方莉俐，張洋，劉士國(guó)

    (中原工學(xué)院理學(xué)院，鄭州450007)

    摘要:分析了超薄金剛石刀具的研究現(xiàn)狀，用電鑄工藝制備出金剛石-鎳復(fù)合膜，探討了陰極電流密度、攪拌速度和攪拌槳位置、陰極懸掛傾角、鍍液溫度等電鍍工藝參數(shù)對(duì)金剛石-鎳復(fù)合膜品質(zhì)的影響規(guī)律;探討了復(fù)合膜的后續(xù)加工工藝，指出電火花加工可以有效除去復(fù)合膜的毛邊和毛刺，是一種行之有效的后續(xù)加工方法;研制出了超薄金剛石-鎳復(fù)合膜切割片，并對(duì)其切割性能進(jìn)行了初步試用研究。

    關(guān)鍵詞:電鑄;超薄金剛石刀具;金剛石-鎳復(fù)合膜;電火花加工;應(yīng)用

    中圖分類號(hào):TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-985X(2011)03-0610-06

    1·引言

    超薄金剛石刀具主要用于電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域各種集成電路芯片及多種電子元器件劃斷和開(kāi)槽。這種切割片厚度薄(一般為0．015～0．1mm);精度高(厚度尺寸精度一般為＜0．003mm，圓度和同心度＜0．01mm，平行度＜0．005mm);強(qiáng)度高;剛性好;內(nèi)應(yīng)力小(工作線速度可達(dá)100m/s左右)。具有切割速度高、切縫小、崩口小、材料利用率高、工件精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，完全能滿足電子信息領(lǐng)域大規(guī)模集成電路芯片及多種電子元器件加工的需要。目前，超薄金剛石刀具研制主要有兩種方法，即壓制法和電鑄法。電鑄法比壓制法溫度低、設(shè)備簡(jiǎn)單、研制的刀具更薄，因此具有更多的優(yōu)勢(shì)。目前，用電鑄法研制超薄金剛石刀具，國(guó)外達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的僅有日本DISCO公司、三菱公司，韓國(guó)的新韓公司等少數(shù)幾家，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)研究單位正在進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)此項(xiàng)工作，目前還處于起步階段。電鑄法超薄金剛石刀具的研制，可以提高我國(guó)工具行業(yè)的制造水平，替代進(jìn)口，并對(duì)我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

    2·超薄金剛石刀具的研究現(xiàn)狀

    2．1 超薄金剛石刀具研制方法

    目前，超薄金剛石刀具研制主要有兩種方法，即壓制法和電鑄法。

    2．1．1 壓制法

  采用粉末冶金原理，厚度大于0．08mm。其厚度尺寸精度:±0．002～±0．005mm，平行度小于0．005mm。其主要特性是精度高、剛性好、切割鋒利度高，使用速度可達(dá)80m/s左右?？杉庸げ牧系姆秶鷱V，可用于各種磁頭材料、基板、玻璃、陶瓷、晶體、硬質(zhì)合金、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、樹(shù)脂-陶瓷復(fù)合材料、樹(shù)脂-陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料及金屬化合物等的切斷和開(kāi)槽。

　　2．1．2 電鑄法利用電化學(xué)原理，厚度小于0．1mm，其厚度尺寸精度:±0．001～±0．002mm，平行度小于0．005mm(和壓制法相同)，主要特點(diǎn):精度更高、強(qiáng)度更高、剛性更好、切縫更窄、導(dǎo)熱性好、耐磨性高，使用速度可達(dá)100m/s左右，但切深淺(一般小于1mm)，主要用于各種芯片的劃斷和開(kāi)槽，可加工的材料范圍相對(duì)較窄，主要用于硅、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體材料的加工。

　　2．2 應(yīng)用情況

　　目前壓制法生產(chǎn)超薄金剛石刀具，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有鄭州磨料磨具研究所等少數(shù)研究單位和廠家生產(chǎn)，產(chǎn)品可以替代進(jìn)口。而電鑄法生產(chǎn)的超薄金剛石刀具，國(guó)內(nèi)應(yīng)用還主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)研究單位還處于研制階段。

　　3·電鑄超薄金剛石刀具的研制

　　電鑄超薄金剛石刀具的研制過(guò)程分為金剛石-鎳復(fù)合膜的制備和復(fù)合膜的后續(xù)加工兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。

