阳 极排布方式对复合镀层质量的影响。试验结果表明：与间歇搅拌的悬浮法相比，埋砂法 能在锯丝基体表面上获得分布均匀一致、磨料密度较高的复合镀层；采用双阳极对称分 布的方式能够改善锯丝表面电流分布，获得的复合镀层质量较好。 对电镀线锯表面镍一金刚石复合镀层的质量进行了检测，评价了固结金刚石线锯复 合镀层质量，进行了切割试验，研究了制备的金刚石线锯的切割性能。结果表明：固结 金刚石线锯线径一致性好，镀层中金刚石颗粒分布均匀，表面积百分数5 0 以上，镀层 对金刚石磨粒的把持力较高；切割加工试验表明，自制的电镀固结金刚石线锯在切割效 率和加工精度方面均满足使用要求，并且切缝较窄，明显优于商品线锯。 关键词：固结磨料金刚石线锯；复合电镀；连续电镀；双脉冲 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 s t u d yo n t h ec o m p o s i t e p l a t i n gm a n u f a c t u r i n ga n dt h ep e r f o r m a n c eo f f i x e dd i a m o n dw i r e a b s t ra c t f i x e da b r a s i v ew i r es a wi sr e c o g n i z e da so n eo ft h eb e s tm e t h o d si nc u t t i n gl a r g es i z e s e m i c o n d u c t o rc h i pa n df u n c t i o nc r y s t a lb e c a u s eo fi t si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s i nc o n t r a s t w i t hc u r r e n tm e t h o d so ff i x i n ga b r a s i v eo nw i r e ，e l e c t r o p l a t i n g 丘】【c da b r a s i v ew i r es a wh a s a d v a n t a g e s ， s u c ha ss h o r t e ri n p r o d u c t i o nc y c l e ，l o w e r i n p r o d u c t i o nc o s t s ， b e t t e r h e a t - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c ea n db e a e ra b r a s i o np e r f o r m a n c e a st h ec o m p o s i t ee l e c t r o p l a t i n g t e c h n o l o g yi st h ek e ye l e m e n to ft h em a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no ff i x e dd i a m o n dw i r es a w ， ac o m p o s i t ee l e e t r o p l a t i n gt e c h n o l o g yo f 蠡 【e dd i a m o n dw i r es a wi ss t u d i e da c c o r d i n gt o d e m a n d so fc u t t i n gb d c k l eh a r dc r y s t a lm a t e d m sa n dt h ep e c u l i a r i t yo ft h ec o m p o s i t e e l e c t r o p l a t i n gi nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h em e t h o da n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r es a wd e m a n d e di na p p l i c a t i o n ， 3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e lw i r ei sc h o s e nt ob et h ec o r eo ft h ew i r es a w ，a n dd i a m o n da b r a s i v e sa s t h es e c o n dp h a s ea b r a s i v e t h ep r e t r e a t m e n tm e t h o di sd e s i g n e d t h eh i g hs p e e ds u l p h a m a t en i c k e l b a s