方莉俐，張洋，劉士國

    (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，并對其切割性能進行了初步試用研究。

    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:TQ164 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號: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);強度高;剛性好;內(nèi)應(yīng)力小(工作線速度可達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，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)備簡單、研制的刀具更薄，因此具有更多的優(yōu)勢。目前，用電鑄法研制超薄金剛石刀具，國外達到實際應(yīng)用的僅有日本DISCO公司、三菱公司，韓國的新韓公司等少數(shù)幾家，國內(nèi)僅有少數(shù)研究單位正在進行研究開發(fā)此項工作，目前還處于起步階段。電鑄法超薄金剛石刀具的研制，可以提高我國工具行業(yè)的制造水平，替代進口，并對我國電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的推動作用。

    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-金屬復(fù)合材料、樹脂-陶瓷復(fù)合材料、樹脂-陶瓷-金屬復(fù)合材料及金屬化合物等的切斷和開槽。

　　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:精度更高、強度更高、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槽，可加工的材料范圍相對較窄，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)品可以替代進口。而電鑄法生產(chǎn)的超薄金剛石刀具，國內(nèi)應(yīng)用還主要依賴進口，國內(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)合電鍍設(shè)備

　　圖1是我們自行設(shè)計的復(fù)合電鍍設(shè)備簡圖，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濕;

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

    第四步:將處理好的陰極型模通電置入鍍槽，進行電鍍;

    第五步:施鍍一定時間后，將陰極型模取出，用清水沖洗干凈，晾干;

    第六步:脫膜，進行性能檢測。

    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)對復(fù)合電鍍層的質(zhì)量都會產(chǎn)生一定的影響。采用正交實驗方法，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行實驗。

    3．1．3 影響復(fù)合膜品質(zhì)的因素分析

    用數(shù)顯電子測微儀、SEM(掃描電子顯微鏡)、XRD(X射線衍射)對復(fù)合膜樣品測試，結(jié)果顯示:

    (1)陰極電流密度對復(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，在我們的實驗條件下，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，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。

    (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)陰極懸掛傾角對復(fù)合膜中金剛石顆粒含量影響很大，傾角為45°時金剛石顆粒含量最高而且分布均勻。陰極懸掛方位對沉積復(fù)合膜的厚度均勻性影響很大，電鍍過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)生長取向的影響。隨著溫度的升高，金剛石含量增加，50℃時達到最大，隨后，金剛石含量隨著溫度的升高開始減小;隨著溫度的升高，顯微應(yīng)變減小，50℃時顯微應(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;鎳晶粒尺寸也有下降趨勢。此外，沉積溫度明顯影響晶面擇優(yōu)生長，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)。

    對以上正交實驗結(jié)果，分析如下:

    (1)在復(fù)合電沉積過程中，金剛石顆粒被流動的液體輸送到陰極表面，同時被電沉積的鎳覆蓋。當(dāng)沉積條件相同，尤其是攪拌速率相同時，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有被埋入，即被流動的液體沖走，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程中將金剛石顆粒機械包鑲于基質(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。

    (3)金剛石顆粒的懸浮是靠攪拌來完成的，攪拌過程中，金剛石顆粒跟隨流體運動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到一定值才能夠使金剛石顆粒達到離底懸浮，但如果攪拌速度過大，大多金剛石顆粒將無法下落并停留在陰極表面。

    (4)當(dāng)陰極完全豎直懸掛時，金剛石顆粒無法沉落其表面，復(fù)合膜中無金剛石顆粒沉積。在陰極傾角較小時，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、電場分布不均勻，在整個電鍍過程中，陰極母板間歇旋轉(zhuǎn)可以使各個部位在電鍍液中不同部位施鍍時間基本相同，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速度越快，會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℃時達到最大。但是，隨著溫度的進一步升高，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，此時鎳離子的移動速度已經(jīng)不是金剛石顆粒被包裹于基質(zhì)金屬的決定因素，所以，總體來講，金剛石顆粒的含量下降。

