關鍵詞：超薄，金剛石切割片，電鍍，固化樹脂 作者：唐營，何偉春 (河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州450007) 摘要:超薄金剛石切割片,由于具有超薄切割槽寬,切割斷口平滑,廢品率低,切割效率高等優點,已逐步得到人們的重視。文章綜述了近10年來超薄金剛石切割片的主要制作方法的研究進展及應用現狀,介紹了超薄金剛石切割片的制備方法,包括電鍍法和固化樹脂法,其中電鍍法以其設備簡單、綠色環保、可循環生產等優點成為最有可能大規模工業應用的制備方法,文章最后指出了其發展方向。 關鍵詞:超薄;金剛石切割片;電鍍;固化樹脂 中圖分類號:TQ164文獻標識碼:A文章編號:1673-1433(2010)06-0034-04 1前言 太陽能作為一種取之不盡的清潔能源,它的開發利用正引起人類的極大關注,商業化利用太陽能已成為世界趨勢。太陽能電池就是由此而誕生的太陽能利用工具。硅系的太陽能電池包括:單晶硅電池、多晶硅薄膜電池等,其中單晶硅大陽能電池轉換效率最高,光電轉換率可以達到23%,在現階段的大規模應用和工業生產中占據主導地位。近年來,隨著半導體制造技術的不斷成熟完善,硅片制造成本不斷降低,但是太陽能電池所用硅片的切割成本卻一直居高不下,要占太陽能電池總制造成本的30%以上。為了降低硅片加工期間發生崩邊的可能性,提高材料利用率,硅片的切割傾向于使用薄刀片。目前使用的普通刀片可大致分為厚度15~100μm的電鍍刀片和100~500μm的樹脂刀片兩種。在我國,目前生產電鍍金剛石超薄切割片技術還不成熟,主要還處于試驗研究階段，生產所需的超薄切割片主要依賴從美國、德國和日本進口,因此,高精度金鋼石切割工具的研制技術是我國工具及微電子行業迫切需要解決的問題。 2金剛石超薄切割片研究現狀 2.1固化樹脂法 樹脂法制造金剛石超薄切割片是一種可以得到很好保型性的方法,一般采用熱固性酚醛樹脂作為結合劑,它的做法是將金剛石磨粒與樹脂混合,然后用熱壓法燒結和熱固化后進行研磨加工,這種工序需要數小時,因此生產成本較高。隨著技術的進步,熱固化樹脂逐漸被光固化樹脂所替代,光固化樹脂主要由基礎聚合物(光交聯性聚合物)、活性稀釋劑(光聚合性單體)、光引發劑以及添加劑組成。它和熱固化樹脂最本質的區別在于其固化過程是吸收適當波長的光而引起的化學反應過程,它從液體轉變為固體是分子量增加的結果,而不是溶劑揮發所造成的,故具有快速固化、無污染、節省能源的優點,但制約因素是其原材料價格較高。 運用光固化樹脂法制造超薄金剛石切割片方面,彭偉,谷泰弘等利用光固化樹脂作為結合劑研制成功厚度為0.15mm的超薄型金剛石切割砂輪,并完成了對單晶硅片的切割試驗。切割使用后的砂輪形態為:53mm×40mm×0.15mm。對于實驗制得的試樣進行了切割試驗。通過實驗數據分析,最終結果顯示,添加適量的SiO2能夠提高切割片的綜合性能,且當所添加的微粒含量為48%時,切割片的切割效果最好,切割斷口較光滑。 經分析得出,出現這種現象的主要原因與砂輪表面高密度分布的SiO2粒子對溝槽表面的研磨作用。 2004年,姚春燕,彭偉等以快速原型制造技術為基礎,研究以光敏樹脂作為結合劑的超薄金剛石切割砂輪片的快速制造技術,并通過添加日本REV晶須(13μm×70μm)的方法,來提高金剛石切割片結合劑的機械性能。