電鍍金剛石線鋸用螺旋鍍液流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置的設(shè)計(jì)與分析

關(guān)鍵詞電鍍金剛石線鋸；磨粒團(tuán)聚；磨粒分布密度；螺旋鍍液流；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中圖分類號(hào)TQ164;TG58;TQ7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號(hào) 1006-852X（2025）02-0224-12DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266收稿日期 2023-12-05修回日期2024-06-02

單晶硅、光伏硅、藍(lán)寶石等高硬脆材料廣泛應(yīng)用于信息、能源、航天等領(lǐng)域。這些材料均具有高硬脆特性，需要將其棒材原料分切成片后再加工才可使用，因而棒材的鋸切加工是重要的生產(chǎn)工序之一。以太陽能電池的核心部件硅片為例，其 40% 的生產(chǎn)成本為棒材的切割加工成本[1]。為滿足市場(chǎng)需求，提高切片質(zhì)量和效率，降低成本和損耗，一直是鋸切技術(shù)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

棒材的游離磨料鋸切[2-3]技術(shù)工藝簡單，可滿足硅片大尺寸和超薄的鋸切要求，但存在鋸切效率和走線速度低、鋼絲使用壽命短、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺陷。而棒材的內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)存在刀片厚度大、切口材料損耗大、材料表面損傷深等弊端。近年來，在基線表面用樹脂結(jié)合劑、釬焊或電鍍方法固結(jié)金剛石磨粒制成的金剛石線鋸[47]，在鋸切領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

其中，電鍍金剛石線鋸因在貴重、硬脆材料的切割加工過程中具有切縫窄、材料損耗小、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到大力發(fā)展1。

電鍍金剛石線鋸是以碳鋼等高強(qiáng)度金屬細(xì)絲（直徑 ?0.35mm ）為基線，在其表面電鍍鎳與金剛石磨粒的復(fù)合鍍層，使金剛石磨粒牢固嵌合在復(fù)合鍍層中，通過開刃除去金剛石磨粒表面的鍍鎳層而露出金剛石刃口制成的[46]。2013年前，國內(nèi)電鍍金剛石線鋸市場(chǎng)基本由國外公司壟斷。自2013年左右首次從日本住友引進(jìn)電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)設(shè)備以來，國內(nèi)電鍍金剛石線鋸生產(chǎn)技術(shù)不斷完善[9-2]、市場(chǎng)持續(xù)拓展，已逐漸完成國產(chǎn)替代，并將生產(chǎn)成本從國外設(shè)備引進(jìn)初期的1.20元/m降至目前的0.15元 /m 以下，且線鋸技術(shù)指標(biāo)趨于完善。

電鍍金剛石線鋸上金剛石磨粒的沉積工藝直接影響線鋸表面的磨粒分布、制備效率及耐用度等技術(shù)指標(biāo)，常見的沉積工藝有落砂法和埋砂法[13]。落砂法是水平行進(jìn)的電鍍工藝，如圖1所示，其原理為：混合液從一程鍍槽的噴液管噴向水平行進(jìn)的基線，基線（可以是一根或多根平行線）表面接觸到隨液流下落的經(jīng)磁化處理的預(yù)鍍鎳金剛石磨粒時(shí)，電沉積的鎳同時(shí)將金剛石磨粒與基線結(jié)合在一起；隨后基線導(dǎo)出進(jìn)入二程鍍槽（其結(jié)構(gòu)與一程鍍槽相同），完成基線電鍍金剛石磨粒與鎳的復(fù)合過程。埋砂法是垂直上抽行進(jìn)的電鍍工藝，如圖2所示，其原理為：控制鍍液排液口與溢流管排放鍍液量之間的比例，使混合液中金剛石磨粒自然沉降到鍍液槽下部的比例較高，基線（可以是一根或多根平行線）以一定的速度從底部向上從混合液中抽出，抽出過程完成后電鍍金剛石磨粒與基線表面黏接。這2種沉積工藝雖可提高基線黏接磨粒的效率1倍以上，但在電鍍過程中，金剛石磨粒的沉降效應(yīng)易導(dǎo)致其在鍍液中的濃度一致性波動(dòng)較大，進(jìn)而使鍍鎳層中的金剛石磨粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象[14]。