e de l e c t r o l y t ei sc h o s e na sb a s a le l e c t r o l y t e ，t h e i n f l u e n c eo fp u l s e - r e v e r s ec u r r e n tw a v ef o r m sp a r a m e t e r s0 1 1t h em i c r o - h a r d n e s so ft h e n i c k e ld e p o s i ti ss t u d i e db yo n h o g o n me x p e r i m e n t s t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t t h eq u a l i t yo ft h en i c k e ld e p o s i to b t a i n e db yt h ep u l s e r e v e r s ec u r r e n ti sb e t t e rt h a nt h ed i r e c t c u r r e n ta n ds i n g l ep u l s ec u r r e n t ；t h ef r e q u e n c yo ft h ep u l s e r e v e r s ec u r r e n ta n dr e v e r s ec u r r e n t r a t i oi st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so nt h em i c r o h a r d n e s so ft h en i c k e ld e p o s r b a s e do nt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，t h es u i t a b l ep l a t i n gp a r a m e t e r st oo b t a i nt h eh a r d e s tp l a t i n gl a y e ra r e s e l e c t e d a c o n t i n u o u s l ye l e c t r o p l a t i n ga p p a r a t u si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ；ac o n t i n u o u s l y e l e c t r o p l a t i n gs c h e m e i sd e s i g n e da n dp r a c t i c e da sw e l l d i f f e r e n tm e t h o d so fa d d i n gd i a m o n d p a r t i c l e si n t oe l e c t r o l y t ea n dt h ep o s i t i o n so ft h ew i r ea n da n o d ei np l a t i n gp r o c e s sa r c i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hs u s p e n d i n gm e t h o d ，t h e p a r t i c u l a t ec o v e r e dm e t h o dc a no b t a i nb e t t e rc o m p o s i t ec o a t i n g s ；t w oa n o d es y m m e t r i c a l p o s i t i o nm e t h o dc a ni m p r o v ec u r r e n td i s t r i b u t i o no nt h ew i r es u r f a c e ，t h e no b t a i n b e t t e r c o m p o s i t ec o a t i n g t h es u r f a c eq u a l i t yo ft h ef i x e dd i a m o n dw i r es a wp r o d u c e di nt h ee x p e r i m e n ti st e s t e d a n de v a l u a t e d ；t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew i r es a wo b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n ti ss t u d i e d 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ef i x e dd i a m o n dw i r eh a