超薄金刚石切割片的研究及应用现状

第２２卷笫６期　２０１０年１２月　

超　硬　材　料　工　程　

ＳＵＰＥＲＨＡＲＤ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．２２　

Ｄｅｃ．２０１Ｏ　

１　前　超薄金刚石切割片的研究及应用现状①　唐营，何伟春　（河南工业大学材料科学与工程学院．河南郑州４５０００７）　

摘要：超薄金刚石切割片，由于具有超薄切割槽宽，切割断口平滑，废品率低，切割效率高等优点，已逐步　得到人们的重视。文章综述了近１Ｏ年来超薄金刚石切割片的主要制作方法的研究进展及应用现状，介绍　了超薄金刚石切割片的制备方法，包括电镀法和固化树脂法，其中电镀法以其设备简单、绿色环保、可循环　生产等优点成为最有可能大规模工业应用的制备方法，文章最后指出了其发展方向。　关键词：超薄；金刚石切割片；电镀；固化树脂　中图分类号：ＴＱ１６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１４３３（２０１０）Ｏ６一Ｏ０３４一Ｏ４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｂｌａｄｅ　ＴＡＮＧ　Ｙｉｎｇ。ＨＥ　Ｗｅｉ—ｃｈｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７－Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｂｌａｄｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｎａｒｒｏｗ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｓｌｉｔ，ｌｏｗ　ｒｅｊ　ｅｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ－　ｔｈｉｎ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｂｌａｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　１　０　ｙｅａｒｓ－ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ　ｒｅｓｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｅｎｖｉ～　ｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｃｙｃｌｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｌａｓｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ：ｄｉａｍｏｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｂｌａｄｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ　ｒｅｓｉｎ　

口　太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，它的开　发利用正引起人类的极大关注，商业化利用太阳能已　成为世界趋势。太阳能电池就是由此而诞生的太阳　能利用＿Ｔ具。硅系的太阳能电池包括：单品硅电池、　多品硅薄膜电池等，其中单品硅大阳能电池转换效率　最高，光电转换率可以达到２３　９，５，在现阶段的大规模　应用和Ｔ业牛产中Ｉ　据主导地位［】］。近年来，随着半　导体制造技术的不断成熟完善，硅片制造成本不断降　低，但是太阳能电池所用硅片的切割成本却一直居高　不下，要ｆ　太阳能电池总制造成本的３Ｏ％以上［２］。　为了降低硅片加工期间发生崩边的可能性，提高材　料利用率，硅片的切割倾向于使用薄刀片。目前使用　的普通刀片可大致分为厚度１５～ｌＯＯｔ￣ｍ的电镀刀片　和１Ｏｏ～５Ｏｏ　ｍ的树脂刀片两种［３］。在我国，目前牛　产电镀金刚石超薄切割片技术还不成熟，主要还处于　