    復(fù)合膜中的顯微應(yīng)變來自于鎳晶體的晶格缺陷，溫度高時，鎳離子有較多的能量，沉積時按晶格規(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，陰極表面過多的氫吸附使得鎳沉積時大量的氫禁錮于復(fù)合膜中，鎳晶格內(nèi)一旦吸收了氫，晶格就會發(fā)生畸變，晶格缺陷增多，結(jié)果造成顯微應(yīng)變增加。

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

    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，由于電鍍過程中的邊緣效應(yīng)，內(nèi)外圓邊緣處會出現(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，在使用過程中勢必會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。因此，電鑄脫膜后，必須進行后續(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，對金屬導(dǎo)體材料進行連續(xù)的、周期性的電火化放電的電腐蝕加工，還可以進行打孔、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微加工，由于切割片薄而脆，無法用傳統(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 劃片實驗

    用本實驗室制作的超薄金剛石刀片和規(guī)格相同的進口(DISCO公司)刀片，在同一機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，實驗條件為:機床參數(shù):機床主軸轉(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。

    然后對切割后的單晶硅集成電路板的切縫用金相顯微鏡進行拍照分析對比，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 實驗結(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金剛石顆粒的把持強度，而這些性能又由電鍍參數(shù)來控制。金剛石顆粒的密度高，切割效率高，但鎳對金剛石顆粒的把持減弱，壽命低;金剛石顆粒的密度低，鎳對金剛石顆粒的把持強，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)，說明本文切割片的表面平整度和平行度較差。因為刀片非常薄，而且使用時機床主軸轉(zhuǎn)速很高(30000r/min)，由于轉(zhuǎn)動過程中離心力的作用，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為二者平行度對比情況。進口刀片平均厚度0．025mm(0．02454mm)，絕對誤差0．000268mm，相對誤差1．09%;本文切割片平均厚度0．025mm(0．02619mm)，絕對誤差0．000547mm，相對誤差2．08%。

    5·結(jié)論與展望

    通過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-金屬復(fù)合膜。電鍍過程中由于邊緣效應(yīng)產(chǎn)生毛邊和毛刺，而切割片在使用時，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，但是加工時間長，加工效率低，從批量生產(chǎn)的角度考慮，此方法不實用。探索有效的后續(xù)加工方法也是我們今后的重要研究內(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。

    參考文獻

    ［1］崔強，許小村，李寶深．Ni-B4C復(fù)合電鍍工藝參數(shù)對鍍層中B4C含量的影響［J］．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報．1997，2(2):35-43．

    ［2］方莉俐，張兵臨，姚寧．金剛石-金屬復(fù)合薄膜的電沉積規(guī)律［J］．金剛石與磨料磨具工程，2005，145(1):36-41．

    ［3］方莉俐，張兵臨，姚寧．?dāng)嚢鑼饎偸?金屬復(fù)合薄膜電沉積結(jié)果的影響及流體力學(xué)分析［J］．金剛石與磨料磨具工程，2005，146(2):18-20．

    ［4］方莉俐，張兵臨，禹建麗，等．用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測電鑄自支撐金剛石-鎳復(fù)合膜沉積結(jié)果［J］．稀有金屬材料與工程．2006，35(4):638-641．

    ［5］Fang L L，Zhang B L，Yao N．Fabrication of Accurate

    Diamond-metal Composite Cutting Blade by Electrotyping Method［J］．

    Key Engineering Materials，2006，304-305:57-61．

    ［6］李強，朱燕娟，張仲舉，等．溫度及攪拌速度對納米氫氧化鎳性能的影響［J］．人工晶體學(xué)報．2010，39(3):751-756．

    ［7］趙萬生．電火花加工技術(shù)［M］．哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000．

    ［8］李忠文．電火花機和線切割機編程與機電控制［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．