精密切割加工是制備半導體和光電晶體基片的主要加工工藝之一，在微電子、光電子器件的制造過程中占有很高的地位。而隨著微電子和光電子技術(shù)飛速發(fā)展，對半導體和光電晶體的切割加工提出更高要求。高效率、低成本、高精度、窄切縫、小翹曲變形、低表面損傷、低碎片率、無環(huán)境污染等是目前半導體和光電晶體的切割加工的新趨勢。

　　現(xiàn)在，硬脆晶體材料切割方法有金剛石圓鋸切割、帶鋸切割、線鋸切割。金剛石圓鋸有分為金剛石外圓據(jù)和金剛石內(nèi)圓鋸兩種；帶鋸分為鋼帶據(jù)、金剛石帶鋸、鋼片鋸三種；線鋸分為鋼絲鋸、金剛石串珠鋸、金剛石絲鋸三種。

　　金剛石外圓鋸切割技術(shù)

      金剛石外圓鋸切割技術(shù)是應用較早的切割方法，外園周上電鍍金剛石的圓鋸片直徑在200mm左右，最大可達400mm。多用于寶石、石英、鐵氧體、陶瓷等材料的切斷、切槽等。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、刀片價格便宜；缺點是：刀片較厚、鋸口寬、材料損耗較大、切割面的平行度較差、只能切割小直徑或較薄工件。金剛石外圓鋸典型的應用就是在IC制造中將硅片切割成分離的芯片。

　　金剛石內(nèi)圓鋸（ID）切割技術(shù)

金剛石內(nèi)圓鋸（ID）切割技術(shù)示意圖

　　金剛石內(nèi)圓鋸切割技術(shù)的優(yōu)點是：1.剛性好，可做的很薄，達到0.1mm；2.切片精度高，直徑200mm晶片的厚度差僅為0.01mm；3.設備低廉，所用切割機價格僅為其它工具多使用切割機價格的1/3——14；4.每片都可以進行徑向調(diào)整和切片厚度的調(diào)整；5.小批量多規(guī)格加工時，具有靈活的可調(diào)性。缺點是：1.切片表面損傷層較大；2.刀口寬，材料損失大；3.生產(chǎn)率低，每次只切割一片；4.只能切割直線，無法切割曲面；5.只能切割直徑小于200mm的晶片。

　　帶鋸切割

　　金剛石帶鋸是以電鍍金剛石磨料或鑲焊金剛石燒結(jié)塊為主題的環(huán)形鋸條，帶鋸出現(xiàn)于20世紀50年代，我國八十年代才開始研制該類設備。優(yōu)點是：鋸切速度快，刀具材料消耗少，噪音小。缺點是：鋸口大，切割精度低，對荒料要求規(guī)整，不能進行多片切割。

　　線鋸

　　線鋸按照磨粒形式使用的不同分為四種：使用游離磨料的鋼絲鋸、使用固結(jié)金剛石磨料的鋼絲鋸、釬焊金剛石串珠的繩鋸、不使用磨料的電火花線鋸。

　　游離磨粒多線切割

游離磨粒多線切割示意圖

　　游離磨粒多線切割是利用一根鋼絲纏繞在一組鋸絲導輪上，形成一排按一定間隔排列的切割線，鋼絲按一定方向運動，將含有碳化硅等游離磨料的切割液帶向工件，在一定壓力下對工件產(chǎn)生切割作用，形成切縫。

　　meyar+burger公司目前為切割太陽能硅片而開發(fā)的DS262型線鋸，具有同時切割4根長520mm，界面為153×153mm硅棒的能力。DS262型線鋸一組切片數(shù)最高可達4400片，這相當于50臺切片機一天的工作量或一臺高質(zhì)量的切片機50天的工作量。

　　游離磨粒多線切割的特點優(yōu)點是：1.片厚一致性好，切片厚度由排線輪的精度所保證；2.節(jié)約原材料，切縫窄，線鋸直徑為0.08mm——0.18mm，而內(nèi)圓鋸片的刀口寬度為0.3mm——0.38mm；3.能切割大尺寸晶體；4.切片量大；5.切片薄，線鋸受力均勻，干擾因素少，切割過程穩(wěn)定；6.切片殘余應力和撓曲變形小，表面、亞表面損傷層少。缺點是：1.切片厚度調(diào)節(jié)困難；2.不適合小批量生產(chǎn)；3.使用成本高，鋼絲和排線輪同時磨損，壽命較短；4.維護困難。