在有關(guān)電鍍過程中基線圓周的金剛石磨粒濃度一致性的研究中，發(fā)現(xiàn)在電鍍裝置中，當(dāng)混合液圍繞基線并與基線同向以適當(dāng)?shù)乃俣嚷菪羞M(jìn)時(shí)，可降低鍍液中金剛石磨粒的相對(duì)沉降速度，提高混合液攪拌的均勻性[15]。同時(shí)，研究還表明[15-19]：在切削工具表面制備金剛石耐磨層時(shí)，施加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)可提高金剛石磨粒嵌合在胎體中的固結(jié)強(qiáng)度，且用永磁體先磁化基線[1]（直徑約為 0.6mm ）再進(jìn)行電鍍，可提高金剛石利用率并降低生產(chǎn)成本。但螺旋鍍液流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組合裝置的應(yīng)用尚未見報(bào)道。

為此，設(shè)計(jì)螺旋鍍液流和永磁體旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組合裝置用來制備電鍍金剛石線鋸。在滿足旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡單、磁場(chǎng)穩(wěn)定和節(jié)能等需求的同時(shí)，以期減少線鋸上金剛石磨粒的團(tuán)聚現(xiàn)象；同時(shí)，縮小金剛石磨粒分布密度的波動(dòng)范圍，提高線鋸的質(zhì)量及成品率。

1組合裝置設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)條件

1.1螺旋鍍液流電鍍裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有研究發(fā)現(xiàn)[15]：在電鍍裝置中，電鍍混合液圍繞基線同向螺旋行進(jìn)，具有改善基線圓周金剛石磨粒濃度的一致性、提高混合液攪拌的均勻性等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此理念設(shè)計(jì)了如圖3所示的螺旋鍍液流電鍍裝置，圖3中的 D 為玻璃管外側(cè)直徑（ D=74mm ）， d 為玻璃管內(nèi)壁直徑（ d=56mm ）。圖3的工作原理為：混合液從螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯的螺旋葉片之間進(jìn)入玻璃管內(nèi)，在螺旋葉片作用下，在玻璃管內(nèi)圍繞基線做螺旋向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并從玻璃管的混合液出口流出。為避免阻礙螺旋液流行進(jìn)的情況出現(xiàn)，在玻璃管內(nèi)壁對(duì)稱設(shè)置4條凹槽，用于放置鎳陽極；基線從螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯中空的中心進(jìn)人，向上行進(jìn)通過電鍍裝置，且基線不與螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯直接接觸，以保持基線行進(jìn)通暢。

1.2螺旋鍍液流的流量與螺旋速度

TSUBOT等[15]的研究表明：當(dāng)螺旋鍍液流的上升速度1.5倍于金剛石磨粒的自然沉降速度時(shí)，制備的金剛石線鋸中金剛石磨粒的分布密度波動(dòng)范圍較小。由于不同粒度的金剛石微粉在液體中的沉降速度不同，測(cè)得 M30/40 金剛石在混合液（金剛石磨粒[2]經(jīng)適當(dāng)磁化[2]后與鍍液按表1中比例混合的液體）中的自然沉降速度 u=2.0～2.2cm/s， 。根據(jù)玻璃管內(nèi)徑值（ d= 56mm ），計(jì)算所需的混合液最低流量 Q 為 4.43L/min （流量 Q=1.5π（d/2）²×ν， ）。選取螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯的材質(zhì)為TA2鈦合金，通過實(shí)驗(yàn)取得優(yōu)選的螺旋葉片數(shù)和螺旋角參數(shù)，螺旋葉片底徑為 12mm ，厚度為 2mm ，外徑與 d 一致，高度與其外徑相同。在混合液流經(jīng)過螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯時(shí)，其產(chǎn)生的螺旋速度隨著玻璃管內(nèi)直徑位置的不同而不同，且難以具體計(jì)算，因而混合液流量也通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選數(shù)據(jù)。

1.3旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究表明[15-19]：在電鍍金剛石線上沉積金剛石耐磨層時(shí)，施加合適的交變磁場(chǎng)，有利于提高金剛石磨粒的沉積速率及其與基線的固結(jié)強(qiáng)度。

