上砂工藝參數(shù)對(duì)電鍍金剛石線(xiàn)鋸性能的影響

馬澤賢，劉新寬, *，盛榮生，蔡磊，張偉偉

（1.上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.盛利維爾(中國(guó))新材料技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213200）

近年來(lái)，伴隨著光伏產(chǎn)業(yè)以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，高品質(zhì)晶體材料需求量越來(lái)越大，催生著晶體切割技術(shù)的變革與發(fā)展。晶體切割也從原來(lái)的游離磨料切割逐步發(fā)展到固結(jié)磨料切割[1-2]，切割效率大大增加，切割崩碎現(xiàn)象也得到極大改善，切割成本大幅度降低。

電鍍金剛石線(xiàn)鋸是以鋼絲為基礎(chǔ)材料，以氨基磺酸鎳為鍍液主鹽，在合適的電鍍工藝下，采用復(fù)合鍍的方法在鋼絲基體上沉積一層金屬鎳，同時(shí)在金屬鎳中包裹金剛石粉顆粒，而制得的一種超硬材料鋸切工具。其制作一般有以下工序：前處理(酸洗、堿洗)，預(yù)鍍，上砂，加厚鍍。電鍍金剛石線(xiàn)鋸具有耐磨性好、切割效率高、切口小、損耗少等優(yōu)點(diǎn)[3]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于單晶硅、多晶硅、半導(dǎo)體、寶石等硬脆材料機(jī)加工領(lǐng)域。光伏行業(yè)為了追求降低硅片非硅成本[4]，電鍍金剛石線(xiàn)鋸從最開(kāi)始線(xiàn)徑在幾百微米，發(fā)展到現(xiàn)在幾十微米，細(xì)線(xiàn)化成為了必然趨勢(shì)。但在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)線(xiàn)徑降至60 μm以下時(shí)，在鋼絲基體表面鍍覆金剛石后，鋸體脆性較大，彎折后易發(fā)生脆斷現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)脆斷率達(dá)90%以上。生產(chǎn)排查發(fā)現(xiàn)，上砂階段上砂量以及砂的團(tuán)聚程度都會(huì)對(duì)脆斷產(chǎn)生較大影響。本文采用正交試驗(yàn)，選取上砂階段的幾項(xiàng)重要參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法得到上砂量和堆積直徑均符合標(biāo)準(zhǔn)且脆性低的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與預(yù)處理

采用拉拔直徑為60 μm的鋼絲，鍍前酸洗和堿洗。酸洗液成分為：硫酸氫鈉80% ～ 95%，氟氫化鈉5% ～ 7%。酸洗時(shí)間30 s，溫度40 °C。堿洗液配方：磷酸鹽20% ～ 30%，氫氧化鈉10% ～ 20%，硅酸鹽化合物1% ～ 10%，焦磷酸鉀1% ～ 10%。堿洗時(shí)間30 s，溫度55 °C。

采用表面鍍鎳的金剛石粉，粒徑(8.5 ± 0.2) μm，鎳增重45%。鍍前超聲清洗5 min。

基礎(chǔ)鍍液采用氨基磺酸鹽體系，配方為：Ni(NH2SO3)2·4H2O 500 ～ 550 g/L，H3BO340 ～ 50 g/L，NiCl2·6H2O 3 ～ 5 g/L，pH 4.4 ～ 4.8。

1.2 工藝流程

堿洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→預(yù)鍍→冷水洗→上砂→冷水洗→加厚鍍→冷水洗→除氫。

預(yù)鍍電流密度為15 A/dm2，時(shí)間30 s；加厚鍍電流密度為5 A/dm2，時(shí)間80 s。上砂采用懸砂法，機(jī)械攪拌。電鍍結(jié)束后，在200 °C的烘箱內(nèi)除氫2 h。

1.3 性能表征

采用彎折法檢測(cè)脆性：將金剛石線(xiàn)鋸彎折 180°，觀察是否斷裂，每根選擇不同的部位彎折 10次。每個(gè)樣品取3根線(xiàn)鋸進(jìn)行彎折，取3根線(xiàn)鋸脆斷次數(shù)的平均值作為該樣品的脆斷次數(shù)。