①收稿日期：２０１０—１２—３１　作者简介：作　简介：唐营（１９８８一），男，河　Ｉ：业大学材料学院研究生。　

３４　试验研究阶段　，生产所需的超薄切割片主要依赖从　美国、德国和日本进口，因此，高精度金钢石切割工具　的研制技术是我国］二具及微电子行业迫切需要解决　的问题　卜　。　２金刚石超薄切割片研究现状　２．１固化树脂法　树脂法制造金刚石超薄切割片是一种可以得到　很好保型性的方法，一般采用热固性酚醛树脂作为结　合剂，它的做法是将金刚石磨粒与树脂混合，然后用　热压法烧结和热固化后进行研磨加工，这种工序需要　数小时，因此生产成本较高。随着技术的进步，热固　化树脂逐渐被光固化树脂所替代，光固化树脂主要由　基础聚合物（光交联性聚合物）、活性稀释剂（光聚合　性单体）、光引发剂以及添加剂组成。它和热固化树　脂最本质的区别在于其固化过程是吸收适当波长的　光而引起的化学反应过程，它从液体转变为固体是分　子量增加的结果，而不是溶剂挥发所造成的，故具有　快速固化、无污染、节省能源的优点［１。。，但制约因素　是其原材料价格较高。　运用光固化树脂法制造超薄金刚石切割片方面，　彭伟，谷泰弘等［】　利用光固化树脂作为结合剂研制　成功厚度为０．１５ｍｍ的超薄型金刚石切割砂轮，并　完成了对单品硅片的切割试验。切割使用后的砂轮　形态为：５３ｍｍ×４０ｍｍ×０．１５ｍｍ。对于实验制得　的试样进行了切割试验。通过实验数据分析，最终结　果　示，添加适量的ＳｉＯ。能够提高切割片的综合性　能，且当所添加的微粒含量为４８　时，切割片的切割　效果最好，切割断口较光滑。经分析得ｍ，出现这种　现象的主要原冈与砂轮表面高密度分布的ＳｉＯ　粒子　对沟槽表面的研磨作用。　２００４年，姚春燕，彭伟等［】２］以快速原型制造技术　为基础，研究以光敏树脂作为结合剂的超薄金刚石　切割砂轮片的快速制造技术，并通过添加日本ＲＥＶ　品须（１３，ｕｍ×７０，ｕｍ）的方法，来提高金刚石切割片　结合剂的机械性能。单品硅片的努普硬度约为　Ｋ１０００，而金刚石的努普硬度高达Ｋ７０００Ｅ¨］。将金　刚石微粉和品须定量混入配制的光敏树脂中，搅拌均　匀，并抽真　脱泡，于室温下注入薄片切割砂轮模具，　经紫外线照射固化成型，成型后的超薄金刚石切割砂　轮片尺寸为：５２ｍｍ×４０ｍｍ×０．１５ｍｍ。经过不同　配方的切割片切割试验证明：在光敏树脂切割片中添　加ＲＥＶ品须可以增强切割片的磨削性能，提高被切　割材料切割后的质量。　在切割片中单独添加ＳｉＯ：或品须，对于切割片　性能的提高是有限的，且不能满足实际的需要，２００４　年，李承福等［３］采用昭和高分子公司生产的环氧树脂　ＬＣ一２８００作为结合剂，通过紫外光的照射来固化树　脂，从而制造出超薄切割片，并通过添加ＳｉＯ：颗粒和　纤维作为填充剂来改善其硬度、强度和耐磨性。切割　片的制造方法为高速旋涂法，即首先将液态树脂滴在　衬底中央，然后让衬底高速旋转，使液态树脂在衬底　上扩散形成薄膜，并在上方１０ｍｍ处用紫外光进行　照射来使固化树脂固化，从而制造出超薄切割片，试　制刀片的尺寸为５４ｍｍ×４０ｍｍ×０．０５ｍｍ。通过不　同试样的切割对比实验证明，旋涂法可以用来制造超　薄金刚石切割片，而且添加粒状填充剂具有提高硬度　的效果，纤维状填充剂则有提高强度的强化效果，且　纤维中以碳纤维的性能较为优异。　２．２　电镀法　电镀法，就是利用电解的原理，在金属基体上沉　积一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使　金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工　艺［１‘。。而微粒要通过电解过程进入复合镀层，　Ｇｕｇｌｉｅｌｍｉ认为微粒进入复合镀层主要是依靠两步吸　附机理：第一步是携带着离子与溶剂分子膜的微粒吸　附在电极表面上，称之为弱吸附，它与悬浮在镀液中　的微粒处于平衡。处于弱吸附状态的微粒，脱去它所　吸附的离子和溶剂化膜，与阴极表面直接接触形成不　可逆的电化学吸附，成为强吸附步骤。