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置，并采用釹鐵硼合金永磁圓柱體[22替代交變磁場(chǎng)發(fā)生器以簡化磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置結(jié)構(gòu)見圖4。圖4中：固持架（工程塑料）用于固持釹鐵硼合金永磁圓柱體，每個(gè)固持架對(duì)稱裝配2個(gè)釹鐵硼合金永磁圓柱體，安裝時(shí)注意按圖示的S和N極位置放置，且自上而下相鄰的上下層固持架中釹鐵硼合金永磁圓柱體按順時(shí)針方向以合適的角度交錯(cuò)布置。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置工作原理為：由釹鐵硼合金永磁圓柱體和固持架組成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，精確地圍繞螺旋鍍液流電鍍裝置中心線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)適當(dāng)。實(shí)驗(yàn)表明：鍍鎳后的金剛石磨粒在磁場(chǎng)作用下，其按磁力線有序排列且圍繞基線旋轉(zhuǎn)，與基線接觸后結(jié)合在一起，這種鍍液及金剛石磨粒的旋轉(zhuǎn)可減輕基線表面微粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)阻止金剛石磨粒在重力作用下過快沉降，保持鍍液中金剛石磨粒濃度的一致性。

1.4旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與磁場(chǎng)強(qiáng)度

文獻(xiàn)[18]的研究表明：在金屬的電化學(xué)沉積過程中引入外加交變磁場(chǎng)，可使鍍層平整、致密且溝槽得到很好地填補(bǔ)；文獻(xiàn)[21]的結(jié)果表明，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與金剛石磨粒的分布密度波動(dòng)有關(guān)。由于缺少磁場(chǎng)強(qiáng)度與金剛石磨粒分布密度波動(dòng)關(guān)聯(lián)的參考文獻(xiàn)，以及缺乏金剛石線鋸電鍍過程中磁場(chǎng)的實(shí)際檢測(cè)手段，因此通過組合裝置實(shí)際應(yīng)用過程中的組合參數(shù)積累，獲取具有較佳效果的技術(shù)參數(shù)。

永磁體的選擇和布置：初始實(shí)驗(yàn)的永磁體尺寸為?20mm×30mm ；按文獻(xiàn)[20]的要求選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度，上下層永磁體先按順時(shí)針 20^° 交錯(cuò)布置，后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度理論上應(yīng)與混合液的旋轉(zhuǎn)速度一致，但電鍍裝置中玻璃管內(nèi)不同的直徑和上下位置，使混合液的旋轉(zhuǎn)速度不盡相同。設(shè)定初始實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)速度為 40r/min ，后每次增加5r/min 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲取不同磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度下的沉積效果。

磁場(chǎng)強(qiáng)度：根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同，選取至少5種不同代號(hào)的永磁體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用TD8620型手持式數(shù)字特斯拉計(jì)測(cè)量N38M永磁體組合裝置內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度。同一固持架內(nèi)的2個(gè)永磁體，內(nèi)側(cè)S和N極的端面之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布見圖5。從圖5可見：從兩極的端面到線鋸中心線，磁場(chǎng)強(qiáng)度快速衰減，但旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)較小。因此，選用永磁體時(shí)，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)大于圖5的分布數(shù)據(jù)。

1.5組合裝置基本參數(shù)

經(jīng)不斷實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐的數(shù)據(jù)積累，并綜合上面的分析結(jié)果，得到組合裝置的基本參數(shù)，見表2。實(shí)驗(yàn)用加裝電鍍組合裝置的線鋸生產(chǎn)線實(shí)物見圖 6

1.6線鋸的基本要求

不同領(lǐng)域使用的線鋸，其基線直徑、金剛石微粉粒度、切割速度、金剛石磨粒分布密度和團(tuán)聚要求各不相同。以半導(dǎo)體芯片鋸切領(lǐng)域使用的線鋸為研究對(duì)象，其具體要求是：金剛石微粉粒度代號(hào)為 M30/40^[23] 金剛石磨粒分布密度控制在15～25顆 /mm^[24] ，無顆粒嚴(yán)重團(tuán)聚現(xiàn)象（即無顆粒相互疊壓現(xiàn)象）發(fā)生；線鋸切割速度為 1500～1700m/min ，基線直徑為 0.135mm^[24] 線鋸的技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.7切片實(shí)驗(yàn)