采用鄭州建斌電子科技有限公司生產(chǎn)的KBXJ-II型科波爾線(xiàn)鋸分析儀檢測(cè)線(xiàn)鋸的上砂量和堆積直徑。上砂量指的是在1 mm之內(nèi)上砂個(gè)數(shù)的均值。堆積直徑是1 mm內(nèi)表面磨粒連在一起所覆蓋面積的等圓直徑。堆積直徑表征金剛石顆粒的團(tuán)聚程度。堆積直徑大一方面會(huì)嚴(yán)重影響切割質(zhì)量，另一方面，團(tuán)聚較大處會(huì)引起局部應(yīng)力加大，繼而對(duì)線(xiàn)的脆性產(chǎn)生較大影響。

采用COXEM公司生產(chǎn)的EM-30Plus掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)復(fù)合鍍后線(xiàn)鋸的形貌和團(tuán)聚程度。

根據(jù)L25(56)正交表，選取上砂階段的電流密度、金剛石質(zhì)量濃度、攪拌速率、溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、添加劑體積分?jǐn)?shù)等6個(gè)因素，每種因素5個(gè)水平(見(jiàn)表1)，考察對(duì)金剛石線(xiàn)鋸上砂量、堆積直徑和脆斷性的影響。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平Table 1 Levels of orthogonal testing factors

2 結(jié)果與討論

2.1 極差分析

從表 2中的極差(R)可以看出，影響上砂量最大的因素是添加劑體積分?jǐn)?shù)，金剛石質(zhì)量濃度次之，溫度、攪拌速率及磁場(chǎng)三者的影響程度差不多，三者并列排在第3位，電流密度的影響最小。

對(duì)于堆積直徑來(lái)說(shuō)，添加劑體積分?jǐn)?shù)的影響程度最大，金剛石質(zhì)量濃度次之，攪拌速率、磁感應(yīng)強(qiáng)度及電流密度的影響程度差不多，三者并列排在第3位，溫度的影響程度最小。

對(duì)于脆斷次數(shù)，添加劑體積分?jǐn)?shù)的影響程度最大，電流密度次之，攪拌速率和溫度的影響程度差不多，排在第3位，金剛石質(zhì)量濃度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響程度最小。

2.2 各因素對(duì)上砂量、堆積直徑及脆斷次數(shù)的影響

為了便于選取最優(yōu)工藝參數(shù)，將6種因素同一水平的試驗(yàn)結(jié)果均值用曲線(xiàn)圖表示出來(lái)(如圖1?6所示)，結(jié)合極差分析，用綜合平衡法分析各因素對(duì)上砂量、堆積直徑及脆斷次數(shù)的影響。由于線(xiàn)鋸要有合適的上砂量才能保證足夠的切割力，同時(shí)線(xiàn)鋸堆積直徑直接影響到切縫大小以及切片質(zhì)量，所以在優(yōu)選方案時(shí)，設(shè)定平均上砂量不能低于200個(gè)/mm，堆積直徑不能高于25.5 μm。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test result

圖1 添加劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 1 Effect of volume fraction of additive on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖2 金剛石質(zhì)量濃度對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 2 Effect of mass concentration of diamonds on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

2.2.1 添加劑體積分?jǐn)?shù)的影響

添加劑是對(duì)脆斷次數(shù)、上砂量及堆積直徑影響最大的因素。隨著添加劑體積分?jǐn)?shù)的增大，脆斷次數(shù)、上砂量和堆積直徑都在急劇上升。在考慮添加劑用量時(shí)，優(yōu)先要使脆斷次數(shù)低，同時(shí)要滿(mǎn)足上砂量及堆積直徑的要求，所以選擇添加劑體積分?jǐn)?shù)的范圍是0.03 ～ 0.04 mL/L。

