CN101209505B

CN101209505B - 一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法

Info

Publication number: CN101209505B
Application number: CN2006101554791A
Authority: CN
Inventors: 彭伟; 毛炜
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: CN101209505A

Abstract

一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法及其产品，包括(1)钢丝的表面(2)钢丝的助镀处理(3)配料(4)钢丝镀敷(5)后处理的制备步骤，结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。通过一系列化学、扩散反应使钢丝表面覆盖了一层均匀牢固的镀层3，金刚石磨粒2也被均匀地把持在金属粘结层1中。以达到切削的目的。

Description

一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种金刚石线锯的制备方法。

二、背景技术

传统的半导体材料切割一直采用金刚石内外圆切割技术，但是，随着半导体行业的发展，特别是硅晶块直径的逐渐增大，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、砷化镓、钽酸锂、铌酸锂等半导体材料以及半导体管芯的切割加工中。

目前主流的金刚石线锯床采用的是游离磨粒的金刚石线切割技术，即在切割时，钢丝沿纵向走丝，同时与工件相互压紧，含有金刚石磨粒的浆液注入到工件与钢丝之间时，钢丝的快速运动将含有金刚石磨粒的磨削液带入工件切缝中，从而对工件材料产生切割作用。由于采用了游离磨粒，存在着切割效率低、作业环境恶劣和废浆液的处理等问题。

针对这些问题，近几年被称为固结磨粒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，使得切割效率大大提高。目前这种固结有金刚石磨粒的锯丝通常采用电镀工艺和树脂固化技术制造而成，前者结合剂为铜、镍等金属结合剂。但是，由于这种锯丝采用的是电镀生产工艺，存在着几个致命的弱点：第一是锯丝的电镀生产过程存在着废液处理问题；第二是锯丝的生产效率问题，由于电镀层需要形成一定的厚度才有可能将磨粒固结，受电镀沉积速度的限制，使得生产效率和生产成本较高。后者主流采用的为热固化树脂结合剂，但采用线锯制造速度只能提高到每分钟数十米左右，使用线锯成本太高。另外，树脂结合剂线锯通常都采用热固性树脂，锯丝在树脂固化时的加热烧结工序也会发生兰脆，导致断裂扭曲强度明显下降。同时，树脂结合剂线切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点温度高的大口径硅锭的多道切割中极难应用。

三、发明内容

本发明的要解决现有固结磨粒金刚石线锯制造方法的环境污染、生产效率低、成本高、产品强度低、耐磨性和耐热性差的不足，提供一种既环保又高效、低成本的生产金刚石线锯的方法，同时产品又具有好的耐磨性、结合强度。

本发明所述的一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)钢丝的表面处理：先碱洗后水洗，再酸洗后水洗

(2)钢丝的助镀处理：将钢丝在氯化锌与氯化铵混合物的水溶液里浸镀，使其表面覆盖上涂敷助镀剂；

(3)配料：将磨粒放进低熔点的合金的熔液中，搅拌，使磨粒被胎体金属所浸润；

(4)钢丝镀敷：将钢丝张紧、预热后进入金属磨粒混合液中，钢丝表面镀上了一层混有磨粒的金属层。

(5)后处理：金属层还没有完全固化前，刮去表面的杂质，得到了均匀的结合剂镀层，再冷却使金属层完全固化，最后把线锯绕在收线轮上。

优选的做法是在步骤(3)配料前，先在磨粒表面镀覆金属如镍或铜等。

优选的做法是结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。

优选的做法是上述线锯镀层内磨粒浓度25％～100％。

依照本发明方法制成的金属结合剂金刚石线锯，结合剂层是金属，结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。

本发明开发的以金属为结合剂的金刚石线锯生产技术，经过前处理的钢丝，使其通过混有金刚石磨粒的熔融态金属结合剂，通过一系列化学、扩散反应使钢丝表面覆盖了一层均匀牢固的镀层，金刚石磨粒也被均匀地把持在金属粘结层中，以达到切削的目的。