結(jié)合表3中的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行直徑為 50.6mm 單晶硅棒（硅棒型號(hào)為CZ-SOS，純度為 99.9999% ）的切片實(shí)驗(yàn)，并采用超高速金剛石線多線切割機(jī)（型號(hào)為YJ-XQW170，走線速度 lt;2100m/min ）進(jìn)行切片。

1.8線鋸性能表征

利用JSM-IT100型掃描電子顯微鏡觀察不同工藝制備的電鍍金剛石線鋸的表面形貌；利用Mitutoyo SJ-301型表面粗糙度測(cè)定儀檢測(cè)切割硅片進(jìn)給方向的表面粗糙度，硅片取樣尺寸是 0.8mm×4.0mm ，取樣點(diǎn)按文獻(xiàn)[4]規(guī)定的方法選取。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

預(yù)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，新裝置中螺旋導(dǎo)向內(nèi)芯葉片數(shù)、螺旋角、混合液流量、固持架數(shù)量、永磁體交錯(cuò)放置角、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度、永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度（用永磁體代號(hào)表示）等參數(shù)對(duì)金剛石線鋸質(zhì)量都有影響。為了研究不同參數(shù)的影響規(guī)律，采用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出新裝置下電鍍金剛石線鋸的最佳工藝參數(shù)并制作線鋸，分析線鋸形貌，并進(jìn)行硅棒切片實(shí)驗(yàn)。

2.1螺旋葉片數(shù)的影響

分別選取螺旋葉片數(shù)為3、4、5、6片，固定螺旋角等其他預(yù)研參數(shù)，用圖6的裝置電鍍金剛石線鋸。電鍍時(shí)，電流和電壓取2.8A和 5.9V ，電鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4中可見：不同葉片數(shù)對(duì)金剛石磨粒的團(tuán)聚現(xiàn)象有較大影響，螺旋葉片數(shù)為4片及以下時(shí)金剛石磨粒的團(tuán)聚都為中度，且金剛石磨粒波動(dòng)范圍較大；而葉片數(shù)為5片和6片時(shí)的金剛石磨粒波動(dòng)范圍較小，且均未發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。分析認(rèn)為，葉片數(shù)量適當(dāng)增加，有利于產(chǎn)生螺旋鍍液流的效果?？紤]線鋸的機(jī)械加工性及實(shí)驗(yàn)裝置的簡單性，宜選螺旋葉片數(shù)為5片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

預(yù)研時(shí)得到金剛石線鋸表面的金剛石中度、重度、輕度團(tuán)聚形貌如圖7、圖8及圖9所示，圖10為原始鍍鎳金剛石磨粒形貌。圖7、圖8及圖9中對(duì)金剛石團(tuán)聚的規(guī)定為：在 1mm 金剛石線長度內(nèi)，有1處有5顆及以上金剛石磨粒相連且疊壓，就判為重度團(tuán)聚（圖8的紅圈區(qū)域）；在 1mm 金剛石線長度內(nèi)，有2處及以上有5顆以下2顆及以上金剛石磨粒相連但不疊壓，就判為中度團(tuán)聚（圖7的紅圈區(qū)域）；在 1mm 金剛石線長度內(nèi)，僅1處有不超過2顆金剛石磨粒相連但不疊壓，就判為輕度團(tuán)聚（圖9的紅圈區(qū)域）。線鋸上金剛石的輕度團(tuán)聚形貌一般不影響鋸切質(zhì)量，屬滿足

線鋸基本要求。而圖10中原始鍍鎳的金剛石磨粒沒有團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2螺旋角的影響

取螺旋角為 40^° 、 50^° 、 60^° 、 70^° 、 80^° ，固定螺旋葉片數(shù)等其他預(yù)研參數(shù)，不同螺旋角時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5中可見：螺旋角為 60^° 及以上的數(shù)據(jù)較佳，未發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象或只有輕度團(tuán)聚；而 40^° 、 50^° 時(shí)出現(xiàn)了中度或輕度團(tuán)聚現(xiàn)象，且金剛石磨粒波動(dòng)范圍略大。分析認(rèn)為螺旋角過小時(shí)易產(chǎn)生紊流，產(chǎn)生的螺旋鍍液流圍繞基線旋轉(zhuǎn)的速度過快；而螺旋角過大時(shí)，則產(chǎn)生的螺旋鍍液流旋轉(zhuǎn)效果不明顯。因此，宜選 60^° 螺旋角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3混合液流量的影響