2.2.2 金剛石質(zhì)量濃度的影響

金剛石質(zhì)量濃度對(duì)上砂量及堆積直徑的影響程度排在第2位，對(duì)脆斷次數(shù)的影響程度排在第4位。理論上隨著金剛石濃質(zhì)量濃度的增加，槽內(nèi)懸浮的金剛石增多，被鍍層俘獲的金剛石也會(huì)增多，所以上砂量及堆積直徑都會(huì)增大。優(yōu)先考慮在保證足夠的上砂量和較小的堆積直徑，同時(shí)兼顧較低的脆斷次數(shù)，選擇金剛石的質(zhì)量濃度為6.0 g/L。理論上隨著金剛石濃質(zhì)量濃度的增加，槽內(nèi)懸浮的金剛石增多，被鍍層俘獲的金剛石也會(huì)增多，所以上砂量及堆積直徑都會(huì)增大。優(yōu)先考慮在保證足夠的上砂量和較小的堆積直徑，同時(shí)兼顧較低的脆斷次數(shù)，選擇金剛石的質(zhì)量濃度為6.0 g/L。

圖3 攪拌速率對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 3 Effect of stirring rate on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖4 溫度對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 4 Effect of temperature on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 5 Effect of magnetic induction intensity on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖6 電流密度對(duì)堆積直徑、上砂量和脆斷次數(shù)的影響Figure 6 Effect of current density on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

2.2.3 攪拌速率的影響

攪拌速率對(duì)上砂量、堆積直徑及脆斷次數(shù)的影響程度不太大，都只排在第3位。當(dāng)攪拌速率為70 r/min時(shí)，上砂量、堆積直徑及脆斷次數(shù)都達(dá)到最大。攪拌速率太快時(shí)，金剛石難以被鍍層俘獲，造成沉積困難(80 r/min時(shí)的上砂量已不符合要求)，同時(shí)部分液體可能會(huì)從槽內(nèi)飛出；攪拌速率太慢時(shí)，金剛石沉降太快，同樣不利于沉積。綜合考慮上砂量以及堆積直徑標(biāo)準(zhǔn)，選取攪拌速率為60 r/min。

2.2.4 溫度的影響

溫度對(duì)脆斷次數(shù)和上砂量的影響程度排在第3位，對(duì)堆積直徑的影響排在4位，影響程度較小。由于溫度會(huì)顯著影響鍍液性質(zhì)[5]，因此應(yīng)充分考慮溫度對(duì)鍍液的影響。溫度太高時(shí)，氨基磺酸鎳水解傾向性增強(qiáng)[6]，氫氧化物夾雜會(huì)使鍍層內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，起皮開(kāi)裂嚴(yán)重；溫度太低時(shí)，離子擴(kuò)散變慢，陰極反應(yīng)也就變慢[7]。綜合考慮各因素，選取50 °C和60 °C的中間值55 °C。

2.2.5 磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)脆斷次數(shù)的影響排在第4位，對(duì)堆積直徑及上砂量的影響排在第3位，可見(jiàn)磁場(chǎng)對(duì)3種性能的影響都不大。在滿(mǎn)足堆積直徑和上砂量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，磁感應(yīng)強(qiáng)度選16 mT。

2.2.6 電流密度的影響

電流密度對(duì)脆斷次數(shù)的影響程度排在第2位，對(duì)上砂量及堆積直徑的影響程度分別排在第3位和第4位。電流密度過(guò)大雖然有利于金剛石的沉積，但會(huì)影響鍍層質(zhì)量；而電流密度過(guò)小會(huì)令鎳沉積變慢，上砂速率隨之下降。由圖6可知，在選取電流密度時(shí)只需考慮低脆斷次數(shù)。當(dāng)電流密度為4 A/dm2時(shí)，脆斷次數(shù)最少。此時(shí)，槽電壓也低于氫的析出電位，鍍槽內(nèi)無(wú)氣泡冒出。