　　3．1 金剛石-鎳復(fù)合膜的制備研究

　　3．1．1 復(fù)合電鍍?cè)O(shè)備

　　圖1是我們自行設(shè)計(jì)的復(fù)合電鍍?cè)O(shè)備簡(jiǎn)圖，主要由恒流源、恒溫水浴箱、電鍍槽、攪拌器等組成
。

    3．1．2 制備工藝

    電鑄金剛石-鎳復(fù)合膜制備過(guò)程如下:

    第一步:配制電鍍液;

    第二步:將一定質(zhì)量的金剛石微粉倒入電鍍液中，用電動(dòng)磁力攪拌器攪拌1h左右，使金剛石顆粒在電鍍液中分散均勻并充分潤(rùn)濕;

    第三步:根據(jù)陰極上欲鍍面積和陰極電流密度設(shè)計(jì)值，計(jì)算并調(diào)好陰極電流;

    第四步:將處理好的陰極型模通電置入鍍槽，進(jìn)行電鍍;

    第五步:施鍍一定時(shí)間后，將陰極型模取出，用清水沖洗干凈，晾干;

    第六步:脫膜，進(jìn)行性能檢測(cè)。

    工藝流程如圖2所示。

    電鍍工藝參數(shù)包括:鍍液中金剛石含量、陰極電流密度、鍍液溫度、沉積時(shí)間、pH值、電極間距、金剛石粒度、攪拌速度和位置等。研究表明，這些參數(shù)對(duì)復(fù)合電鍍層的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。采用正交實(shí)驗(yàn)方法，鍍液中金剛石含量范圍14～20g/L，陰極電流密度范圍0．5～1．5A/dm2，鍍液溫度40～60℃，沉積時(shí)間1～4h，pH值3．5～4．2，電極間距10～15cm，攪拌速度180～220r/min，攪拌槳在鍍液下部。選用W3．5、W7、W10三種人造金剛石微粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

    3．1．3 影響復(fù)合膜品質(zhì)的因素分析

    用數(shù)顯電子測(cè)微儀、SEM(掃描電子顯微鏡)、XRD(X射線衍射)對(duì)復(fù)合膜樣品測(cè)試，結(jié)果顯示:

    (1)陰極電流密度對(duì)復(fù)合膜中金剛石顆粒含量、表面形貌、顯微應(yīng)變、膜的沉積速率影響很大。隨著電流密度的增加，復(fù)合膜的沉積速率增大;復(fù)合膜中金剛石顆粒含量先快速增加，在1．3～2．5A/dm2達(dá)到峰值，之后再增加陰極電流密度，金剛石顆粒含量反而下降。而且，在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，隨著陰極電流密度的增加，復(fù)合膜的顯微應(yīng)變下降。所以，控制電流密度是沉積高品質(zhì)復(fù)合膜的關(guān)鍵。

    (2)復(fù)合膜中金剛石顆粒含量隨著電鍍液中金剛石濃度的增大而增大，但當(dāng)金剛石濃度大于18g/L時(shí)，隨著金剛石濃度的增大，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量增加緩慢，并且有接近飽和的趨勢(shì)。

    (3)在陰極電流密度和鍍液中金剛石顆粒含量相同的條件下，攪拌速度和攪拌槳位置對(duì)沉積復(fù)合膜中的金剛石密度和顆粒分布的均勻性產(chǎn)生很大影響。最佳攪拌速度為180～220r/min，最佳攪拌槳位置為鍍液下部。

    (4)陰極懸掛傾角對(duì)復(fù)合膜中金剛石顆粒含量影響很大，傾角為45°時(shí)金剛石顆粒含量最高而且分布均勻。陰極懸掛方位對(duì)沉積復(fù)合膜的厚度均勻性影響很大，電鍍過(guò)程中陰極沿其自身平面間歇旋轉(zhuǎn)90°后繼續(xù)電鍍，可以得到厚度均勻的復(fù)合膜。