選取混合液流量為4.5、4.6、4.8、5.0和 5.2L/min 固定螺旋葉片數(shù)等其他預(yù)研參數(shù)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 6 由表6中可見：流量為 4.8L/min 時(shí)，金剛石磨粒的分布密度和波動(dòng)范圍均較小，且未發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。而當(dāng)混合液流量減小或增加時(shí)，顆粒的分布密度和波動(dòng)范圍均有不同程度的變大，且均有輕度或中度的團(tuán)聚現(xiàn)象。分析認(rèn)為混合液流量對(duì)金剛石磨粒分布密度影響較大，間接影響了團(tuán)聚現(xiàn)象。考慮混合液流量的波動(dòng)偏差，后續(xù)按 4.8L/min 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.4固持架數(shù)量的影響

根據(jù)玻璃管尺寸，固持架數(shù)量宜取值為12、13、14、15和16件，上下層永磁體按順時(shí)針 60^° 交錯(cuò)布置。固定螺旋葉片數(shù)等其他預(yù)研參數(shù)、改變固持架數(shù)量時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。表7中的固持架數(shù)量取最大數(shù)16件（已達(dá)到組合裝置的容量上限）為好，此時(shí)不存在團(tuán)聚現(xiàn)象，且分布密度和波動(dòng)范圍均最小。這是因?yàn)楣坛旨軘?shù)量越多，電鍍裝置的影響范圍越廣，磁場(chǎng)的作用越明顯，越有利于改善金剛石磨粒分布密度波動(dòng)范圍和團(tuán)聚現(xiàn)象。因此，宜選固持架數(shù)量為16件時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.5永磁體交錯(cuò)放置角的影響

永磁體交錯(cuò)放置時(shí)的上下層永磁體順時(shí)針按 20^° 40^° / 60^° 80^° 、 90^° 的交錯(cuò)角度放置，固定螺旋葉片數(shù)等其他預(yù)研參數(shù)，電鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。從表8中可見：在 60^°～90^° 交錯(cuò)角度放置時(shí)，顆粒均未發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，且其分布密度和波動(dòng)范圍進(jìn)一步減小。分析認(rèn)為，永磁體不同交錯(cuò)角度影響磁場(chǎng)的均衡性，進(jìn)而影響金剛石磨粒分布密度和團(tuán)聚現(xiàn)象，在 60^° 及以上時(shí)可獲得較好的磁場(chǎng)均衡性，后續(xù)按 60^° 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.6磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度的影響

磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度分別為40、45、50、55、60、65和70r/min 時(shí)，固定螺旋葉片數(shù)等其他預(yù)研參數(shù)，其電鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。從表9中可見：磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度 ?40r/min 時(shí)，均可獲得理想的金剛石磨粒分布密度。分析認(rèn)為是速度達(dá)到一個(gè)限值時(shí)即可確保鍍液中金剛石磨粒穩(wěn)

定地圍繞基線旋轉(zhuǎn)；而在 55～70r/min 的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，數(shù)據(jù)滿足線鋸基本要求，且顆粒只輕度團(tuán)聚或無團(tuán)聚現(xiàn)象。但考慮到較高磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度對(duì)機(jī)械使用壽命、振動(dòng)等因素的影響，后續(xù)按 60r/min 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.7永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

永磁體對(duì)比電磁鐵，其結(jié)構(gòu)更簡單，不需要復(fù)雜的電路來控制磁場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率，且易于維護(hù)[25]。永磁體[22]選擇代號(hào)為N40M、N38M、N35M、N33H和N30VH的產(chǎn)品，其磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.562、0.549、0.527、0.509和0.482T，因此可用永磁體代號(hào)表示其磁場(chǎng)強(qiáng)度。固定螺旋葉片數(shù)等其他參數(shù)，不同永磁體時(shí)的電鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。從表10中可見，N40M、N38M、N35M時(shí)的數(shù)據(jù)滿足線鋸基本要求。分析認(rèn)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，越有利于鍍液流圍繞基線旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而收窄金剛石磨粒分布密度范圍?？紤]到永磁體價(jià)格等，優(yōu)先選擇N38M永磁體。

