专利名称：具有绞合芯线的金刚石线锯及其制造方法
技术领域：
本发明设计一种金属或非金属切割装置，尤其是涉及一种切割硬质材料用的具有绞合芯线的金刚石线锯。
背景技术：
半导体元件基底通常是对硅片、蓝宝石、砷化镓、碳化硅等脆而硬的材料通过有效切割加工形成。一般可采用表面固定着金刚石磨粒的金刚石线锯。这种金刚石线锯与传统的使用悬浊液的游离磨粒方式相比，被切割材料的损耗较少，切割效率有了明显的提高。并且切割冷却液可以由水性溶液组成，更加绿色环保。因此金刚石线锯作为新一代切割工具受到人们的重视。在切割过程中，为了使金刚石磨料层充分利用，一般需要金刚石线锯来回走线，即金刚石线锯的磨料层实际上是多次使用的，使用次数在数百次以上。其存在的缺点是金刚石线锯在使用过程中受到一定的张力作用，张力越大，切割速度越快，且使用时线锯会发生弯曲，随着加工次数的增加，金刚石线锯极易因弯曲疲劳或切割时的应力冲击而断裂，所以现有金刚石线锯经常在表面磨料层尚可使用时断线，可靠性差。切割时断线不但影响生产效率，还会严重影响切割产品的表面质量，比如切割硅片时常因线锯断线而整批报废。此外，在金刚石磨料层被磨损、脱落之后，磨损后的金刚石线锯就成为了废品，无法再利用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有绞合芯线的金刚石线锯，包括芯线，所述芯线包括至少两股金属丝，所述至少两股金属丝相互绞合；缓冲层，所述缓冲金属紧密包覆所述芯线；磨料层，所述磨料层包覆所述缓冲层，且所述磨料层中分散镶嵌有金刚石磨粒。在本发明的一个实施例中，所述缓冲层为软质铜层。铜是一种常见有色金属，其延展性良好，容易加工包覆在钢线上，且廉价易得。在本发明的一个实施例中，所述软质铜层的厚度为1-50 μ m。在本发明的一个实施例中，所述磨料层包括镍或镍合金层，所述镍或镍合金层通过电镀的方式形成在所述缓冲层上，所述金刚石磨粒分散镶嵌在所述镍或镍合金层中。镍或镍合金在本发明中作为电镀材料，将金刚石磨粒固定地附着在线锯表面。在本发明的一个实施例中，所述镍或镍合金层的厚度为5-20 μ m。在本发明的一个实施例中，所述绞合芯线的外径为50-500 μ m。绞合芯线的外径不得小于50微米或大于500微米，太细则强度不够易断裂，太粗则增大切割材料损失量。在本发明的一个实施例中，所述金属丝直径为5-250 μ m。在本发明的一个实施例中，所述两股或两股以上的金属丝以规则绞合方式相互绞合。规则绞合的方式可以保证具有绞合芯线的金刚石线锯在不同位置相对均勻，从而在切割时能均勻稳定地工作。优选地有，绞合芯线由三股或七股金属丝绞合组成绞合芯线为佳。
本发明的另一方面提出了一种制备具有绞合芯线的金刚石线锯的方法，其特征在于，包括以下步骤通过绞线机将所述两股以上的金属丝绞合成所述绞合芯线；随后通过电镀方法在所述绞合芯线表面镀上所述缓冲层；最后通过电镀方法在所述缓冲层外镀上所述磨料层。根据本发明实施例的具有绞合芯线的金刚石线锯，具有下列优点1、芯线由两股或两股以上的金属丝绞合而成，具有更好的可靠性，切割过程中不易断裂，即使组成芯线的多股金属丝中有部分断裂，剩下的金属丝仍可维持整个金刚石线锯继续使用。2、由于多股金属丝绞合结构可以形成容屑空间，在锯切过程中锯屑很容易被带出切割界面，不易形成锯屑堵塞，一方面能使金刚石磨料层长期保持锋利，增加金刚石线锯的寿命和重复使用次数，另一方面由于锯屑被带出切割界面，切割界面处金刚石颗粒与被切材料间直接接触的几率大大增加，可以明显增加切割的速率。3、缓冲层的存在，尤其是软质缓冲层的存在，可以改善金刚石线锯的韧性，减缓因磨料层中金刚石颗粒与被切材料间的高速冲击产生的巨大冲击应力，在很大程度上避免了芯线断裂，大大改善了金刚石线锯的可靠性。4、由于缓冲层包覆绞合芯线，使得组成绞合芯线的多根单金属丝能够紧密地束在一起，即使中有部分单金属丝松释或者断裂，也仍被缓冲层包覆在内，不会散乱或者形成毛刺，尤其是在金刚石线锯多次重复使用之后，表层磨料层磨损严重，此时如果绞合芯线表面仅有磨料层，芯线就很容易发生断裂，而且断裂的单金属丝易散乱并形成毛刺。如果绞合芯线散乱或形成毛刺，则会严重恶化被切割的表面质量，比如形成较深的刀痕、裂纹、甚至碎片，这在切割超薄片比如超薄硅片时会形成大量的不良品。