随后则是在金　属电沉积过程中将强吸附的微粒嵌入镀层［１引。　２０００年华南理工大学的刘定福Ｅ１６］介绍了一种利　用复合镀的方法，这是一种以镍钴合金镀层作为粘接　剂制造金刚石圆锯片的工艺，＿Ｔ艺特点是在在锯片毛　坯的周边（切割刃部）每隔６～７ｍｍ用薄锯片沿直径　方向锯出９ｍｍ长的缝隙，使以后的金刚石颗粒和作　为结合剂的镀层具有类似机械镶嵌的作用，以进一步　加强复合镀层与基体的结台力，延长锯片的使用寿　命。布砂方式采用撒砂法，即用滴管吸取已经过亲水　化处理的金刚石微粒均匀地散布在朝上的那个沉积　面上，然后轻微振动锯片，使金刚石颗粒能稳定地与　基体接触。经过预镀、上砂、加厚镀、光亮镀　最终得　到良好的镀层。最终证明在制造金刚石＿Ｔ具时，镍钴　３５　合金是可以作为结合剂来得到良好镀层的。　２００２年，郭铁峰，杨燕军［１　］曾提出，首先利用磷　酸盐来制备化学转化膜，其配方为（ｇ／Ｌ）：草酸５，磷　酸１５，草酸钠４，磷酸二钠１Ｏ，氯酸钠５；操作条件为：　温度２０＂Ｃ，时间５ｍｉｎ。制备｝ｎ来的化学转化膜以奥　氏体不锈钢的效果最佳，它具有较好的导电性，能使　电沉积过程顺利进行，且防止电沉积材料与基片强力　结合，以便于镀层的剥离。　对于电化学沉积阶段，采用Ｎｉ～Ｃｏ电镀液，镀　液配方为（ｇ／Ｌ）：硫酸镍２２０　２４０，硫酸钴１５～３Ｏ，　硼酸２５￣３５，氯化钠１Ｏ～２０，专利添加剂适量，金刚　石微粉５～１Ｏ。实验的操作条件为：电镀温度４５℃～　５Ｏ℃，ｐＨ值４．１～４．５，Ｄｋ＝２Ａ／ｄｍ　，气泵搅拌，间　歇时间１０ｍｉｎ。复合镀层采用加热方式从基体上剥　离，并在冷冲成型机上冲压成型　对于实验制成的成　品，经过切割单品硅对比实验表明，产品可以满足切　割要求，且成本下降１／３。　上海核工业第八研究所的周麟华、徐建红等Ｌ１。］　在２００３年串请的专利中，详细叙述了制造超薄金刚　石切割片的制造方法。采用镍板作为阳极，不锈钢作　为阴极，电镀液是水合镍金属盐或水合镍金属盐与其　它水合金属盐的混合溶液中加入金刚石磨料、硼酸及　添加剂而得到，配方为（ｇ／Ｌ）：硫酸镍１５０～３００，硫　酸钴３～２Ｏ，硼酸２５～４Ｏ，氯化镍３０～６０，初级光亮　剂０．２～２，次级光亮剂０．２～２，润滑剂０．０５～１。电　镀工艺参数为：Ｄｋ＝２Ａ／ｄｍ　，ｐＨ值４．１～４．５，温度　４５℃～５０℃，金刚石密度为５￣２０ｇ／１，时间可以控制　复合电镀层的厚度。将阴极和阳极放入电镀溶液中，　接通电源后，在电子的作用下，金刚石磨料与金属离　子在阴极基板上均匀共析，得到复合电镀层。将电镀　有复合层的阴极基板轻轻弯成弧形，复合电镀层就很　容易与阴极基板分离，最终得到分离后的金刚石与镍　钴复合镀层。经过三个小时的电镀，可以得到２０ｐ．ｍ　的复合镀层。　基于不同的基体及复合镀层的剥离方法不同，　２００９年，大连理－Ｔ大学的刘金龙［１妇在提高复合电沉　积金刚石切割片性能的试验研究一文中，详细介绍了　以铝合金为基体进行金刚石一镍复合镀层的制备，铝　合金基体在经过镀前处理后作为阴极放人镀槽内进　行金刚石金属共沉积，在得到需要厚度的镀层后取　在自制的电解槽内进行电解，用合适的电解液把　基体腐蚀掉来得到金刚石复合镀层。把得到的复合　３６　镀层在硅片和玻璃上进行划痕与刀片磨损研究，切割　后刀片保持锋利，无翘曲等变形，性能达到要求。　何昌耀在［２０］２００９年申请的专利中介绍了一种以　镀膜塑料为基体来制作超薄金刚石切割片的方法。　他是选用镀膜塑料做阴极基板，表面用沉淀法预置一　层金刚石，放入用１８　～２５　镍盐、１　～２　钠盐、　１　～３　钴以及２　～４　酸溶液混合制成的电解液　中，以高纯镍板做阳极基板，温度为３Ｏ℃～４Ｏ℃，ＰＨ　值为４．２—４．６，通过电沉积在阴极基板的金刚石表　面沉积镍来固结金刚石，从而得到厚度为０．０２～　ｌｍｍ的电镀层。接着将附有电镀层的阴极基板放人　配置好的添加了２　乙醇的三氯甲烷溶解液中，将镀　膜塑料溶解掉，得到金刚石一镍复合镀层，通过后加　工制成所需规格尺寸的切割片。