將上述系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合起來，獲得組合裝置運(yùn)行的最佳工藝參數(shù)，見表11。在最佳工藝參數(shù)下電鍍線鋸，能生產(chǎn)出滿足半導(dǎo)體芯片鋸切領(lǐng)域使用要求的線鋸產(chǎn)品。

2.8 線鋸形貌分析

圖11是設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置在表11條件下制作的線鋸的表面形貌。從表11、圖11中可知：金剛石磨粒均勻分布于基線表面，無疊壓團(tuán)聚現(xiàn)象，且磨粒分布密度基本均勻，為15＼～25顆 /mm ，金剛石磨粒波動(dòng)范圍控制在11顆 /mm 。圖12為國內(nèi)某公司的線鋸表面形貌，可見有明顯的團(tuán)聚形貌（圖中紅色圓圈位置），計(jì)算的磨粒分布密度為14＼～36顆 /mm ，波動(dòng)范圍為23顆 /mm 由此可見，圖11的新線鋸具有更窄的磨粒分布密度。

圖11新裝置下制作的線鋸表面形貌Fig.11 Surface appearance of wire saw madeundernewdevice

圖13是新線鋸開刃斷裂后的端口形貌。從圖13中可以看出：新線鋸端口附近磨粒無疊壓團(tuán)聚現(xiàn)象，且線鋸鍍鎳層與基線無明顯分層現(xiàn)象。圖14是國內(nèi)某公司的線鋸開刃斷裂后的端口形貌。從圖14中可以看出：端口附近眾多金剛石磨粒團(tuán)聚在一起，且有金剛石磨粒刮落的痕跡（紅色圓圈位置）。一般在電鍍過程中，金剛石磨粒的沉降效應(yīng)易導(dǎo)致其在鍍液中的濃度一致性波動(dòng)較大，進(jìn)而使鍍覆鎳層中的金剛石磨粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象[13]。而新線鋸減少了磨粒的疊壓團(tuán)聚現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置制作的新線鋸與其他線鋸產(chǎn)品的表面形貌及開刃破斷的端口形貌數(shù)據(jù)對(duì)比見表12。從表12中可知：用研究的組合裝置制作線鋸，基本消除了金剛石磨粒的疊壓團(tuán)聚現(xiàn)象，且磨粒波動(dòng)范圍從23顆 /mm 減少至11顆 /mm ，基本未發(fā)現(xiàn)鍍層與基線的分層現(xiàn)象。因此，用新線鋸切割硅片，硅片表面平整，可減少后續(xù)磨片等的加工量，滿足半導(dǎo)體芯片行業(yè)等對(duì)金剛石線鋸切割的技術(shù)要求。

綜合圖11、圖13和表12的分析結(jié)果，可知新裝置產(chǎn)生的螺旋鍍液流使鍍液中的金剛石磨粒分布更均勻；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使金剛石磨粒按磁力線圍繞基線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)減緩金剛石磨粒沉降速度，提高其在鍍液中的分布均勻性；同時(shí)，還可通過調(diào)整永磁體的排列、尺寸和旋轉(zhuǎn)速度等來優(yōu)化磁場(chǎng)分布。兩者的組合作用為消除磨粒團(tuán)聚并降低磨粒分布密度波動(dòng)發(fā)揮了重要作用。

2.9 具體硅棒切片實(shí)驗(yàn)

用新裝置制作的新線鋸，按1.7節(jié)條件進(jìn)行直徑為 50.6mm 單晶硅棒的切片實(shí)驗(yàn)。在硅片進(jìn)給方向的表面粗糙度平均值測(cè)試結(jié)果見表13。從表13中可知：利用研究的組合裝置制作的新線鋸切割硅片后，硅片進(jìn)給方向的平均粗糙度 R_a 為 0.583μm ，明顯低于文獻(xiàn)[4]中硅片A的 0.910μm 和硅片B的 0.812μm ，且分別降低 35.9% 和 28.2% ，明顯提升了硅片表面的平整度，硅片的表面質(zhì)量更好。分析認(rèn)為可能的原因是文獻(xiàn)[4]中所用的線鋸，其金剛石磨粒分布密度達(dá)42顆 /mm ，且顆粒有重度團(tuán)聚現(xiàn)象；而新裝置制作的線鋸金剛石磨粒分布密度和波動(dòng)范圍都更小，也沒有團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而提高了切片質(zhì)量。

