电镀金刚石线锯的研究现状与发展

刘永奇

(郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001)

电镀金刚石线锯的研究现状与发展

刘永奇

(郑州华晶金刚石股份有限公司,郑州 450001)

文章综述了电镀金刚石线锯的构造和特点以及制备工艺过程,并对其应用情况进行了简要介绍,对目前存在的问题进行了初步的探讨,并就未来的发展趋势进行了展望。

电镀金刚石线锯;制备工艺;综述

1 概述

本文对电镀金刚石线锯的构造、特点及其制备工艺进行综述,旨在为开展金刚石线锯的研究和生产提供一定的参考。

2 电镀金刚石线锯的构造和特点

电镀金刚石线锯由钢丝母线、镀层金属(一般为镍)和金刚石构成,其结构如图1所示。钢丝母线为承载母线,金属镀层为结合剂,将金刚石固定在钢丝母线上用来进行切割[3]。电镀金刚石线锯根据切割要求可以制成不同直径和长度,从而可以对硅棒、蓝宝石等进行截断、开方、切片等切割加工。

图1 电镀金刚石线锯示意图Fig.1 diagram of electroplated diamond wire saw

与砂浆切割相比,电镀金刚石线锯切割具有独特的优点:(1)高生产效率:使用传统砂浆切割技术,切割6.5寸硅棒约需6～7小时;而金刚石线切割只需2～3小时,生产效率提升了2～3倍。(2)高产品质量:(a)转化效率高:金刚石线切割控制精度高,硅片表面损伤层小(10μm以下),硅片表面为规律的线痕(金刚石线切割硅片特性),从而增加了硅片表面的吸光面积、降低了反射率,从而使得硅片光电转化效率提升0.2%～0.4%。(b)控制精度高:金刚石线切割硅片的TV、TTV、线痕大小情况等性能上均优于传统硅片。(c)绿色环保:金刚石线切割因采用固结金刚石线作为磨料,不需使用碳化硅,切割液采用水溶性的环保切割液,大大减少了环境污染的发生,基本实现了绿色生产。(d)废物可利用:在切割过程中会产生40%左右的硅粉,传统的砂浆切割因杂质含量多,物化特性相似难以回收,而金刚石线切割产生的硅粉,理论计算纯度即达到99%以上,经提纯后将可达到99.9999%的标准,可重新用于晶体的生长。(e)电镀金刚石线锯由于线径小,切割时切口损失少,可以节省硅、蓝宝石等贵重原材料,减少了生产成本。

3 电镀金刚石线锯的制备工艺

3.1 制备电镀金刚石线锯的基本材料

(1)母线材料

为了满足切割要求,电镀金刚石线锯的母线材料必须具有抗拉强度高且韧性好的性能,同时为便于电镀,母线表面电极电位应低于沉积金属的电位,一般选择表面镀黄铜的钢丝线作为母线,母线的直径和长度应根据被切割加工材料、切割方式、切割设备等来确定。目前,用于切割加工的电镀金刚石线锯的母线直径一般都在0.1～0.4 mm之间。

学生带着问题看完之后，有一两分钟的时间进行同桌之间和前后桌之间进行讨论，之后教师随机选择学生对问题进行回答。学生对于第一个的回答中基本上都提到他们了解到一些印度的文化，比如吃饭用右手，左手被认为不洁净，印度人也爱问一些在西方人眼中涉及隐私的问题等。对于第二个问题的回答多数说“有意思”、“有趣”，尤其是对于左手被认为不洁净这个现象感觉“奇怪”“不可思议”。通过这两个问题的引导以及视频的观看，学生的兴趣和讨论的热情被激发出来了。笔者继续发问：

(2)金刚石

金刚石作为切割材料,与砂浆切割不同,金刚石是通过镀层金属固结在不锈钢母线上的。由于切割对于线锯的线径具有一定的要求,因此为了线锯的线径稳定,金刚石粒度、金属镀层厚度、母线线径三者之间必须互相匹配,方能使电镀金刚石线锯具有耐磨、牢固、切割能力强的特点。从电镀角度来说,电镀金刚石线锯属于复合电镀制品,金刚石改变了镀层的磨损机制,使得复合镀层具有更好的耐磨性,因此,金刚石必须具有一定的粒度。