    (5)在20～70℃溫度范圍內(nèi)，研究了溫度對(duì)復(fù)合膜中金剛石磨粒含量、鎳晶粒尺寸、顯微應(yīng)變、膜沉積速率、鎳晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)取向的影響。隨著溫度的升高，金剛石含量增加，50℃時(shí)達(dá)到最大，隨后，金剛石含量隨著溫度的升高開(kāi)始減小;隨著溫度的升高，顯微應(yīng)變減小，50℃時(shí)顯微應(yīng)變最小，隨后，隨著溫度的升高，顯微應(yīng)變升高;隨著溫度的升高，沉積速率表現(xiàn)為下降趨勢(shì);鎳晶粒尺寸也有下降趨勢(shì)。此外，沉積溫度明顯影響晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)，尤其是在較低的沉積溫度。所以，為了制備出高精度的金剛石-鎳超薄切割片，電鑄溫度應(yīng)該在40～50℃范圍內(nèi)。

    對(duì)以上正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析如下:

    (1)在復(fù)合電沉積過(guò)程中，金剛石顆粒被流動(dòng)的液體輸送到陰極表面，同時(shí)被電沉積的鎳覆蓋。當(dāng)沉積條件相同，尤其是攪拌速率相同時(shí)，在不同的陰極電流密度下，復(fù)合膜中金剛石含量出現(xiàn)峰值。其原因主要是隨著陰極電流密度的變化，鎳的沉積速率不同。在較小的陰極電流密度下，鎳的沉積速率太小，接觸陰極表面的部分金剛石顆粒還沒(méi)有被埋入，即被流動(dòng)的液體沖走，造成復(fù)合膜中金剛石含量較低;隨著陰極電流密度的增加，鎳的沉積速率增加，越來(lái)越多的金剛石顆粒被埋入陰極表面，從而使復(fù)合膜中金剛石含量增加。但是，如果陰極電流密度大于2．5A/dm2，金剛石含量反而下降，是由于在大的陰極電流密度下，陰極析氫加劇，陰極表面的氫氣泡削弱了金剛石顆粒在鎳沉積層表面的附著力，造成復(fù)合膜中金剛石顆粒含量下降。

    (2)隨著鍍液中金剛石濃度的增大，被傳輸并附著在陰極表面上的金剛石顆粒數(shù)量增加，金剛石顆粒被鎳離子電沉積時(shí)包裹的幾率增加;另一方面，隨著鍍液中固體微粒加入量的增加，陰極極化增加，導(dǎo)致復(fù)合電沉積速率迅速增加，使得復(fù)合膜中金剛石顆粒含量迅速增大。但是，由于金剛石-鎳復(fù)合膜的形成，是由金剛石顆粒首先附著于陰極表面，然后鎳離子在電沉積過(guò)程中將金剛石顆粒機(jī)械包鑲于基質(zhì)金屬鎳中而形成的，我們所用的金剛石微粉是用人造金剛石經(jīng)球磨破碎而成的，金剛石顆粒呈球形或多角形，當(dāng)鍍液中金剛石濃度增大到一定程度，陰極上附著的金剛石顆粒逐漸達(dá)到其堆積密度值，再增加鍍液中金剛石濃度，陰極上附著的金剛石顆粒密度不再增加，因此，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量有接近飽和的趨勢(shì)。

    (3)金剛石顆粒的懸浮是靠攪拌來(lái)完成的，攪拌過(guò)程中，金剛石顆粒跟隨流體運(yùn)動(dòng)并向下降落在陰極表面，被沉積的鎳離子覆蓋包裹，攪拌速度和攪拌槳位置必然對(duì)鍍液中金剛石顆粒的分布產(chǎn)生很大的影響。攪拌槳在鍍液下部且攪拌速度達(dá)到一定值才能夠使金剛石顆粒達(dá)到離底懸浮，但如果攪拌速度過(guò)大，大多金剛石顆粒將無(wú)法下落并停留在陰極表面。

    (4)當(dāng)陰極完全豎直懸掛時(shí)，金剛石顆粒無(wú)法沉落其表面，復(fù)合膜中無(wú)金剛石顆粒沉積。在陰極傾角較小時(shí)，沉落在其表面的金剛石顆粒較少，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量也相對(duì)較少。但在較大的傾角下，鍍液中的金剛石顆粒自由沉降后在陰極表面堆積，難以在陰極表面形成均勻的金剛石附著，當(dāng)然不可能形成均勻的電沉積復(fù)合膜。而且，由于鍍液中金剛石顆粒濃度、電場(chǎng)分布不均勻，在整個(gè)電鍍過(guò)程中，陰極母板間歇旋轉(zhuǎn)可以使各個(gè)部位在電鍍液中不同部位施鍍時(shí)間基本相同，使得復(fù)合膜厚度均勻。