圖15是利用掃描電子顯微鏡觀察新線鋸切割后的硅片表面形貌。從圖15中可知：硅片進(jìn)給方向主要有殘留的凹坑缺陷，而走絲方向則主要為殘留的劃痕缺陷。這說明新制作的線鋸適合切割表面質(zhì)量與精度要求高的硅片等，也適合高速切割，與文獻(xiàn)[26]報(bào)道的高速線鋸切割有利于降低工件鋸切面的粗糙度結(jié)果一致。

3結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的螺旋鍍液流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組合裝置，使鍍液流模式有利于混合液中的金剛石磨粒分布均勻，并使其按磁力線有序排列且圍繞基線旋轉(zhuǎn)，可基本消除線鋸表面團(tuán)聚缺陷，提高金剛石磨粒分布密度均勻性，其金剛石磨粒波動(dòng)范圍可控制在11顆 /mm 以內(nèi)。

（2）結(jié)合螺旋鍍液流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組合裝置，得出電鍍金剛石線鋸的最佳工藝參數(shù)是：螺旋葉片數(shù)為5片，螺旋角為 60^° ，混合液流量為 4.8L/min ，固持架數(shù)量為16件，永磁體交錯(cuò)放置角為 60^° ，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度為60r/min ，永磁體及其磁場(chǎng)特性代號(hào)為 N38M_☉

（3）在最佳工藝參數(shù)下采用新裝置制備新線鋸，并用其鋸切硅片，硅片在進(jìn)給方向的平均粗糙度 R_a 值為 0.583μm ，比文獻(xiàn)報(bào)道的分別降低了 35.9% 和 28.2% 因而可減少后續(xù)磨片工序的工作量。

鳴謝：感謝泉州聯(lián)合新材料有限公司在實(shí)驗(yàn)和新裝置使用過程的積極配合和支持。

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作者簡介

黃煒，男，1971年生，高級(jí)工程師。主要研究方向：自動(dòng)化控制及科技信息研究。

E-mail： 13575500509@163.com

通信作者：孫昱蒙，女，1986年生，工程師。主要研究方向：機(jī)械測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)化。

E-mail： sunyumeng@qq.com

余錫孟，男，1981年生，博士、高級(jí)工程師。主要研究方向：金屬材料加工設(shè)計(jì)測(cè)試。

E-mail： xmyu@zju.edu.cn

（編輯：周萬里）

Design and analysis of spiral plating solution flow and rotating magnetic field deviceforelectroplateddiamondwiresaw

HUANG Wei1'3， HE Yanming2， XU Jinbao1， SONG Zhenya4， HUANG Xiang5SUN Yumeng5， YU Ximeng5

（1.Zhejiang Lingzhou Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Shaoxing 3120o0， Zhejiang， China）

（2.College ofMechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310o23，China）

（3. Shaoxing Scienceand Technology Information Research Institute，Shaoxing 312o00，Zhejiang，China） （4. Shaoxing Tianlong Tin Materials Co.，Ltd.， Shaoxing 312001， Zhejiang， China ）

（5. Shaoxing Testing Institute of Quality and Technical Supervision， Shaoxing 312366，Zhejiang， China）