　　固結(jié)金剛石磨粒線鋸

幾種固結(jié)金剛石磨粒線鋸

　　金剛石線鋸的形式

　　單線切割的金剛石線鋸分為往復式金剛石線鋸和環(huán)形回轉(zhuǎn)式金剛石線鋸；多線切割的金剛石線鋸分為往復式金剛石線鋸。

　　環(huán)形回轉(zhuǎn)式線鋸是被焊接為環(huán)形，可通過導輪實現(xiàn)循環(huán)切割。優(yōu)點：1.整個鋸絲長度均可參與切割；2.使用壽命長；3.切割速度高（高達10——20m/s）。缺點：在線鋸切割內(nèi)曲面時必須先切割一條引線槽。

　　單線往復式金剛石線鋸切割機的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，適應性好，可進行內(nèi)外表面的切割加工；可以自由改變切割方向及傾斜角度，進行精確的復雜輪廓切割。缺點是鋸絲的有效工作強度受限制，鋸絲利用率不高，切割速度較低（一般2—3m/s）。

　　多線往復式金剛石切割優(yōu)點是：1.能進行大尺寸工件切片；2.能多件多片同時切割，產(chǎn)量高；3.能切精密窄縫，適合切割貴重材料，切割直徑只比鋸絲直徑大0.01——0.015mm；4.切割脆軟材料，保證邊緣不破損；5.切割時溫度低，切片加工變質(zhì)層淺，可用來切割易炸裂材料；線鋸使用壽命長；6.環(huán)境污染小。

　　游離磨料與固結(jié)磨料線鋸切割的材料去除機理。

　　游離磨料線鋸切割機理：三體摩擦磨損，游離磨料的滾動嵌入作用，類似于研磨加工。

　　固結(jié)磨料線鋸切割機理：兩體摩擦磨損，磨粒的耕犁作用，類似于微細砂輪磨削。在單顆磨粒切削深度足夠小的情況下，可實現(xiàn)塑形域切削。

游離磨料與固結(jié)磨料線鋸切割的材料去除機理示意圖

　　金剛石線鋸的制備技術(shù)

　　金剛石線鋸中金剛石磨料的固結(jié)方式有滾壓嵌入式、擠壓或沖壓方式、金屬結(jié)合劑固結(jié)（釬焊）、金屬結(jié)合劑固結(jié)（電鍍）、樹脂結(jié)合劑固結(jié)。

　　滾壓嵌入方法

　　這種方法是直接將超硬磨料通過機械作用滾壓嵌入到鋼絲集體中，美國專利4485757曾提出一種用滾壓嵌入方式制備連續(xù)金剛石線鋸的工藝，此種工藝制備的金剛石線鋸的金剛石涂層直徑均勻而厚度及線徑不均勻，很難生產(chǎn)出大于120米長的金剛石線。并且，通過機械作用將超硬磨料滾壓嵌入到鋼絲基體中，還大大降低了鋼絲的強度。

　　擠壓或沖壓方法

　　這種方法是通過兩維以上的沖擠壓頭模，將金剛石顆粒擠壓、沖壓進鋼絲線的表面以下，然后在沖擠壓形成的金剛石線的表面，涂敷一層1—10μm的金屬、非金屬材料。這種方法的優(yōu)點是可以形成自動化生產(chǎn)線，可以制備長度60公里以上、直徑均勻，抗磨性好的連續(xù)金剛石線，生產(chǎn)成本低。

　　這種方法的缺點給滾壓方式一樣，由于金剛石顆粒直接沖壓進鋼絲表面會大大降低鋼絲的強度。

擠壓或沖壓方法示意圖

　　樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸

　　目前，樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸的線徑已經(jīng)小于0.2mm，由于制程溫度遠低于硬焊，線材不會因為高溫而產(chǎn)生變形造成抗拉強度的衰減，對于縮小線徑有很大幫助。雖然樹脂的對金剛石磨料的把持力不如硬焊好，但有制程成本低、線徑小、耗材率低等優(yōu)勢。

　　樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸的制造工藝——熱固性樹脂固結(jié)方法

　　對于樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸的制造工藝——熱固性樹脂固結(jié)方法，日本大阪府的住友電氣工業(yè)株式會社和大阪金剛石工業(yè)株式會社的上崗勇夫等人共同申請的一項專利，該線鋸的特征是在高強度芯線上有粘結(jié)劑固定磨料磨粒和填料，磨料尺寸不小于樹脂粘結(jié)層厚的三分之二，填料尺寸小雨粘結(jié)劑厚度的三分之二。線鋸制作中的樹脂固化需要加熱和燒結(jié)工序，因此，線鋸制造速度只能提高到每分鐘十米左右。

　　樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸的制造工藝——光固化樹脂固結(jié)方法

　　為降低樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸的制造成本，即提高生產(chǎn)速度，日本的本俊之等人研究開發(fā)出采用快速固化的紫外線固化樹脂的方法。結(jié)合劑采用紫外線固化樹脂時，磨粒層與芯線的附著強度低，線鋸耐磨性顯著下降，但在采用芯線和磨粒層之間設有紫外線固化粘結(jié)劑層的雙層磨粒層結(jié)構(gòu)后，線鋸的耐磨性得到一定改善。