    (5)溫度越高，鎳離子向陰極表面的移動(dòng)速度越快，會(huì)有越多的金剛石顆粒被鑲嵌于復(fù)合膜中，所以，復(fù)合沉積速度越大，50℃時(shí)達(dá)到最大。但是，隨著溫度的進(jìn)一步升高，電鍍液的粘度下降，金剛石顆粒在陰極表面的附著能力下降，此時(shí)鎳離子的移動(dòng)速度已經(jīng)不是金剛石顆粒被包裹于基質(zhì)金屬的決定因素，所以，總體來(lái)講，金剛石顆粒的含量下降。

    復(fù)合膜中的顯微應(yīng)變來(lái)自于鎳晶體的晶格缺陷，溫度高時(shí)，鎳離子有較多的能量，沉積時(shí)按晶格規(guī)則排列，缺陷少，所以顯微應(yīng)變小;但是當(dāng)溫度高于50℃以上，陰極析氫加劇，陰極表面過(guò)多的氫吸附使得鎳沉積時(shí)大量的氫禁錮于復(fù)合膜中，鎳晶格內(nèi)一旦吸收了氫，晶格就會(huì)發(fā)生畸變，晶格缺陷增多，結(jié)果造成顯微應(yīng)變?cè)黾印?/p>

    隨著溫度的升高，越來(lái)越多的氫附著在陰極表面，使得金剛石和鎳的復(fù)合沉積越來(lái)越困難，而且，隨著溫度的升高電鍍液的粘度下降，使得電鍍液中金剛石顆粒的懸浮量下降，金剛石顆粒的埋入率下降，從而導(dǎo)致復(fù)合膜的沉積速度的降低。

    隨著溫度的升高，鎳晶粒的生長(zhǎng)速度減小，從而引起鎳晶粒尺寸有下降趨勢(shì)。

    3．2 復(fù)合膜的后續(xù)加工

    經(jīng)電鑄脫膜后的金剛石-鎳復(fù)合膜，由于電鍍過(guò)程中的邊緣效應(yīng)，內(nèi)外圓邊緣處會(huì)出現(xiàn)毛邊和毛刺(如圖3所示)，這樣的復(fù)合膜如果直接用做切割片，在使用過(guò)程中勢(shì)必會(huì)造成被切工件切縫寬，有可能毀壞被切工件，甚至在極高的旋轉(zhuǎn)速度(30000r/min)下造成刀片和工件碎裂，產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，電鑄脫膜后，必須進(jìn)行后續(xù)加工，除去內(nèi)、外圓邊緣處的毛邊和毛刺，并把刀片加工到使用尺寸。為此，陰極型模電鍍沉積區(qū)域尺寸要略大于刀片使用尺寸，給后續(xù)加工留出余量。

 3．2．1 DEM加工方法(電火花加工)原理

    電火花加工技術(shù)是一種在絕緣介質(zhì)中，對(duì)金屬導(dǎo)體材料進(jìn)行連續(xù)的、周期性的電火化放電的電腐蝕加工，還可以進(jìn)行打孔、切割等加工。其加工系統(tǒng)工作示意圖如圖4所示，電火花加工表面局部放大示意圖如圖5所示:金剛石-鎳復(fù)合膜，屬于金屬基復(fù)合膜，導(dǎo)電性好，厚度為20～40μm，內(nèi)外圓加工屬于精密細(xì)微加工，由于切割片薄而脆，無(wú)法用傳統(tǒng)的切削加工，適宜用電火花加工。

    3．2．2 DEM加工結(jié)果

    用DEM加工方法對(duì)電鑄脫膜后的金剛石-鎳復(fù)合膜內(nèi)外圓加工后，毛邊和毛刺被除掉，而且把內(nèi)外圓尺寸加工到使用值40mm×51mm，加工后的外圓形貌如圖6所示。

    4·電鑄超薄金剛石刀具的應(yīng)用

    4．1 劃片實(shí)驗(yàn)

    用本實(shí)驗(yàn)室制作的超薄金剛石刀片和規(guī)格相同的進(jìn)口(DISCO公司)刀片，在同一機(jī)床上完全相同的條件下，先后切割同一片單晶硅集成電路板，實(shí)驗(yàn)條件為:機(jī)床參數(shù):機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速30000r/min，走刀速度5mm/s，切割深度0．35mm;切割器件:單晶硅集成電路板;刀片規(guī)格:51mm×0．025mm×40mm。