2.3 上砂量和堆積直徑對(duì)脆斷的影響

從圖7和圖8可以明顯看出上砂量及堆積直徑與脆斷次數(shù)呈現(xiàn)比較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。圖7擬合曲線(xiàn)方程為y= 0.22272x+ 0.0109，決定系數(shù)R2= 0.816 45。圖8擬合曲線(xiàn)方程為y= 0.21103x? 2.0834，R2=0.646 36。由此可見(jiàn)，上砂量越大，堆積直徑越大，脆斷次數(shù)越多。上砂量越大，嵌入鍍層的金剛石含量越多，磨料所占面積就越大，鍍鎳層的相對(duì)體積越小。由于鋼絲表面的薄鎳鍍層以及鋼絲本身的硬度都遠(yuǎn)小于金剛石的硬度，為了保證切割效率，選用的金剛石棱角比較多，同時(shí)由于尖端效應(yīng)，金剛石尖端部分聚集大量電荷，靜電引力較大，在沉積過(guò)程中尖端部分朝向鋼絲表面，如圖9a所示。金剛石的棱角處曲率半徑較小，容易形成應(yīng)力集中[8]，引起局部應(yīng)力增大。在彎折過(guò)程中，應(yīng)力集中較大的尖端部位刺破鍍層，在鋼絲表面留下大量裂紋源。繼續(xù)彎至對(duì)折狀態(tài)時(shí)，軸向應(yīng)力使得裂紋源擴(kuò)張，造成斷裂。堆積直徑大表明金剛石在線(xiàn)鋸上團(tuán)聚嚴(yán)重(如圖9b所示)，團(tuán)聚處會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，也就更容易導(dǎo)致斷裂。

圖7 堆積直徑與脆斷次數(shù)的關(guān)系Figure 7 Relationship between the diameter of total area covered with diamonds and the number of brittle fracture times

圖8 上砂量與脆斷次數(shù)的關(guān)系Figure 8 Relationship between the amount of diamonds incorporated and the number of brittle fracture times

圖9 被鍍層包覆的金剛石Figure 9 Nickel-coated diamonds

圖10 金剛石線(xiàn)鋸模型平面圖Figure 10 Planar graph of diamond wire saw model

通過(guò)有限元模擬軟件，采用二維平面對(duì)稱(chēng)模型，在固體力學(xué)模塊下選用穩(wěn)態(tài)環(huán)境模擬金剛石與鍍層之間的應(yīng)力分布。采用CAD軟件繪出如圖10所示的線(xiàn)鋸模型。

對(duì)模型施加約束條件，在模型中點(diǎn)處固定，兩端施加線(xiàn)性增長(zhǎng)的軸向力。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖11所示)之后進(jìn)行求解。

從圖12可以明顯看出金剛石與鍍層之間的接觸部分在彎折后產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，棱角處的應(yīng)力最大，馮米澤斯(von Mises)應(yīng)力達(dá)到了1.5 × 1011N/m2。這些應(yīng)力集中處極容易發(fā)生斷裂。

圖11 網(wǎng)格劃分圖Figure 11 Meshing diagram

圖12 彎折后金剛石線(xiàn)鋸應(yīng)力云圖Figure 12 Cloud diagram showing the stress distribution for diamond wire saw after being bended

2.4 優(yōu)化工藝驗(yàn)證性試驗(yàn)

選用優(yōu)化后的工藝參數(shù)(即電流密度4 A/dm2、金剛石質(zhì)量濃度6 g/L、攪拌速率60 r/min、溫度55 °C、磁感應(yīng)強(qiáng)度16 mT、添加劑體積分?jǐn)?shù)0.03 ～ 0.04 mL/L)與當(dāng)前的產(chǎn)線(xiàn)工藝進(jìn)行比較，結(jié)果(見(jiàn)表3)表明優(yōu)化后的上砂量、堆積直徑及脆斷次數(shù)都更好，微觀上金剛石團(tuán)聚更少，分布更均勻(見(jiàn)圖13)。

表3 優(yōu)化前后金剛石線(xiàn)鋸性能的對(duì)比Table 3 Comparison of diamond wire performance before and after optimization

圖13 工藝優(yōu)化前(a)、后(b)所得金剛石線(xiàn)鋸的微觀形貌Figure 13 Microscopic morphologies of diamond wire saws produced by previous (a) and optimized (b) process

3 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選出金剛石線(xiàn)鋸脆性低、堆積直徑小、上砂量足的電鍍工藝條件。上砂量及堆積直徑與金剛石線(xiàn)鋸的脆性正相關(guān)，它們都對(duì)金剛石線(xiàn)鋸的使用壽命有顯著影響。