　　為了進一步提高線鋸的抗耐磨性和抗扭曲強度，在結(jié)合劑中添加氧化鋁粉末，得到的線鋸與傳統(tǒng)熱固性線鋸相比，線鋸自造速度可提高10倍以上。

　　研究表明，樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸磨粒尺寸越大，切割速度快，但切割速度隨時間變化較大。但同時所有的樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸都存在磨粒把持強度不高，耐熱性差，耐磨性低，加工時線鋸磨損嚴重等特點。

　　電鍍金剛石線鋸

　　復合電鍍技術(shù)

　　復合電鍍技術(shù)是通過金屬電化學方法，將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒，均勻地夾雜到金屬鍍層中所形成的特殊鍍層就是復合鍍層。這種制備復合鍍層的方法稱為復合電鍍。這種技術(shù)在國外也還有一些其他名稱。例如彌散電鍍、鑲嵌電鍍、分散電鍍和組合電鍍等等。

　　超硬材料復合電鍍工藝

　　以超硬材料作為分散微粒，與金屬形成的金屬鍍層，稱為超硬材料復合鍍層。超硬材料的復合電鍍不是一步完成的，對于大多數(shù)超硬材料電鍍制品來說，一般包括預鍍，上砂鍍，加厚度和光亮鍍等幾個步驟。

　　超硬材料復合鍍層結(jié)構(gòu)比一般復合鍍層更復雜一些，包括底鍍層、上砂鍍層、加厚鍍層和光亮鍍層四個部分

電鍍鍍層結(jié)構(gòu)圖

　　電鍍金剛石線鋸基體材料的選擇和鍍錢處理工藝

　　鋼基體鍍鎳或鎳鈷合金的鍍錢處理常用工藝流程如下圖：

　　電鍍液的選擇

　　鍍鎳溶液可分為：氧化氨型、瓦特型、氨磺酸型和氯化物型。

　　瓦特型鍍液由于組成簡單、鍍液穩(wěn)定、易于操作和維護、耐侵蝕性好等優(yōu)點。在此溶液的基礎(chǔ)上加入一些添加劑可以可到光亮或半光亮的鍍層。是目前應用最為廣泛的一種鍍鎳液。

　　氨磺酸型可采用很高的電流密度，具有較高的鍍速，沉積速度快，鍍層內(nèi)應力低，鍍液的分散能力好且鍍液成分簡單、穩(wěn)定易于管理。

　　電鍍金剛石線鋸的上砂方法

　　上砂是指預鍍步驟之后的一個電鍍工序，其目的是通過金屬的電沉積，將緊靠基體表面的一層磨料顆粒初步固結(jié)在低鍍層上。上砂的方法有懸浮法、埋砂法和鑲嵌法。

　　懸浮法微粉復合電沉積

　　懸浮法是將一定量的微粉磨粒投入到鍍液中，利用攪拌、搖動或渡槽傳動等手段，使磨粒成分散狀態(tài)懸浮在鍍液中，在電鍍的同時，微粉磨粒隨著金屬離子的還原而同時沉積出來，從而形成復合鍍層。

　　微粒與金屬共沉積的過程一般分為以下三個階段：

　　1.鍍液中的懸浮微粒向陰極表面附近移動；2.微粒依靠與電極間的作用力粘附于陰極表面并停留一段時間，保證微粒的一部分被埋入鍍層；3.微粒被陰極上沉積的金屬埋入鍍層。

　　埋砂法復合電沉積

　　埋砂法獲得的復合鍍層在鋸絲圓周的各個表面上都有金剛石微粒沉積，表面積百分數(shù)達約40—50%，金剛石微粒在鋸絲表面的綜合分布狀況明顯優(yōu)于懸浮法得到的復合鍍層。

　　電鍍金剛石鋸絲表面磨粒裸露高度

　　電鍍金剛石鋸絲表面磨粒裸露高度也成為金剛石磨粒埋入率，及金剛石顆粒埋入鍍層的深度與其直徑之比，它是電鍍金剛石線鋸的一個重要控制目標。它對電鍍金剛石線鋸的切削力、切削速率、線鋸壽命等具有較大印象。

　　電鍍金剛石鋸絲表面磨粒裸露高度通常控制在70%到90%，金剛石顆粒直徑達，取上限，直徑較小，宜取下限。金剛石磨粒裸露高度主要取決于磨粒的粒徑、電鍍時間和電流效率等因素，此外金剛石磨粒在鍍層中的固結(jié)位置和方向也有影響。