sg o o dd i m e n s i o n a lh o m o g e n e i t y ；t h ea r e a p e r c e n t a g e o fd i a m o n dp a r t i c l e so nt h ec o m p o s i t ep l a t i n gl a y e rs u r f a c ei sa b o v e5 0 ， d i a m o n dp a r t i c l e sa r eh e l di nt h ec o a t i n gt i g h t l y ；t h ew i r es a wh a sg o o dc u t t i n ge f f i c i e n c y ， p r e c i s i o n a n ds m a l lk e r f sb e t t e rt h a nt h ec o m m e r c i a lw i r es a w k e yw o r d s ：f i x e d d i a m o n dw i r e s a w ；c o m p o s i t ee l e c t r o p l a t i n g ：c o n t i n u o u s l y e l e c t r o p l a t i n g ；p u l s e - r e v e r s ec u r r e n t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 金型歪堡堡的复佥塾笾洼劐釜丞基性鱼量珏巍 作者摊：刊逝l 嗍：丝年旦月丛日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：迦鱼年兰月j 日 日期：2 翌堑年月上厶日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 1 课题的提出 随着高新科学技术的发展，硅晶体、蓝宝石、玛瑙等贵重硬脆晶体材料的应用已日 益广泛。尤其是对于硅晶体，由于集成电路( i c ) 的发展离不开基础材料硅片，全球9 0 以上的i c 都要采用硅片。下一代i c 制造将采用大直径( 3 0 0 r a m 以上) 硅片，片厚也 减d , n1 0 0 , 2 0 0 p m t 。硅片直径的增大和芯片厚度的减小，给半导体加工制造技术带 来了新的挑战。硅晶体切片处于整个工艺流程的较前端，是i c 芯片制造中的一道重要 工艺，对基片加工的质量和成本有着重要影响，而切片质量的好坏直接影响到后续各道 工序的加工。硅晶体切片技术要求有高的出品率，尽可能窄的切缝宽度，好的面型精度 和细的表面粗糙度，尽可能浅的损伤层( 少而小的表面微裂纹、浅的相变层、少或无残 余应力) 。 传统的切割方法包括钢片切割、带锯切割和内外圆片锯切割等，虽各具优点，但存 在切缝较宽、出材率较低、面形精度差、表面损伤层深等缺陷，已难以满足此类贵重硬 脆晶体基片的大尺寸精密薄片切割。金刚石线锯是近十几年获得快速发展的一种硬脆材 料切割设备，目前发展比较成熟的是边切割边向锯丝供应磨粒悬浮液的游离磨料方式， 研究与实际应用表明，该技术在加工大尺寸晶体材料方面与内圆切片技术相比具有较大 优势，但仍存在表面损伤层深、作业环境恶劣、切口损耗大，且表面粗糙度和面形精度 难以控制等问题。 鉴于这种情况，固结磨料金刚石线锯切割是针对上述问题所提出的新的加工方法， 被认为是最有前途的切割方法之一。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和 发展，固结磨料金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、挠曲 变形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益好，产量大，效率 高等。固结磨料金刚石线锯作为下一代i c 切割工具受到了人们的重视。 在固结磨料金刚石线锯切割技术中，固结磨料金刚石线锯的制备，即金刚石固结技 术则是该项关键技术的基础和前提。目前在这种线锯的制造中，现有的几种金刚石磨粒 固结方法存在着生产成本高、生产周期长等种种的不足，而电化学沉积( 即电镀) 方式 具有制程成本低、线径小、耗材率低，耐热性和耐磨性良好等优势，对其电镀工艺的完 善优化和制造成本的有效控制将是未来研究的热点和趋势。 本课题“金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究”正是在这种背景下提出的。 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 1 1 2 课题的来源 本课题“金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究”来源于辽宁省自然科学基金 资助项目“电镀金刚石线锯高效精密切割硅晶体技术的研究 ( 项目编号：2 0 5 “2 5 ) 。 