AbstractObjectives： Inresponse to the defects of diamond abrasive particle aggregation and large density fluctuations onthe surface of traditional electroplated diamond wire saws，an innovative design of acombination device of spiral bath flowand rotating magnetic field is proposed tobreak through the technicalbotlenecks of existing electroplating processes in terms of coating uniformity，orderly arrangement of diamonds and tool life.The research focuses on solving three core problems： （1）the structural design of the spiral bath flow electroplating deviceand theoptimization offlow rate and spiral speedof the spiral bath flow; （2）the structural design of the rotating magnetic field device and the optimization of rotation speedand magnetic field strength; （3）the optimal processparameters for electroplating diamond wire saws in the new composite field electroplating device，and the production of wire saws for silicon wafer cutting experiments.Methods： The electroplating mixture spirals in the same direction around thebaseline，which can imof the mixed solution stirring.Based on this，the spiral bath flow electroplating deviceis designed.Then therotating magnetic field deviceis designed by experiment，and a suitable alternating magnetic field is applied to the plating solution，which is beneficial to improve the depositionrateandtheconsolidation strength ofthe diamond particles with the baseline.The spiral bath flowelectroplating deviceandtherotating magneticfield device together form the electroplatingcombination device.Through the data accumulationofcontinuous experiments and production practice，the basic parameters such as permanent magnet material， magnet size，inner wallsize of the glasstube，baseline travel sped，and botom diameterofthe spiralblade in thecombined device are determined.Theoptimaltechnological parameters of the electroplated diamond wire saw for the combined device are obtained by the single-factor experiment method，and the wire saw is made.The surface morphologies of electroplated diamond wire saws prepared under different processes are observed by scaning electron microscope，and the monocrystaline silicon is sliced by an ultra-high speed multi-wire cutting machine.The surface roughness ofthe silicon wafer in the feed direction is measured bya surface roughness tester.Results： The mixed liquidofthe spiral bathflowelectroplating device entersthe glass tube fromthe spiral blades ofthespiral guide inner core，rotates spirallyupward around the baseline in the glass tubeunder the action ofthe spiral blades，and flows out from the outlet of the mixed solution in the glasstube.Four symmetrical grooves are set on the inner wallof the glasstube for placing nickel anodes toavoid hindering theflowofthe spiral liquid.The baseline enters from the hollow centerof the spiral guide core and passs upward through the electroplating device，and the baseline is not in direct contact with the spiral guide inner core. According to the inner diameter value of the glass tube d=56mm the minimum flow rate of the mixed liquid calculated is Q=4.43L/min . The inner core material of the spiral guide is TA2 titanium alloy， the bottom diameter of the spiral blade is 12mm ， the helix angle is 60^° ，the thickness is 2mm ，and the outer diameter and the height are consistent with d The rotating magnetic field device is composed of NdFeB alloy cylinders and a fixed holder，etc.， which rotates precisely around the center line of the spiral bath flow electroplating device at the appropriate rotation speed.The basic parameters of the combined device are： the magnet size is φ20mm× （204號(hào) 30mm ，the inner wall diameter × length of the glass tube is φ56mm×850mm ，the baseline travel speed is less than or equal to 20m/min ， the bottom diameter of the spiral blade is 5mm ，the blade thickness is 2mm ，and the concentration of diamond abrasive is 1.55g/L . The optimal process parameters for electroplating diamond wire saws in the combination device， determined by single-factor experiment are： the spiral blade number is 5， the spiral angle is 60^° ，the mixed liquid flow rate is 4.80L/min ，the fixed holder number is 12， the staggered arrangement angle of the permanent magnets is 60^° ，the magnetic field rotation speed is 60r/min ， and the magnetic field strength of the N38M permanent magnet is 0.549T The electroplating line produced under the optimal process parameters shows that the diamond particles are evenly distributedon the baseline surface without anystacking or agglomeration phenomenon，and the particle distribution density is basically uniform. The number of diamond particles is 15 to 25 particles /mm ，and the fluctuation range of diamond particle numbers is controled within 1l particles/mm. Using this wire saw to slicea single crystal silicon rod with φ50.6mm ， the surface roughness R_a value of the silicon wafer in the feed direction is 0.583μm ，which is 35.9% and 28.2% lower than the literature values，respectively. Conclusions： The combined device of spiral bath flow and rotating magnetic field is designed to makethe diamond abrasive particles inthe mixed liquid evenly distributed in the bathflow mode，and orderly arranged according to the magnetic field line and rotated around the baseline.This can basicall eliminate the diamond agglomeration defecton the surface ofthe wire sawand improve the uniformityofthe distributiondensityof diamond particles.The average surface roughnessof the silicon wafer in the feed direction is lower， so the workload of the subsequent grinding process can be reduced.

Key wordselectroplated diamond wiresaw;abrasiveaggregation; particle distribution density;spiral plating solution flow; rotating magnetic field