通过缓冲层包覆绞合芯线，能够有效地改善这一问题。5、缓冲层的存在有利于金刚石线锯的回收再利用。金刚石线锯的芯线一般为钢丝，磨料层一般为镍金属或镍合金与金刚石共镀。当金刚石线锯表面磨料层磨损之后，如果有耐酸的缓冲层存在，比如金属铜缓冲层，则可以通过酸洗去除残余磨料层，比如盐酸清洗去除镍基磨料层，却不会腐蚀金属铜缓冲层，酸洗后再重新电镀磨料层，就可以获得全新的金刚石线锯。如果没有缓冲层，酸洗去除表面镍基磨料层时则会同时腐蚀里面的钢丝，如果不酸洗直接重新电镀磨料层，由于残余磨料层厚度是不均勻的，重新电镀后得到的金刚石线锯直径也是不均勻的。6、缓冲层可以改善表面磨料层与金属芯线的结合强度。当芯线为钢丝、磨料层为镍基材料时，电镀镍与钢丝之间的结合强度往往较差，而电镀铜与钢丝、电镀铜与镍之间可以获得很高的结合强度，因此采用铜作为缓冲层，可以有效改善镍基磨料层与钢丝芯线之间的结合强度，从而改善金刚石线锯的使用寿命。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中
图Ia与图Ib分别是两股金属丝绞合形成的具有绞合芯线的金刚石线锯的横截面示意图与侧面示意图；图加与图2b分别是三股金属丝绞合形成的具有绞合芯线的金刚石线锯的横截面示意图与侧面示意图；图3a与图北分别是七股金属丝绞合形成的具有绞合芯线的金刚石线锯的横截面示意图与侧面示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。在本发明的一个实施例中，具有绞合芯线的金刚石线锯1的芯线由两股金属丝互相绞合而成，每根单线直径为150μπι，绞合时捻距为1.5mm。随后包覆缓冲层，缓冲层优选金属Cu，Cu材料平均厚度为25 μ m,最外层电镀上磨料层，磨料层优选M基材料并镶嵌金刚石颗粒，其中Ni材料平均厚度为8 μ m,金刚石磨粒的平均粒度为10 μ m,金刚石磨粒占磨料层质量百分比为10%。图Ia是具有绞合芯线的金刚石线锯1的横截面示意图，图Ib是具有绞合芯线的金刚石线锯1的侧面示意图。金刚石线锯由绞合芯线100、缓冲层110、Ni基层120和磨粒 130组成。其中绞合芯线100包括两根金属丝，磨粒为金刚石。在本发明的另一个实施例中，具有绞合芯线的金刚石线锯2的芯线由三股钢线互相绞合而成，每根单线直径为120μπι，绞合时捻距为1.5mm。随后包覆缓冲层，缓冲层优选金属Cu，Cu材料平均厚度为25 μ m,最外层电镀上磨料层，磨料层优选M基材料并镶嵌金刚石颗粒，其中Ni材料平均厚度为8 μ m,金刚石磨粒平均粒度为10 μ m,金刚石磨粒占磨料层质量百分比为10%。图加是具有绞合芯线的金刚石线锯2的横截面示意图，图2b是具有绞合芯线的金刚石线锯2的侧面示意图。金刚石线锯由芯线200、缓冲层210、Ni基层220和磨粒230 组成。其中绞合芯线200包括三根金属丝，磨粒为金刚石。在本发明的另一个实施例中，具有绞合芯线的金刚石线锯3的芯线由七股钢线绞合而成，其中一根钢线作为中心线，其余六根钢线围绕该中心线拧转。每根单线直径为 80 μ m,绞合时外围六根钢线的捻距为1. 5mm,缓冲层的Cu材料平均厚度为25 μ m,最外层磨料层的m材料平均厚度为8 μ m,金刚石磨粒平均粒度为10 μ m,金刚石磨粒占磨料层质量百分比为10%。图3a是具有绞合芯线的金刚石线锯3的横截面示意图，图北是具有绞合芯线的金刚石线锯3的侧面示意图。金刚石线锯由芯线300、缓冲层310、Ni基层320和磨粒330 组成。其中绞合芯线300包括七根金属丝，磨粒为金刚石。对上述实施例提到的具有绞合芯线的金刚石线锯1、具有绞合芯线的金刚石线锯 2、具有绞合芯线的金刚石线锯3和普通金刚石线锯0进行切割测试，普通金刚石线锯为单根钢线为芯线，芯线直径335 μ m,无缓冲层，表面磨料层为M基镶嵌金刚石颗粒，M材料平均厚度为8 μ m,金刚石磨粒平均粒度为10 μ m,金刚石磨粒占磨料层质量百分比为10 %。具有绞合芯线的金刚石线锯1、金刚石线锯2、金刚石线锯3、和普通金刚石线锯0的外径约为 300-350 μ m,相差不大，其中普通金刚石线锯0的外径最粗，为350 μ m。测试条件为被切割材料为多晶硅方锭，往复式切割，线张力100N，每种线锯均统计100次切割的数据。