本发明所用的钢丝为琴钢丝，其直径可以为0.05～2.5mm。

在上述钢丝的表面固结的粒径为10～150μm的金刚石颗粒。

上述线锯镀层内磨粒浓度25％～100％，在磨削加工学中，定义磨削层每立方厘米体积所含磨料为0.878g定义为100％浓度。

本发明的优点是：该技术集合了电镀技术和树脂固化技术的优点，即提高了制造速度，又因在浸镀过程中有合金层的生成而大大增强了结合剂与钢丝的结合性能。在生产效率、成本等方面远远优于现有的电镀技术，在耐磨性、结合强度等方面又优于现有的树脂固化技术，有非常广泛地应用前景。

附图说明

图1是本发明的金属结合剂线锯的截面结构图。

图2是本发明的金属结合剂线锯的自动生产装置示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是关于用于切割半导体材料(如硅及碳化硅、砷化镓、碲化铋)、光电子材料、压电晶体、磁性材料等的线锯的制造方法。

参照附图1：一种金属结合剂线锯的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)、金属锯丝的表面处理：金属锯丝尺寸：直径0.2mm，长度：100m；首先在自配的碱性溶液中清洗约5min，完毕后用水冲洗干净。然后在自配的酸性溶液中清洗约5min，酸洗后再用清水冲洗，去除残留的酸液。

(2)、助镀处理：把钢丝在自配的NH₄Cl、ZnCl₂、KCl混合液浸镀，并以机械力搓洗，使其表面均匀地涂覆上助镀剂并烘干。

(3)、配料，将113.07g市售锌合金、磨粒尺寸规格为10-40μm的人造金刚石36.93g在坩埚里加热到熔化，并用搅拌棒将上述材料搅拌均匀，磨粒浓度为50％；

(4)、在金属结合剂线锯的自动生产设备上，生产线锯。

在自制的线锯生产设备上制做线锯过程如下：

参照说明书附图2：经过助镀处理的单根钢丝4，被放置在放线轮1上，放线轮上的阻尼装置2使钢丝增加了一定的张紧力，钢丝通过导轮3，进入保温炉5中进行预热处理，浸入金属磨粒混合液6中，钢丝表面就镀上了一层混有磨粒的金属层，由于浸镀时间较短，金属层还没有完全固化，通过刮刀装置7刮去表面的杂质，就得到了均匀的镀层，进入冷却装置8以后，金属层完全固化，最后通过导轮把线锯绕在收线轮9上。

本发明所用的金属为低熔点的合金如锌、锡等，因温度超过800℃，金刚石就会发生碳化。本发明采用的为锌合金，为了满足各种性能，在金属液中加入包括铝、锡、碲、硅、镍等合金元素，以增加混合液的流动性，降低表面张力和改善润湿性及结晶形态的改变，有利于形成结合良好的界面。

由于金刚石是非金属，与一般金属或合金间有很高的界面能，致使金刚石表面不能被低熔点金属或合金所浸润，镀层金属与钢丝和金刚石磨料的界面上并不存在牢固的冶金化学结合，磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力不大，粘结性能较差。在负荷较重的高效磨削作业中，线锯容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。因此在本发明中采用处理过的金刚石磨粒，就是在金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些金属如镍、铜等，通过机械搅拌法金刚石就可以很好地被胎体金属所浸润，能大大增强金刚石与胎体金属之间的粘结力。

镀层不宜太厚，镀层过厚会使金刚石磨粒完全包埋在金属结合剂中，就达不到切削的目的，镀层太薄金刚石磨粒又不能很好地被金属结合剂所把持，在切削过程中，金刚石磨粒会出现大量的脱落。因此结合剂的厚度要控制在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。

表面处理后，获得表面高质量的钢丝以提高金属粘结性和磨粒颗粒的牢固性。

碱洗(脱脂)、酸洗主要用于除去表面的油污、氧化皮等，属于钢丝的预处理，通过水洗可以将表面的酸、碱液洗去。

碱性溶液包括NaOH、Na₂CO₃、Na₃PO₄、Na₂SiO₃溶液。为了加快脱脂速度和增强脱脂效果，温度为80～90℃，以保证完全脱除钢丝表面的油污、润滑层等。在清洗过程中要不断地进行搅拌，因为搅拌能加速脱脂过程，可以更好地从金属表面带走油滴。

