电镀金刚石线锯制造及切割技术研究

电镀金刚石线锯制造基于复合电镀法制造的固结磨料金刚石线锯要求镀层与基体的结合强度要高，线锯表面磨粒分布均匀并且把持强度要高，而且在满足切割要求的前提下尽可能提高线锯生产效率。

为解决电沉积速率低导致线锯生产效率低这个缺点，可采用毯刷辅助电镀的超高速电镀工艺制造电镀金刚石线锯。这种工艺采用氨基磺酸镍镀液，把金刚石微粉投入镀液中，镀液在磁力搅拌器的不停搅拌下成为含有一定浓度磨粒的悬浊液，同时在镀槽中安装旋转毯刷，夹包住表面已镀铜的琴钢丝并在其上摩擦以便施镀。这种方法生产线锯速度比常规生产法快30倍，且耐磨性也很好。

电镀金刚石绞合线锯可进一步提高其切割效率并延长线锯的使用寿命。基体采用线径0. 1mm钢琴线绞合后，再采用氨基磺酸镍镀液电镀平均磨粒直径为30Y40！m金刚石微粉，做成金刚石线锯，如所示。这种线锯由于存在容屑槽，促进了切削液的流入，改善了排屑性能，抑制磨削热的产生，切削效率提高，目前，在单晶材料切割中主要采用游离磨料线锯切割技术，即边切割边向琴钢丝供应带有磨料的浆液的游离磨料切割方式。但是：该工艺存在的主要问题是锯口损耗大，易造成硅片表层较深的损伤层，且表面粗糙度和面形精度难以控制；磨浆消耗大，作业环境恶劣；因使用游离磨粒钢丝移动速度难于提高，切割效率的改善受到限制。

为了解决上述问题，电镀金刚石线锯切割技术正逐渐发展起来。将高硬度、高耐磨性的金刚石微粉用复合电镀的方法固结在钢丝基体上而制成的电镀金刚石线锯，具有耐热性和耐磨性高，切缝窄，切割面形精度好等优点。电镀金刚石线锯切割技术应用于工业上硅片切割具有良好的发展前景，也适用于切割宝石、玛瑙、陶瓷、水晶等贵重硬脆材料。

本文介绍了几种电镀金刚石线锯的制造方法，介绍了往复式和环形两种线锯切割技术的原理。不考虑锯丝的横向振动，把磨粒看成圆锥体，建立锯切几何模型，从理论上分析了线锯表面不同角度处金刚石磨粒的平均切削深度，为获得高质量的切片提供了理论依据。

"国家自然科学基金资助项目（No.50475132），山东省自然科学基金资助项目（（No.Y2006F16）压在硅晶体表面实现锯切。这种锯切方法在锯切过程中无惯性力，切割速度达20m/s，可提高锯切效率。

切片表面质量bookmark3电镀绞合金石线据示意图w泪滴状线锯可用来减小锯口损失示，该泪滴状的线锯具有两个较大的侧面。该线锯的制造工艺为：侧面压平一%杠拔成型％电镀金刚石。与该线锯相配合的导轮轴向截面中心角为9.左右，可使得该线锯具有高的稳定性。一般来说，直径为％！'的线锯锯切片过程中的锯口损失可达300！m……将锯丝缠绕在两个线轮轴上，锯切过程中两个线轴分别完成放线和收线的任务。当锯丝向某方向走丝结束后，在控制系统的作用下可实现逆向走丝，同时两线轴角色转换。锯丝通过一定的缠绕方式形成相互平行的网状加工部分，配以张紧轮使锯丝张紧。锯切过程中，锯丝往复运转，单晶硅垂直于锯丝进给，可以实现同时多片切割。此切割方法的缺点在于锯丝由于往复运转，所以线速不高，一般在5*15m/s.单晶硅属于硬脆材料，机械加工时材料的去除主要是以脆性断裂方式进行。压痕断裂力学认为脆性模式下材料的去除依靠于横向裂纹的扩展，磨粒压入深度越小，裂纹到工件表面的距离就越小，产生的切屑厚度也越小，工件的表面质量也越好。因此要研究锯切中各工艺参数对切片表面质量的影响规律就需要研究各工艺参数对锯丝表面金刚石磨粒的平均切削深度的影响规律。