    然后對(duì)切割后的單晶硅集成電路板的切縫用金相顯微鏡進(jìn)行拍照分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)切割效率與DISCO刀片相當(dāng):在相同的走刀速度和切割深度條件下，均能滿足劃片工藝要求。切口崩口與DISCO刀片相當(dāng):崩口尺寸基本相同。使用壽命:與DISCO刀片相當(dāng)。切縫寬度:本論文切割片為0．048～0．053mm，DISCO刀片為0．045～0．050mm。

    4．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    4．2．1 切割效率和切口崩口情況

    切割片是由金剛石顆粒鑲嵌于基質(zhì)金屬鎳中構(gòu)成的，其中金剛石顆粒起切割作用，切割效率和切口崩口情況決定于切割片中金剛石顆粒的密度和鎳對(duì)金剛石顆粒的把持強(qiáng)度，而這些性能又由電鍍參數(shù)來(lái)控制。金剛石顆粒的密度高，切割效率高，但鎳對(duì)金剛石顆粒的把持減弱，壽命低;金剛石顆粒的密度低，鎳對(duì)金剛石顆粒的把持強(qiáng)，刀片自銳性差，切割效率低、切口崩口尺寸大。因此，控制復(fù)合膜中金剛石顆粒的含量在適當(dāng)?shù)姆秶?，是提高切割片切割效率和減小切口崩口尺寸的關(guān)鍵。切縫形貌如圖7所示。

    4．2．2 切縫寬度

    切割片的表面平整度和平行度是決定切縫寬度的主要因素，如果電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大，脫膜后復(fù)合膜變形大，表面不平整，切縫寬;如果復(fù)合電鍍時(shí)沉積膜厚度不均勻，刀片的平行度差，切縫寬。本文切割片切割單晶硅集成電路板，切縫寬度0．048～0．053mm，比相同規(guī)格的DISCO刀片切割縫寬0．003mm(DISCO刀片切縫寬度為0．045-0．050mm)，說(shuō)明本文切割片的表面平整度和平行度較差。因?yàn)榈镀浅１?，而且使用時(shí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高(30000r/min)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中離心力的作用，切割片的表面不平整造成的切縫變寬因素不再重要，而平行度是決定切縫寬度的主要因素，為此，本文切割片切縫寬的主要原因是復(fù)合膜的平行度較差。圖8為二者平行度對(duì)比情況。進(jìn)口刀片平均厚度0．025mm(0．02454mm)，絕對(duì)誤差0．000268mm，相對(duì)誤差1．09%;本文切割片平均厚度0．025mm(0．02619mm)，絕對(duì)誤差0．000547mm，相對(duì)誤差2．08%。

    5·結(jié)論與展望

    通過(guò)電鑄超薄金剛石刀具的研制及應(yīng)用研究，得到如下結(jié)論:

    (1)影響金剛石-鎳復(fù)合膜品質(zhì)的主要電鍍工藝參數(shù)包括:陰極電流密度、鍍液中金剛石含量、鍍液溫度、攪拌速度和位置、陰極懸掛傾角等。

    (2)復(fù)合膜中金剛石顆粒含量、厚度均勻性、平整度(變形情況)、刀口形貌是決定切割片的使用性能的主要因素。

    (3)采用電火花加工可以除去電鍍脫膜后的毛邊和毛刺，是一種行之有效的后續(xù)加工方法。為了制作高質(zhì)量的電鑄超薄金剛石刀具，首先要研究高質(zhì)量的電鑄金剛石-金屬?gòu)?fù)合膜。電鍍過(guò)程中由于邊緣效應(yīng)產(chǎn)生毛邊和毛刺，而切割片在使用時(shí)，這樣的毛邊和毛刺是不允許存在的，所以，電鑄脫膜后，復(fù)合膜的后續(xù)加工就顯得異常重要。本文采用的DEM加工方法雖然可以滿足加工要求，但是加工時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低，從批量生產(chǎn)的角度考慮，此方法不實(shí)用。探索有效的后續(xù)加工方法也是我們今后的重要研究?jī)?nèi)容?？傊?，電鑄超薄金剛石刀具是一種新型切割工具，具有巨大的應(yīng)用前景，但要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要我們從理論和應(yīng)用兩方面不斷探索，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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