酸性溶液包括H₂SO₄、HCl和H₂O所组成，由于酸液与氧化皮的化学反应，可以去处留在钢丝表面的氧化皮。

涂敷助镀处理：

浸涂涂敷剂可保护碱洗和酸洗后的洁净钢丝表面不再被氧化，提高金属混合液对钢丝的浸润作用。涂敷处理是镀金属液中一道至关重要的工序，这是表面处理的核心，钢丝表面被氧化形成疏松的氧化膜。该膜有阻止金属液与钢丝的润湿性接触的特点。

涂敷助镀剂全部覆盖并润湿钢丝才能保证涂敷浸润时金属液与其反应。加入非离子表面活性剂可以降低涂敷助镀剂溶液的表面张力，增加其在工件上的铺展润湿能力，保证拐角和缺陷部位的涂敷。此外，当钢丝上残留有油迹和氧化皮时，表面活性剂的亲油基吸附在油迹上，亲水基伸入溶剂中，使油迹由对钢丝润湿变为不润湿最终被除去。涂敷助镀剂则覆盖于原油迹遮盖的表面上，氧化皮比钢丝的表面能低，助镀剂不易润湿，而当表面活性剂中的非极性基朝向低能表面，极性基朝外使低能表面变为高能表面，使涂敷助镀剂易于润湿氧化皮，其中的盐酸可以较快地将它除去。

助镀剂为氯化锌与氯化铵混合物的水溶液。

助镀剂的作用为：

1)对钢丝表面起到清洁的作用，去除酸洗清洗后残留在钢丝表面的铁盐或氧化物，使钢丝在进入混合液时具有最大的表面活性。

2)在钢丝表面沉积上一层盐膜，可防止钢丝从助镀液到进入锌锅这一段时间内在空气中锈蚀。

3)净化的钢丝浸入混合液中，使钢丝与混合液加速浸润并反应。

4)钢丝表面覆盖的氯化锌铵盐膜的活化作用。

本发明所述的金属结合剂线锯的制备方法具有如下优点：

1、使用低熔点金属作为线锯的结合剂，提高线锯磨削层机械性能及与钢丝之间的结合强度；2、大大提高了生产效率；3、从而降低了制造成本；

实施例2

本实施例介绍一种用于切割半导体材料(如硅及碳化硅、砷化镓、碲化铋)、光电子材料、压电晶体、磁性材料的金属结合剂线锯。

参照图1，其制备方法包括以下步骤：

(3)、配料，将98.14g市售锌合金、磨粒尺寸规格为10-40μm的人造金刚石51.86g在坩埚里加热到熔化，并用搅拌棒将上述材料搅拌均匀，磨粒浓度为75％；

(4)、在金属结合剂线锯的自动生产设备上，生产线锯。

在自制的线锯生产设备上制做线锯过程如下：

其余与实施例一相同。

实施例3

本实施的特点是在制备步骤(3)调料中，磨粒浓度为25％，其余与实施例一相同。

实施例4

本实施的特点是在制备步骤(3)调料中，磨粒浓度为100％，其余与实施例二相同。

Claims

1.一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)钢丝的表面处理：先碱洗后水洗，再酸洗后水洗；

(3)配料：将磨粒放进低熔点的金属的熔液中，搅拌，使磨粒被金属所浸润；

(4)钢丝镀敷：将钢丝张紧、预热后进入金属磨粒混合液中，钢丝表面镀上了一层混有磨粒的金属层；

2.如权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法，其特征在于在步骤(3)配料前，先在磨粒表面镀覆金属。

3.如权利要求1所述的一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法，其特征在于结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。

4.如权利要求2所述的一种金属结合剂金刚石线锯的制备方法，其特征在于结合剂镀层的厚度在金刚石粒径的二分之一和三分之二之间。