磨粒模型bookmark5金刚石磨粒具有锋利的切削刃，多为负前角切削，探讨单位体积内磨粒的数量时，将磨粒近似为一个球体；探讨磨粒的切削深度时，把磨粒视为圆锥体（如），并且垂直于锯丝表面。理想的锯丝是把磨粒粒径的2/3嵌埋在锯丝表面镀层中，磨粒露出的部分进行切削。本文认为锯切时磨粒压入单晶硅的深度为！，相应形成切痕宽度为2K如）。

2线锯表面单位面积有效磨粒数bookmark6用于制作电镀金刚石线锯的金刚石微粉每个粒度号中磨粒的尺寸是一个范围值，*大和*小尺寸的磨粒是很少的，平均尺寸左右的磨粒是*多的，磨粒尺寸的分布符合正态分布。磨粒的平均尺寸允为超硬材料电镀制品的镀层中磨料所占体积比％一般为506左右，磨粒在线锯表面符合统计分布，将磨粒均近似为直径为m大小的球体，线锯表面镀层单位体积内的磨粒数为环形线锯切片技术是把电镀金刚石锯丝接成环形，环绕在几个线轮上，通过电动机带动线轮实现循环切割。硅棒垂直于锯丝进给，环形锯丝通过张紧装置单位面积的磨粒数为线锯表面磨粒的突出高度分布符合正态分布，假设线锯表面发生切削作用的*小磨粒尺寸为7Utmin，如果其他磨粒的尺寸小于deU9mm，磨粒与工件就只发生划擦、接触甚至不接触，而不会发生切削作用。单位面积参加切削的磨粒数量为因此，选用尺寸小、尺寸分布范围小的微粉，可以提高单位面积内的有效磨粒数。

磨粒的平均切削深度bookmark7理想的锯切过程如a所示。但由于锯丝是个柔性体，在锯切中易于弹性变形，锯丝会产生一个偏角，如b所示。

过程，假设锯切过程中锯丝偏角恒定，不考虑锯丝横向振动，建立了如所示的锯切几何模型。建立坐标轴如下：过锯丝中心与工件的进给相反方向为'轴，过锯丝中心与锯丝运动相同的方向为（轴，垂直于'、（轴且过锯丝中心的方向为）轴。锯丝的速度为*"，工件的进给速度为*+.在平面内角处取一微段d"，则d"参加锯切的锯丝工作段的长度）。在微面积d-.内参加切削的磨粒数量为d！0'！*d-（！为单位面积内的动态有效磨粒数）。

阁6线锯锯切哈晶硅几何模撖锯切时，单位时间内单晶a被切除的体积应该等于锯丝所锯切的体积，则"LRd为微面积内的有效动态磨刃数；"LRd*V+sin为单位时间内切除的单晶a体积。

根据本文假设的金刚石磨粒模型有工艺参数对切片表面质量的影响规律由式（6）可以看出，磨粒的平均切削深度与锯丝速度、硅棒进给速度、锯丝表面磨粒分布和磨粒锋利程度有关，而且锯丝周向不同位置磨粒的切削深度不同。

采用高的锯丝速度，低的进给速度，可以获得小的磨粒切削深度，得到较好的切片表面质量。有效动态磨粒数！是一个变化值，与磨粒分布密度、磨粒出刃高度、锯丝速度、工件进给速度和线锯的弹性变形有关，难以具体确定。但选用尺寸小、尺寸分布范围小的微粉制作线锯，可以提高单位面积内的有效动态磨粒数，减小单颗磨粒的切削厚度从而提高加工表面质量。

锯丝速度并不是越高越好。实际加工中当锯丝的速度过高时会产生横向振动，增大切缝宽度并降低切片质量。可以适当提高锯丝的张紧力来降低锯丝的横向振动。锯丝速度与进给速度是一个协调匹配的关系，相对于线速如果进给速度过大则线锯在切割中的偏角渐变大，锯丝弯曲严重，缩短锯丝寿命甚至断丝；相对于线速如果进给速度太慢，在同一切割区域被线锯反复锯切多次，切缝就会变宽，切片表面质量也会降低。锯丝速度与进给速度的匹配关系需要根据锯切实验进行进一步的研究。

电镀金刚石线锯切割技术是一项**发展潜力的硅片切割技术，高性能的电镀金刚石线锯的制造将成为此项切割技术应用和发展的关键。

理论分析发现，选用表面磨粒突出分布范围小的锯丝，在一定变化范围内，采用高的锯丝速度和低的进给速度，可获得好的切片表面质量。锯丝速度与进给速度的合理匹配需要根据锯切实验进行进一步研究。