單晶硅片的努普硬度約為K1000,而金剛石的努普硬度高達K7000。將金剛石微粉和晶須定量混入配制的光敏樹脂中,攪拌均勻,并抽真空脫泡,于室溫下注入薄片切割砂輪模具,經紫外線照射固化成型,成型后的超薄金剛石切割砂輪片尺寸為:52mm×40mm×0.15mm。經過不同配方的切割片切割試驗證明:在光敏樹脂切割片中添加REV晶須可以增強切割片的磨削性能,提高被切割材料切割后的質量。 在切割片中單獨添加SiO2或晶須,對于切割片性能的提高是有限的,且不能滿足實際的需要,2004年,李承福等采用昭和高分子公司生產的環氧樹脂LC-2800作為結合劑,通過紫外光的照射來固化樹脂,從而制造出超薄切割片,并通過添加SiO2顆粒和纖維作為填充劑來改善其硬度、強度和耐磨性。切割片的制造方法為高速旋涂法,即首先將液態樹脂滴在襯底中央,然后讓襯底高速旋轉,使液態樹脂在襯底上擴散形成薄膜,并在上方10mm處用紫外光進行照射來使固化樹脂固化,從而制造出超薄切割片,試制刀片的尺寸為54mm×40mm×0.05mm。通過不同試樣的切割對比實驗證明,旋涂法可以用來制造超薄金剛石切割片,而且添加粒狀填充劑具有提高硬度的效果,纖維狀填充劑則有提高強度的強化效果,且纖維中以碳纖維的性能較為優異。 2.2電鍍法 電鍍法,就是利用電解的原理,在金屬基體上沉積一薄層其它金屬或合金的過程,是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝。而微粒要通過電解過程進入復合鍍層,Guglielmi認為微粒進入復合鍍層主要是依靠兩步吸附機理:第一步是攜帶著離子與溶劑分子膜的微粒吸附在電極表面上,稱之為弱吸附,它與懸浮在鍍液中的微粒處于平衡。處于弱吸附狀態的微粒,脫去它所吸附的離子和溶劑化膜,與陰極表面直接接觸形成不可逆的電化學吸附,成為強吸附步驟。隨后則是在金屬電沉積過程中將強吸附的微粒嵌入鍍層。 2000年華南理工大學的劉定福介紹了一種利用復合鍍的方法,這是一種以鎳鈷合金鍍層作為粘接劑制造金剛石圓鋸片的工藝,工藝特點是在在鋸片毛坯的周邊(切割刃部)每隔6~7mm用薄鋸片沿直徑方向鋸出9mm長的縫隙,使以后的金剛石顆粒和作為結合劑的鍍層具有類似機械鑲嵌的作用,以進一步加強復合鍍層與基體的結臺力,延長鋸片的使用壽命。布砂方式采用撒砂法,即用滴管吸取已經過親水化處理的金剛石微粒均勻地散布在朝上的那個沉積面上,然后輕微振動鋸片,使金剛石顆粒能穩定地與基體接觸。經過預鍍、上砂、加厚鍍、光亮鍍,最終得到良好的鍍層。最終證明在制造金剛石工具時,鎳鈷合金是可以作為結合劑來得到良好鍍層的。2002年,郭鐵峰,楊燕軍曾提出,首先利用磷酸鹽來制備化學轉化膜,其配方為(g/L):草酸5,磷酸15,草酸鈉4,磷酸二鈉10,氯酸鈉5;操作條件為:溫度20℃,時間5min。制備出來的化學轉化膜以奧氏體不銹鋼的效果最佳,它具有較好的導電性,能使電沉積過程順利進行,且防止電沉積材料與基片強力結合,以便于鍍層的剝離。 對于電化學沉積階段,采用Ni-Co電鍍液,鍍液配方為(g/L):硫酸鎳220~240,硫酸鈷15~30,硼酸25~35,氯化鈉10~20,專利添加劑適量,金剛石微粉5~10。