(3)电镀液

电镀金刚石线锯一般采用复合电镀镍-金刚石的方法制造的,这种镀液的配方有很多种,常见的是瓦特型镀液,但是对于用于切割的电镀金刚石线锯来说,要求具有较好的柔韧性,即要求镀层内应力小,对金刚石的包裹性好,因此工业生产上一般采用氨基磺酸镍为主盐的镀液,其具有沉积速度快、镀层内应力小的优点,有利于提高生产速度,降低生产成本。

3.2 电镀金刚石线锯的制备工艺

(1)金属丝母线镀前预处理

金属丝母线镀前预处理的目的是要获得结合力牢固的镀层。电镀金刚石线锯的预处理工序与普通电镀的预处理工序一样:碱洗和酸洗。碱洗的目的是去除母线表面的油污,而酸洗的目的是去除母线表面的附着物——锈及表层的氧化物,以露出正常的金相组织,使得在电镀时获得结合力良好的镀层。

(2)电镀

复合电镀的工序一般包括上砂和加厚镀。

a)上砂

上砂是把金刚石作为第二相粒子复合电镀到金属丝上的过程,是整个复合电镀中最为关键的部分。目前主要有两种上砂方法:落砂法和埋砂法。落砂法主要是通过搅拌使得金刚石能够悬浮在镀液中,金刚石在镀液中容易吸附镀液中的H+离子而带正电,同时金属丝为负极,带负电,由于受到电吸附的作用将带电的金刚石吸附到金属丝附近,同时与镀液中的Ni2+离子共同放电,Ni2+离子放电以金属镍的形式沉积到金属丝上,同时将金刚石固结在金属丝上,从而完成上砂过程。而埋砂法,顾名思义就是将阴极金属丝埋入有镀液通过的金刚石中,使得金刚石与金属丝紧密接触,从而保证上砂均匀。目前这两种方法在生产中都有应用,一般认为较细的金刚石适用于落砂法,较粗的金刚石适用于埋砂法。

b)加厚镀

上砂时,与金刚石同时沉积到金属丝上的金属镀层一般都很薄,需要后续的加厚镀来提高金属镀层的厚度以达到提高金属镀层对金刚石把持力的目的,加厚镀镀液一般不含金刚石,加厚镀电流以及镀槽的数目应以达到所需的金属镀层的厚度为标准进行设计。

c)后处理

电镀时,在阴极上除了析出金属外,还有一部分的H+离子在阴极上还原,其中一部分以H2的形式放出,另一部分氢则会以氢原子的形式进入镀层和基体金属内部。金属相中存在着由表面扩散进来的氢原子,在金属内部复合为氢分子,或与金属中夹杂的碳形成CH4,使得镀层韧性降低发脆,导致镀层与基体结合力降低,发生“氢脆”现象[4]。因此,为了防止“氢脆”现象的发生和减少镀层残余应力,增加镀层的硬度和耐磨性,电镀完成后一般还要除氢和进行后续处理过程,一般都采用高温烘烤除氢的工艺来提高镀层的硬度和耐磨性。

4 电镀金刚石线锯的应用现状

在目前的硅切割应用中,不同切割工序,对于电镀金刚石线锯都有不同的线径要求。在切片工序中,往往需要细的电镀金刚石线,目前的线径在0.1 mm左右,常见的规格有0.12 mm、0.11 mm、0.1 mm。目前硅片切割市场,要求电镀金刚石线锯线径越细越好,根据有关资料显示,在日本,线径为0.09 mm,甚至0.08 mm的制备技术已经非常成熟,而在国内目前最好也就能做到线径为0.1 mm,而且制备技术也不稳定。用于硅开方和硅截断的电镀金刚石线锯线径一般在0.3～0.4 mm之间,常见的规格有0.35 mm、0.37 mm等。线径在0.2～0.3 mm的电镀金刚石切割线通常用来切割蓝宝石。除了切割硅片和蓝宝石外,电镀金刚石切割线还可以对陶瓷、稀土磁,例如压电陶瓷、钕铁硼、强力磁铁、稀土磁铁、铁氧体等进行精密切割,具体如图2所示:

图2 电镀金刚石线锯的各种用途Fig.2 different applications of electroplated diamond wire saw

5 我国电镀金刚石线锯的产业发展

我国电镀金刚石线锯产品的研发是根据光伏光电市场的急切需求而产生和发展的。我国最早进行金刚石线锯的研究工作可以追溯到1992年,哈尔滨科技大学张国林等在《哈尔滨科技大学学报》上发表了“电镀金刚石丝锯的开发研究”一文,这是我国已发表的第一篇关于电镀金刚石线锯的研究论文。2010年以后,随着电镀金刚石线锯受到业内人士的普遍重视,电镀金刚石线锯技术及其产业迎来了飞速发展阶段,主要表现在:

(1)数家超硬材料企业相继采购了制造设备开始了电镀金刚石线锯的研究开发工作;

(2)制造设备逐步实现了国产化,并不断得到了改进;

(3)产业规模不断扩大,市场应用逐步扩展。

我国电镀金刚石线锯产业从2009年开始起步,只用了短短几年的时间就形成产业规模。2009年,国内首家实现电镀金刚石线锯生产的企业——长沙岱勒新材料科技有限公司成立,2011年,河南黄河旋风股份有限公司开始了金刚石线锯开发准备工作,并于2012年初建成了两条生产线,每条生产线可生产电镀金刚石线锯6～8根,此外,江苏中博钻石科技有限公司、南京三超金刚石工具有限公司、江西金葵能源科技有限公司、盛利维尔新材料技术有限公司等企业也都相继研究开发了电镀金刚石线锯,产业规模逐渐显现。2011年8月8日,郑州华晶金刚石股份有限公司成立了全资子公司——华晶精密制造有限公司,从德国进口了专用设备开始了金刚石线锯的研究开发,在此基础上,公司自主研发了电镀金刚石线锯专用设备,该设备性能稳定,生产速率可达5～10 m/ min,镀槽内温度偏差可控制在1℃以内,电镀液p H波动≤0.1,生产过程中走线速度偏差≤0.1 m/ min,整个电镀系统内循环,无物料排放,生产过程环保清洁。目前公司共有生产线112条,可生产0.1～ 0.42 mm不同线径的电镀金刚石线锯,产品基本覆盖了电镀金刚石线锯的使用范围,目前公司产能在2万公里/月,规模优势与质量优势能够满足客户深层次的需求。

6 电镀金刚石线锯未来发展方向

随着太阳能行业的发展,如何降低生产成本是当前行业发展较为迫切的问题。而硅棒的截断、开方、切片是降低成本的重要环节,采用效率高、切损小、切割质量好的电镀金刚石线锯是必然趋势。

就当前电镀金刚石线锯切割硅片的使用情况来看,还需要在以下几个方面进行深一步的研究:

(1)金属线母线的研究。目前电镀金刚石线锯所使用的金属丝母线主要是镀黄铜钢丝线,其力学性能还有限,找到具有更好力学性能的金属丝母线是未来重要的研究方向之一。

(2)目前电镀金刚石线锯的使用寿命还不尽如人意,进一步提高金刚石的把持力、耐磨性以及切割性能将成为电镀金刚石线锯重要的研究方向。

(3)电镀设备、电镀技术的研究。电镀金刚石线锯生产设备的金刚石悬浮浓度的控制、上砂均匀性等技术有待于进一步研究。

(4)切割机理的研究。目前在硅片切割过程中,存在着切割线痕、厚薄不均等问题,因此深入研究电镀金刚石线锯切割机理,改善切割效果,也是重点的研究方向。

[1] 中国超硬材料工业五十年[M].郑州:河南科学技术出版社, 2013.

[2] Murata R.Study on machining characteristics of diamond abrasive wire[J].J Mechancial Engineering Lab,1987,41(5):236.

[3] 蒋燕麟,冯吉福,王进宝,等.硅切割用电镀金刚石线锯的研究现状[J].超硬材料工程,2012(3):43-48.

[4] 王秦生.超硬材料制品[M].郑州:郑州大学出版社,2006.

Current Research Status and Development of Electroplated Diamond Wire Saw

LIU Yong-qi
(Zhengzhou Sino-Crystal Diamond Co.,Ltd,Zhengzhou,China 450001)

The structure,characteristics and preparation process of electroplated diamond wire saw have been summarized in this article.The application of it has also been briefly introduced.Meanwhile,the existing problems have been preliminary discussed and the future development trend has been predicted.

electroplated diamond wire saw;preparation process

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0048-04

2015-02-02

刘永奇,男,现任郑州华晶金刚石股份有限公司总经理,参与并完成研制开发的1个项目通过河南省科技厅技术鉴定,并获得科技成果证书,主要从事人造金刚石合成及电镀金刚石线锯的研究与开发工作。

刘永奇.电镀金刚石线锯的研究现状与发展[J].超硬材料工程,2015,27(1):48-51.