1 2 课题的研究目的与意义 针对大直径硅晶体对切片技术所带来的挑战和当前普遍使用的切片技术存在的问 题，固结磨料电镀金刚石线锯切片技术以其所独具的优点，将成为面向下一代i c 制造 的大尺寸硅晶体切片的先进技术。综合国内外目前的研究现状，相关的研究报道不多， 尤其是国内这方面几乎为空白，因此急需对固结磨料电镀金刚石线锯的制造工艺进行深 入系统的基础研究工作。本课题拟进行电镀工艺参数的优化和电镀装置的设计，研究基 于固结磨料的金刚石线锯的设计制作方法，最终提出在微细金属丝基体上电镀超细粒度 金刚石磨粒的精密电镀工艺，为固结磨料金刚石线锯的高效低成本制造提供拥有自主知 识产权的理论与关键技术。对于发展硬脆材料精密加工理论和提高我国半导体制造技术 水平具有重要理论意义和应用价值。 本课题的研究将有助于提高我国集成电路基础材料的超精密加工和微细加工技术 水平，将为我国i c 制造产业提供拥有自主知识产权的技术，同时对于发展超硬材料电 镀制品工艺，丰富超硬材料电镀理论，提高我国半导体制造技术水平具有重要的理论意 义和实用价值。本课题研究成果不仅可用于i c 制造领域中硅晶体的高效精密切片加工， 也可用于其它贵重功能晶体( 蓝宝石、砷化镓等) 和硬脆材料( 精细陶瓷、光学玻璃等) 的切割加工，不仅可以切割薄片，也可加工曲面，还可以用于小孔的研修，具有十分广 阔的应用前景。 1 。3 硬脆晶体材料切割技术 硬脆材料是指具有硬度高、脆性大、高耐磨性、高电阻率、不导磁等性能的材料， 通常为非导电体或半导体。生活中常见的硅晶体、石英晶体、各种石材、宝石、玻璃、 硬质合金、陶瓷、稀土磁性材料等都属于硬脆材料之列。 随着我国工业现代化进程的发展，硬脆材料在各个领域的应用日益广泛。由于硬脆 材料具有许多金属材料难以比拟的优良特性，因此其应用范围己由建筑、石材、工艺品 制造业等逐渐扩展到微电子、光电子、航空航天、半导体等工业领域。硬脆材料的推广 应用对其加工技术也提出了更高要求。在硬脆材料的各种加工方法中，切割加工占有很 重要的地位。对硬脆性材料进行切割的工艺要求主要有：高效率、低成本、高精度、窄 人迕理上人学硕十学位论立 苇耍的地位。对硬脆性材料进行切割的工艺要求主要有：高效牢、低成本、一岛精皮、窄 切缝( 材料利用率高) 、小变形、无损伤、无碎片、无环境污染等。受硬脆材料特性的 制，可供选用的切割i 艺方法比金属切割要少，日前应用1 贵重硬脆晶体材料的切片 技术可概括为以下几个方面： ( 1 ) 盒刚石内圆( i d ) 切片技术 埘直径2 0 0 r a m 以下硅晶体切片工艺普遍采用金刚石内圆切片技术】( 见图11 ) 。 金刚石内圆切片机的刀片为环状薄金属片( 多为0l m m 厚的小锈钢带) ，刀片内圆上 电镀有金刚石磨料形成锯切州口。内圆刀片作高速旋转运动、硅晶体相对于刀片旋转中 心做径向进给，从而实现对材料的切片。内圆切片的优点是技术成熟，刀片稳定性好， 在小批量多规格加 时具有灵活的可调性。但刀片张紧后产生相应的变形，刃口袁现为 波浪形，在高速旋转时还会产生振动p l 。这种波浪形的刃口变形和刀片振动使得切片锯 口变宽，同时在切削液的作川下产生较大的流体动压力，当硅片切割即将结束时，会造 成硅片崩边，甚至产生飞片现象。这些问胚在硅片尺寸和锯片直径增加后表现得尤为严 重，内圆切片技术已不适用于大尺寸硅晶体的切片1 4 。j 。 ， ， 幽11 金刚右内圆切片技术 f i g ijd i a m o n di n n e rb l a d es l i c i n g 由于内圆切片技术存在的问题，人们不断探索新的适用丁大尺寸硅晶体的高效精密 切片技术，其中线锯t ：j j ) l 技术在芯片制造业得到关注】。u | j 1 常用的线锯切片技术有臼 由摩料和固结磨料两类。 ( 2 ) 往复式自由辟料线锯切片技术 到目i j i 为i r 真正用j 硅品体的线锚切片技术只有往复式自由磨料线错片技术 1 9 1 0 l 。往复式自山腑料线锯l j j ) i 技术的基本原理如图12 所小。金属锯始( 且径l5 0 3 0 0 9 m ) 通过一定的缠绕方j ，缠绕在两个线轴上，形成帽h 下行的刚状加工部分，i , i 咀实现多片割。肌过阳i j ，嘣个线轴分别完成放线和收线操作。锯缒往复运转，硅 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 晶体垂直于锯丝进给，通过一定的施加方式将带有磨料( 金刚石或碳化硅) 的浆液( 研磨 液) 施加到切割区域。通过锯丝、磨料及硅晶体之间的三体磨损，实现材料的锯切加工【1 1 1 。 图1 2 往复式自由磨料线锯切片技术 f i g 1 2f r e ea b r a s i v ew i r es l i c i n g 研究与实际应用表明往复式自由磨料线锯切片技术在加工大尺寸硅片方面与内圆 切片技术相比具有较大优势，主要表现在：可切割大尺寸硅晶体，可同时进行多片切割， 出品率高，切片表面质量较高，很少产生崩片现象等。但是复式自由磨料线锯切割过程 中锯丝的速度经过加速、稳定速度、减速、零速、换向的过程。这种速度的变化直接反 映到硅片表面上，产生波纹( 长周期波纹) 。这将加大后续研磨抛光等平整加工的难度与 工作量。