實驗的操作條件為:電鍍溫度45℃~50℃,pH值4.1~4.5,Dk=2A/dm2,氣泵攪拌,間歇時間10min。復合鍍層采用加熱方式從基體上剝離,并在冷沖成型機上沖壓成型。對于實驗制成的成品,經過切割單晶硅對比實驗表明,產品可以滿足切割要求,且成本下降1/3。 上海核工業第八研究所的周麟華、徐建紅等在2003年申請的專利中,詳細敘述了制造超薄金剛石切割片的制造方法。采用鎳板作為陽極,不銹鋼作為陰極,電鍍液是水合鎳金屬鹽或水合鎳金屬鹽與其它水合金屬鹽的混合溶液中加入金剛石磨料、硼酸及添加劑而得到,配方為(g/L):硫酸鎳150~300,硫酸鈷3~20,硼酸25~40,氯化鎳30~60,初級光亮劑0.2~2,次級光亮劑0.2~2,潤滑劑0.05~1。電鍍工藝參數為:Dk=2A/dm2,pH值4.1~4.5,溫度45℃~50℃,金剛石密度為5~20g/l,時間可以控制復合電鍍層的厚度。將陰極和陽極放入電鍍溶液中,接通電源后,在電子的作用下,金剛石磨料與金屬離子在陰極基板上均勻共析,得到復合電鍍層。將電鍍有復合層的陰極基板輕輕彎成弧形,復合電鍍層就很容易與陰極基板分離,最終得到分離后的金剛石與鎳鈷復合鍍層。經過三個小時的電鍍,可以得到20μm的復合鍍層。 基于不同的基體及復合鍍層的剝離方法不同,2009年,大連理工大學的劉金龍在提高復合電沉積金剛石切割片性能的試驗研究一文中,詳細介紹了以鋁合金為基體進行金剛石-鎳復合鍍層的制備,鋁合金基體在經過鍍前處理后作為陰極放入鍍槽內進行金剛石金屬共沉積,在得到需要厚度的鍍層后取出,在自制的電解槽內進行電解,用合適的電解液把基體腐蝕掉來得到金剛石復合鍍層。把得到的復合鍍層在硅片和玻璃上進行劃痕與刀片磨損研究,切割后刀片保持鋒利,無翹曲等變形,性能達到要求。 何昌耀在2009年申請的專利中介紹了一種以鍍膜塑料為基體來制作超薄金剛石切割片的方法。他是選用鍍膜塑料做陰極基板,表面用沉淀法預置一層金剛石,放入用18%~25%鎳鹽、1%~2%鈉鹽、1%~3%鈷以及2%~4%酸溶液混合制成的電解液中,以高純鎳板做陽極基板,溫度為30℃~40℃,PH值為4.2-4.6,通過電沉積在陰極基板的金剛石表面沉積鎳來固結金剛石,從而得到厚度為0.02~1mm的電鍍層。接著將附有電鍍層的陰極基板放入配置好的添加了2%乙醇的三氯甲烷溶解液中,將鍍膜塑料溶解掉,得到金剛石-鎳復合鍍層,通過后加工制成所需規格尺寸的切割片。 3展望 隨著科技的發展和人民生活水平的提高,晶硅片的需求量與日俱增,晶硅片質量的提升對超薄切割片的意義越來越大,但國內尚未有一種成熟的工業制造方法,大量依賴進口產品,價格較高,因而其應用得到了明顯的制約。在多種制造方法中,電鍍法以其設備簡單、綠色環保、可循環生產等優點成為最有可能大規模工業應用的制備方法。如果能夠采取一定的措施,進一步縮短制造過程所用的時間和改善鍍液的性能,那么超薄切割片的制備及應用將會有一個顯著的發展和一個質的飛躍。 參考文獻: [1]http:www.materials.net.cn/Html/xxnews/20076/20076613565233511.html. 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