表2 上砂時間、加厚時間與金剛石粒度的關(guān)系

金剛石鋸絲的連續(xù)電鍍裝置

　　連續(xù)金剛石鋸絲試驗結(jié)果

　　復合鍍層中的金剛石磨粒含量達到了50%左右，磨粒覆蓋率基本上都達到了磨粒粒徑的60%以上。

　　電鍍金剛石線鋸性能評價

　　對金剛石線鋸的性能檢查要考慮以下兩個方面：一是對電鍍金剛石線鋸表面鍍層的檢查，包括鍍層外觀質(zhì)量檢查、線鋸幾何尺寸檢查、金剛石磨粒的固結(jié)強度檢查。二是對電鍍金剛石線鋸的機械力學綜合性能的檢測，包括抗拉強度特性和延伸率、斷裂扭曲特性、彎曲性能等。

　　金剛石線鋸的高速電鍍工藝

　　日本的千葉康雅等人研制出采用氈刷的超高速電鍍工藝，開發(fā)出金剛石線切工具高速電鍍生產(chǎn)法。這種方法采用使用氨基磺鎳鍍液，邊讓氈刷旋轉(zhuǎn)邊對芯線施鍍，可得到附著性優(yōu)異的鍍層，其生產(chǎn)速度可達到33μm/min，比普通電鍍法快30倍，大大降低了生產(chǎn)成本，既提高了線鋸的生產(chǎn)速度，又提高了線鋸的加工效率和使用壽命。

　　絞合金剛石線鋸

　　日本人石川憲一等人研究開發(fā)出芯線為絞合的新型金剛石線鋸，如下圖

　　金剛石線鋸的復合電噴鍍法

　　沈陽晶通金剛石復合材料有限公司江小平等人申請的一項復合電噴鍍法制備金剛石線鋸的專利，對直徑在0.1—1mm之間的不銹鋼線進行金剛石顆粒的電噴鍍，制作速度有多提高。這種方法的缺點是電鍍工序中工具生產(chǎn)時間太長，工具制作成本也較高。

　　金剛石線鋸的研究進展

　　進入20實際90年代，尤其是近幾年，固結(jié)金剛石線鋸的需求劇增，金剛石線鋸切割技術(shù)也得到了快速發(fā)展，對其制備和應用的研究也逐漸深入，主要集中在以下幾個方面：1.金剛石線鋸切割機理；2.金剛石線鋸的性能和時效機理；3.線鋸高速切割技術(shù)；4.超聲波振動輔助金剛石線鋸切割；5.切割力測量和恒力測試。新趨勢是對新結(jié)構(gòu)金剛石線鋸和金剛石磨粒固結(jié)技術(shù)的研究。

　　電鍍金剛石線鋸市場態(tài)勢

1. 電鍍金剛石線鋸由于投入少，產(chǎn)出快，風險低，比較適合資金緊張的中小企業(yè)和個體廠商開發(fā)，而且電化學設備還可以一機多用兼而生產(chǎn)其他產(chǎn)品。
2. 近期興起的釬焊法生產(chǎn)金剛石線鋸，由于壽命長，效率高，也頗具前途。但投入要比電化學法要大，技術(shù)門檻要求高一點。技術(shù)力量薄弱或資金匱乏的公司應慎重考慮。
3. 此外，等離子噴涂法、CVD氣相沉積法、激光涂覆法、微波法等等，都可以提供品質(zhì)更高的人造金剛石線鋸制品。但其投入需求和技術(shù)難度也較大。現(xiàn)在只有少數(shù)科研院校有所涉獵，工業(yè)化生產(chǎn)恐還要假以時日。

　　電鍍金剛石線鋸技術(shù)現(xiàn)狀和研究方向

　　電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)技術(shù)在國外已經(jīng)非常成熟，并且申請了多項生產(chǎn)專利。國內(nèi)對電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)技術(shù)的研究還處于起步階段，使用的電鍍金剛石線鋸主要依賴進口。

　　電鍍金剛石線鋸受到極大關(guān)注，目前研究方向：

　　1.研究電鍍金剛石線鋸用的基體，主要是鋼絲基體，對其他基體的研究比較少，基體材料比較單一，因此進一步拓展電鍍金剛石線鋸用的基體成為研究方向之一。

　　2.由于目前常用的電鋸金剛石線鋸的使用壽命不盡如人意，進一步增強結(jié)合劑對金剛石的把持力，開發(fā)更加持久、耐用的金剛石線鋸成為研究方向之一。

　?。?目前常用的制備電鍍金剛石線鋸的電鍍技術(shù)需要時間較長，進一步加強電鍍技術(shù)的研究，縮短制備周期和降低制造成本也成為研究方向之一。