同时，往复运动线锯的走丝速度也难以提高，影响切片效率。另外，由于锯切 作用基于锯丝、磨料及硅晶体之间的三体磨粒磨损原理，磨粒必然作用于锯丝，从而降 低了锯丝的使用寿命u 2 1 6 j 。 ( 3 ) 往复式固结磨料线锯切割技术 把金刚石磨料固结在锯丝上，配合与自由磨料线锯类似的机床，就形成了往复式固 结磨料线锯切割技术【1 7 l8 j ( 如图1 3 ) 。往复式固结磨料线锯切割不仅具有自由磨料线 锯切片所有的优点，与自由磨料线锯不同是固结磨料线锯切片材料去除是基于固结在锯 丝上的磨料与工件材料之间的二体磨损原理，磨粒不会作用于锯丝，提高了使用寿命。 因此，可以方便的施加冷却润滑液，其回收处理也不象研磨液那样复杂【1 9 。2 1 】。 人琏理i i 大学硕i 。学位论文 | 1 幽】3 往复式固结磨料盒剐石线锚切割技术 f i g 】3 f i x e da b r a s i v ed i a m o n dw i r es l i c i n g f 日d u 将往复式固结磨料线锯切割技术用于硅晶体切片的研究报导较少。国外有人利 用电镀金刚石线锯对硅晶棒、陶瓷等材料进行了切片实验，非常有效。研究结论表明固 结磨料线锯切片技术可用于犬尺寸硅晶体切片，且切 _ 质量较高”2 。2 ”。但目i j 该技术仅 限于实验研究，未见有其“业化的报导。国内山东大学等曾利用电镀金剐石线锯进行切 割石材的研究，朱见有利用此技术切割硅晶体的相芙报导”“。 综e 所迷，随着在大尺、j 半导体和光电池薄片剀割中的应用和发展，作为f 一代切 割工具的闻结磨料会刚石线锯以其加工表面损伤小、挠曲变形小，切片薄、片厚一敛性 好，能四割人尺寸硅锭，省材料、效益高，产量人，效率高等一系列无可比拟的优点受 到人们的重视。 14 金刚石线锯的金刚石固结技术的研究现状 金刚柏匦| 结技术是指通过某种技术或工艺方法将超细粒度的金刚石崩粒材料均匀 地同定在微细金属缒基体圆周表而，并且具有定的把持力，能够产生切削作用，叫时 承受较大的切削力进行定时问的切削加j ：。目前固结磨料金刚石线锯的盒削石同结技 术主要有如下几种： ( 1 ) 滚压嵌入方， 这利，方法是直接将超硬崩粒通过机械作片j 滚压嵌入到钢丝基体中。美国专利 4 4 8 5 7 5 7 曾提出一j l q i j 滚址嵌八方式制备连续金石线的i 岂。似此种工艺制备的金削 石涂崖直释均匀而厚度驶线行小均匀，根难生，“h 大1 。1 2 0 米长的金川幽线，无法切削 “径犬r6 “的品怍。讨人龃径t 耻品碓棒f f j 多线锯匕u 割时金川雨线槲的k 皮般要求 滩磷 氛q蔼-、 a出， 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 要l o k m 以上，而且由于此种制备方法是通过机械作用将超细磨料强制嵌入到钢丝基体 中，大大降低了钢丝的强度，增加了多线锯加工的风险，因此不适合于大直径单晶硅棒 的多线锯切片加工中。 ( 2 ) 挤压或冲压方式 采用径向挤压或冲压的方式将金刚石颗粒牢固镶入钢丝线的亚表面层，形成高强度 的连续的金刚石线锯。 江晓平等发明了一种生产高耐磨性固结金刚石线锯的工艺与设备【2 6 】( 如图1 4 所 示) 。与滚压嵌入方式不同的是，它首先选取在尺寸为l o - - l o o t u n 的金刚石颗粒上镀 上一层1 l o i x m 厚的金刚石涂层，再将金刚石颗粒粘在直径为0 1 - 一l m m 之间的钢丝线 表面，通过两维以上的冲挤压头模，将金刚石颗粒挤压、冲压进入钢丝线的表面以下， 然后在冲挤压形成的金刚石线的表面，涂敷一层1 - - - ，l o l t m 厚的金属、非金属微米及纳 米材料。 图1 4 冲压法制备固结金刚石线锯的生产工艺图 f i g 1 4m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ff i x e dd i a m o n dw i r eb ys t a m p i n g 这种金刚石固结方法的优点与积极效果为：可以形成自动化生产线，制备长度可达 6 0 公里以上的直径均匀，抗磨性好，拉伸强度高的连续金刚石线。采用挤压或冲压方式 生产出来的带有金刚石涂层的切割线切割成本低，金刚石颗粒的固结质量要优于电镀或 滚压方式生产出来的金刚石线，但缺点跟滚压方式一样，优于金刚石颗粒直接冲压进入 钢丝线的表面会降低钢丝的强度，因此在工业生产中也并不常见。 ( 3 ) 金属结合剂焊接 大连理工大学硕士学位论文 所谓的金属结合剂焊接是指将熔点低于要粘接材料的粘接剂金属或金属合金高温 加热，使粘接材料随该粘接剂金属或金属合金流动，随后冷却至该粘接剂金属或金属合 金固化的温度，从而形成连接。根据所用结合剂的不同，金刚石线锯的制作也出现了许 多不尽相同的工艺。 美国诺顿公司的s t 布尔俭等人发明了一种超级磨料金属丝锯的制造方法【2 7 1 。该法 便是通过铜焊或焊接金属活性粘接剂将超级磨粒材料紧紧地固定在微小直径的金属丝 表面上，其中磨粒较好地以预定的表面分布放置在上述金属丝的表面上。该金属丝锯可 用完全连续的方法制得，它包括：用混有暂时的液态粘结剂组分的金属粘结剂粉末组合 物的糊浆涂敷金属丝表面( 所述组合物选自金属铜焊和金属焊料组合物) ，在所谓的糊 浆层上沉积一层磨粒，然后在惰性气氛中对所述金属丝加热，加热温度和时间足以使所 粘结剂组合物熔融，冷却该金属丝，从而将磨粒铜焊在金属丝上。磨粒可包括超级磨粒 材料，比如金刚石和立方氮化硼等。 与此类似，台湾还出现有金刚石硬焊方式制作金刚石线锯的报道，硬焊是以熔融的 特殊镍合金为结合剂将金刚石磨粒和金属丝基体加以焊结而成的，其中镍合金中含有 络，由于络原子会和金刚石表面的碳形成碳化络( c r 3 c 2 ) 使得镍合金与金刚石间的介 面能( i n t e r f a c ee n e r g y ) 降低而让金刚石被抓持的力量很大而不易脱落1 2 s 。 采用金属结合剂焊接的方法制作的金刚石线锯都能在微细金属丝得到把持力强的 金刚石涂层，缺点是这种制程因为需要经过高温硬焊( 一般需要用5 0 0 一- 1 0 0 0 c 或更高 温度) ，容易造成钢线的变质而减低其刚性甚至造成线材的断裂，大多都是将金刚石硬 焊于套筒上再焊接于线材上，因此对于缩小硬焊金刚石线锯的线径不易达成。 ( 4 ) 树脂粘结剂烧结 利用树脂粘结剂，采用与金属结合剂焊接方式类似的工艺原理，便得到树脂结合剂 的金刚石线锯。采用这种方式得到的金刚石线锯由于其制程温度远低于硬焊，线材较不 会因高温而产生变质造成抗拉强度的衰减，对于缩小线径有很大的帮助。目前树脂结合 剂金刚石线锯的线径已可小于0 2 m m ，虽然其结合剂对金刚石磨粒的把持力不如硬焊 方式好，但有制程成本低、线径小、耗材率低等优势。 位于日本大阪府的住友电气工业株式会社和大阪金刚石工业株式会社的上冈勇夫、 营原润等人共同申请的项发明专利中提出了一种线锯的树脂结合剂制造方法【2 9 】。如图 1 5 所示，该线锯的特征是：在高强度的芯线上固定磨料颗粒，磨料颗粒具有不小于树 脂粘结剂层厚的三分之二、但不超过芯线直径的一半的颗粒度，并由粘结剂固定，粘结 剂含有颗粒度小于其厚度三分之二的填料。采用了这种结构的线锯在切割中提高了加工 的效率和精度。 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 5 3 1 ) 树脂结合剂线锯；2 ) 芯线；3 ) 磨料颗粒；4 ) 填料；5 ) 树脂粘结剂层 图1 5 树脂结合剂线锯横断面 f i g 1 5c r o s ss e c t i o no fr e s i n o u sw i r es a w 对于树脂粘结剂，任何满足定弹性模量和软化温度条件的树脂均可采用。从易于 涂敷和物理性能来看，最好是酚醛树脂，甲醛树脂，环氧树脂，芳香聚酰胺树脂等。 但是，上述传统的树脂结合剂线锯与普通砂轮一样，其结合剂采用的是酚醛树脂之 类的热固性树脂，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，至今尚未投入实际应 用。 鉴于上述情况，为降低树脂结合剂金刚石线锯的制造成本，即提高生产速度，日本 的本俊之等人研究开发出结合剂采用快速固化性优异的紫外线固化树脂的金刚石线锯， 并对其切断性能进行了评价1 3 0 1 。实验表明，结合剂采用紫外线固化树脂时，磨粒层与芯 线的附着强度低，线锯耐磨性显著下降，但在采用芯线和磨粒层之间设有紫外线固化粘 接剂层的双层磨粒层结构后，线锯的耐磨性得到了一定的改善。另外为了进一步提高线 锯的耐磨性和抗扭曲强度，在结合剂中添加氧化铝粉末，得到的线锯与传统热固性树脂 线锯相比，线锯制造速度可提高1 0 倍以上。而且由于树脂固化不需要加热烧结工序， 断裂扭曲强度较热固性树脂线锯有所提高。 由此可见，经过改进后的紫外线固化树脂金刚石线锯较传统树脂结合剂的线锯，制 造速度和加工性能都有了较大的提高，但所有的树脂结合剂线锯都存在有磨粒把持强度 不高，耐热性差，耐磨性低，加工时线锯磨损严重。特别是多线切断8 英寸和3 0 0 r a m 的大直径硅锭时，对线锯耐热耐磨性有更高的要求，而采用电化学沉积方法固结得到的 金刚石线锯有着广阔的发展前景。 ( 5 ) 电化学沉积( 即电镀) 一8 一 ， 、 、，一，。、 ，0。一 一 l 一 大连理工大学硕士学位论文 由于以上几种金刚石磨粒固结方法存在着种种的不足，国内外同行在复合电镀法制 备金刚石线锯方面也进行了一系列的研究，通过各种电化学沉积方法得到的电镀金刚石 线锯也已相继开发出来。 电镀金刚石丝锯是用电镀的方法在钢丝( 基体) 上沉积一层金属( 常见的是镍及镍钻 合金) 并在沉积的金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具。金属镀层是结 合剂，金刚石磨料用于切削加工。目前，国内将这个技术用于半导体材料切割的还很少 见，关键的半导体线切加工设备及配套超细金刚石线锯完全依赖进口，而相关的电镀金 刚石长丝锯的制造及设备设计的研究报道就更少。 山东大学的高伟等人用复合电镀的方法研制了环形电镀金刚石线锯【3 l 】。锯丝基体采 用直径0 8 m m 的6 5 m n 钢丝经氩弧焊焊接成环形，采用镀镍的方法将金刚石磨料把持 在环形钢丝基体上而制成环形电镀金刚石锯丝，用此环形锯丝在自制的试验设备上对花 岗岩的锯切试验表明：锯口边缘整齐规则，无崩碎现象，锯丝切出的表面光滑，质量较 高。 沈阳工业学院的孙建章等对电镀金刚石长丝锯的制造进行了一些实验研究【3 2 1 。他们 选择直径为p o 5 m m 的钢丝为电镀金刚石丝锯的基体材料，通过电镀液的选择及相关参 数的确定，并设计了一种电镀装置实现了长丝锯的连续电镀，从基体镀前处理、到上砂、 加厚及光亮镀等所有工序均流水线式一次性完成。 以上述介绍的国内出现的这两种研究为代表的，所采用的锯丝基体线径均超过巾 0 5 m m ，生产出来的电镀金刚石线锯主要用于机械、建筑、石材等硬脆材料的加工，其 在加工中锯缝大，出材效率低，根本不适合半导体及宝石等贵重材料的加工。 最近，在沈阳晶通金刚石复合材料有限公司的江晓平等人申请的项专利中介绍了 一种用复合电喷镀法制备不锈钢金刚石线锯的装置及其方法【3 3 1 。其制备固结金刚石线锯 的工艺流程如图1 6 所示。复合电喷镀技术是电镀技术中的一个重要分支。除了有电镀 的共同特点外，在保证镀层品质的基础上，更强调镀层的快速高效沉积。因此，采用此 法生产金刚石线锯速度达5 , - - 3 0 米分钟，较一般方法有一定的提高，且可以形成自动 化生产线，制备切割线的长度可调。 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 图1 6 复合电喷镀技术制备固结金刚石线锯的工艺流程图 f i g 1 6m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf l o wc h a r to ff l x e dd i a m o n dw i r eb yc o m p o s i t ee l e c t r i cs p r a y i n g 与前两种研究不同的是该法可对直径在0 1 - 、- l m m 之间的不锈钢线进行金刚石颗 粒的电喷镀敷，制作速度也有提高，但在用于大直径硅棒切片的金刚石线锯的大批量生 产中并不是十分的乐观。以往开发的这些电镀线切工具虽由一些厂家推向市场，但问题 是电镀工序中的工具生产时间太长。因此，这种工具只作为单根短( 数m 长) 线切工具来 使用，而长度要求l o k m 以上硅锭多线切割工具生产时间竞达1 周以上，工具成本非常 之高，结果尚未在加工现场投入应用。 传统的镀镍技术只能得到数公里长的锯丝，因此电镀金刚石线锯发展缓慢。近年来， 新的电镀技术突破了这一极限，金刚石线锯逐渐进入实用阶段。 日本的千叶康雅等人研究推出一种采用毡刷的超高速电镀工艺，开发出金刚石线切 工具高速电镀生产法【3 4 】。千叶康雅等人设计了电镀金刚石线锯的刷镀制作装置，并通过 一系列实验对镀液的选择，毡刷转速和心线移动速度等电镀工艺参数进行探讨和优化， 最后还对生产出的电镀金刚石线锯的切断性能进行了评价。实验表明，使用氨基磺镍镀 液，边让毡刷旋转边对心线施镀，可得到附着性优异的镀层，其生长速度达3 3 1 咀m m i n ， 比普通电镀法快3 0 倍，降低电镀金刚石线切工具的生产成本，即提高工具的生产速度， 同时使用新开发的电镀线切工具在切割加工3 硅锭中表现出的切割效率和耐磨性都优 大连理工大学硕士学位论文 于市场上的商品电镀线切工具。因此采用毡刷的超高速电镀工艺不失为一种制作电镀金 刚石线锯的好方法。 日本的a l m 。t 公司利用其专利技术生产出了l o o k m 长的电镀金刚石锯丝，由于 不使用游离磨料，产生的切缝只比锯丝直径大0 0 1 , - - - 0 0 1 5 m m 。 通过电化学沉积制得的金属丝锯由于磨粒和沉积镀层之间不存在化学键，在使用 时，随着加工次数的增加，切削附着于磨粒表面，镀层的外表面很快被磨去，当约少于 一半的沉积金属被磨蚀时，磨粒就很容易从金属丝上脱落，由于金刚石磨粒自身的磨损、 脱落等原因，线锯的切割性能逐渐下降。 在这种背景下，为了进一步提高金刚石电沉积线锯的切割效率，延长其使用寿命， 日本的石川宪一等人研究开发出一种芯线为绞合线的新型金刚石线锯【3 5 1 ，如图1 7 所示。 芯线采用由两根极细琴钢丝捻成的绞合线，在其表面电沉积金刚石磨粒。该新型金刚石 电沉积绞合线锯，由于芯线采用了绞合线，线锯截面积较传统线锯减小，断裂载荷下降， 但断面极惯性矩大约减小了2 3 ，断裂扭转角增大了近2 倍。绞合线锯的切割效率最大 可达传统线锯的2 倍左右，从几何学上研究其加工机理得知，绞合线的效果主要是容屑 槽促进了加工液的流入。从绞合线锯加工的硅片表面粗糙度和崩边的观点进行了探讨， 发现绞合线锯尽管切割效率高，表面粗糙度和崩边与传统线锯相比并无差异。不过该研 究中采用的绞合芯线仍不失为一种有益的尝试。 图1 7 绞合线锯示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd e s c r i p t i o no fi n t e r t w i s tw i r e 琴锕丝 综上所述，随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，作为下一代切 割工具的固结磨料金刚石线锯以其加工表面损伤小、挠曲变形小，切片薄、片厚一致性 好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益高，产量大，效率高等一系列无可比拟的优点受 到人们的重视。在金刚石线锯的各种固结技术中，电化学沉积( 即电镀) 方式虽然镀层 对金刚石颗粒的把持力不如滚压、冲压及硬焊方式来的好，但有制程成本低、线径小、 耗材率低，耐热性和耐磨性良好等优势，是未来研究的热点和趋势。目前，固结磨料电 镀金刚石线锯受制造工艺限制，应用和研究相对较少，国内在这方面还没有系统的具体 金刚石线锯的复合电镀法制备及其性能研究 研究，i c 生产厂商也大都完全依赖国外进口设备，而很多国外厂商都把该技术作为商业 机密。本课题计划对固结磨料金刚石线锯的电镀工艺进行实验研究，提出微细金属丝基 体上电镀超细粒度金刚石磨粒的精密电镀工艺。这对我国在下一代集成电路( i c ) 制造 领域开发具有自主知识产权的产品和技术、赶超国际先进水平，具有重要的现实意义。 1 5 复合电镀技术 通过金属电沉积的方法，将一种或数种不溶性的固体颗粒，均匀地夹杂到金属镀层 中所形成的特殊镀层就是复合镀层。这种制备复合镀层的方法，可称之为复合电镀 ( c o m p o s i t ep l a t i n g ) 。 1 5 1 复合电镀技术的发展 早在上世纪3 0 年代左右，苏美等国学者就曾对复合电镀技术进行过研究。至于用 复合电镀技术制备牙科医生用的小钻头等，也许出现得还要更早些。但由于这种技术在 当时还很不成熟，故未能引起人们的注意。1 9 4 9 年，美国人a s i m o s 利用金刚石与镍共 沉积的方法制造切削刀具，并获得了复合电镀的第一个专利。现在已发明了多种制备复 合镀层的新工艺，制出了多种类型的复合镀层，找到了它们在很多领域中的新用途。 此后，随着科学技术的迅猛发展，各行业尤其是航空航天设备对材料性能的要求越 来越高，复合电沉积技术获得了迅速发展。与此同时，关于复合电沉积的文献和专利明 显增多，关于复合电沉积的科学研究工作也开始活跃起来。1 9 5 5 年d a i m l e r - b e n z 提出 了使用复合镀提高机械零件耐磨性能的方法，并获得专利。1 9 6 0 年美国v a n d e rh o r s t 公司采用复合电铸方法在活塞环上制备了自润滑镀层。1 9 6 3 年w i t h e r 在加利福尼亚耐 火材料会议上报告了用电沉积方法强化合金钢坯的方法，他使用3l a i n 的a 1 2 0 3 颗粒制 备n i a 1 2 0 3 复合镀层，研究了搅拌、颗粒浓度以及电解液成分和周期换向电流对镀层的 影响。1 9 6 6 年w m e t z g e r 等开始实验复合化学镀，并在实验室获得了第一张n i p a 1 2 0 3 复合镀层照片【3 6 j 。 进入7 0 年代以后，复合电沉积技术得到了进一步的发展，复合镀层的应用领域也 进步拓宽，复合镀层逐渐从最初的耐磨、减摩功能发展出装饰、耐蚀、电催化、电触 头等许多特殊功能【3 3 。经过这些年的研究，用于复合电镀的不溶性固体颗粒的种类也 大大地扩展了。除原来使用过的氧化物、碳化物、氮化物之外，几乎所有类型的陶瓷颗 粒、各种金属粉末、树脂粉末以及石墨、m o s 2 、w s 2 、聚四氟乙烯、金刚石等均可作为 共沉积的颗粒。 大连理工大学硕士学位论文 1 。5 。2 复合电镀工艺 以超硬材料作为分散微粒，与金属形成的复合镀层，称为超硬材料复合镀层。它就 是复合材料电镀制品的工作层。制取超硬材料复合镀层的电镀方法，称为超硬材料复合 电镀工艺。复合电镀工艺与通常的简单镀层的电镀工艺相比，具有它自己的一些特点。 任何一个完整的电镀工艺过程，一般都包括三个阶段：镀前处理、电镀、镀后处理。超 硬材料复合镀层的电镀不是一步完成的。对于大多数超硬材料电镀制品来说，一般是按 照预镀、上砂镀、加厚镀和光亮镀等几个步骤分布进行的m 。 ( 1 ) 预镀 基体经过表面处理的最后一道工序( 活化处理) 之后，放进镀槽中电镀，在基体表 面上电沉积出薄薄一层金属镀层，这个电镀步骤称为预镀。由于该底层中不含磨料，故 又称为镀底层或空镀。目的是为了使镀层与基体充分接触，以增强结合力，镀层厚度一 般约为几微米。 ( 2 ) 上砂镀 上砂镀步骤通常称为上砂，它是连在预镀步骤之后的一个电镀工序。其目的是通过 金属的电沉积，将紧靠基体表面的一层超硬材料颗粒( 俗称砂子) 初步固结在底镀层上。 上砂方法主要有悬浮法和埋砂法，具体方法将在第四章介绍。通过上砂步骤，可以将紧 挨着基体表面的一层磨粒初步把持在基体上。 ( 3 ) 加厚镀 加厚镀常简称为加厚。加厚是在已经上好砂的镀件除去外围浮砂之后，进行电镀， 从而将镀层加厚的一个电镀工序。对于大多数超硬材料电镀制品来说，工作层只有单层 磨粒，加厚厚度只需要达到将磨粒埋入镀层2 3 高度，埋入率7 0 左右即可。磨料还有 一部分露在镀层外面，外露部分的高度相当于平均粒径的1 3 左右。加厚镀是电镀个步 骤中历时最长的一个步骤，随着时间延长，镀层厚度增加，