在相同的切割条件下，具有绞合芯线的金刚石线锯1的断线率为5%，金刚石线锯2的断线率为 2%，金刚石线锯3的断线率为1 %，而普通金刚石线锯0的断线率为17%。可以看出，具有绞合芯线的金刚石线锯与普通单线芯线金刚石线锯相比，断线率有明显降低，表明本发明可以大幅度改善金刚石线锯的可靠性。本发明的另一方面还提出了一种制备具有绞合芯线的金刚石线锯的方法，其特征在于，包括以下步骤通过绞线机将所述两股以上的金属丝绞合成所述绞合芯线；随后通过电镀方法在所述绞合芯线表面镀上所述缓冲层；最后通过电镀方法在所述缓冲层外镀上所述磨料层。在本发明的一个实施例中，使用捻丝机，让两股或两股以上钢丝按一定方向旋转卷绕，便可捻合出绞合芯线，捻绞过程中注意谨防钢丝产生明显的扭曲应力。在本发明的一个实施例中，电镀缓冲层时，采用环保的无氰镀铜方法，具体方法可是无氰常温快速一步镀铜，也可以是经过两步法镀铜，即先用焦磷盐、柠檬酸盐进行预镀， 然后用硫酸盐进行镀铜。在本发明的一个实施例中，电镀磨粒层时，采用氨基磺酸镍镀液，电流密度为 2-2. 5A/dm3，温度为55-60°C，pH值为3. 5_4，可以获得金刚石微粒含量为8-12%的优质复合镀层。在本发明的另一个实施例中，采用瓦特型电镀液，即采用含硫酸镍、氯化镍、硼酸的电镀液，PH值为4. 3，同样可获得金刚石微粒含量为10%的优质复合镀层。另外，根据本发明的一些实施例，在电镀缓冲层之前可以对绞合芯线酸洗，以便清除所述绞合芯线表面的氧化层。由此，有利于提高缓冲层与绞合芯线之间的结合强度。所述酸洗之前还可以对绞合芯线表面去脂，通过含有碱性水溶液或有机溶剂去脂，以便清除所述绞合芯线表面的油脂。由此，可以进一步提高缓冲层与绞合芯线之间的结合强度。此外，在电镀磨料层之后还可以对金刚石线锯进行进行清洗，通过水溶液清除所述磨料层表面所残余的电镀液。由此，通过及时除去所制备的金刚石线锯表面的电镀液，有利于金刚石线锯的运输、使用等。需要说明的是，制备具有绞合芯线的金刚石线锯的方法之中，并不对具体绞合工艺、电镀工艺做出限定。因此本领域技术人员可基于此思想对上述制备方法进行等同的修改或变化以达到制备具有绞合芯线的金刚石线锯的目的，这些均应包含在本发明的保护之内。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，包括绞合芯线，所述绞合芯线包括至少两股金属丝，所述至少两股金属丝相互绞合；缓冲层，所述缓冲层紧密包覆所述绞合芯线；磨料层，所述磨料层包覆所述缓冲层，且所述磨料层中分散镶嵌有金刚石磨粒。
2.如权利要求1所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，所述缓冲层为软质铜层。
3.如权利要求2所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，所述软质铜层的厚度为 1-50 μ m。
4.如权利要求1所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，所述磨料层包括镍或镍合金层，所述镍或镍合金层通过电镀的方式形成在所述缓冲层上，所述金刚石磨粒分散镶嵌在所述镍或镍合金层中。
5.如权利要求4所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，所述镍或镍合金层的厚度为5-20 μ m。
6.如权利要求1所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于，所述绞合芯线的外径为 50-500 μ m。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于所述金属丝直径为5-250 μ m。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于所述至少两股金属丝以规则绞合方式相互绞合。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的具有绞合芯线的金刚石线锯，其特征在于所述金属丝为钢丝。
10.一种制备具有绞合芯线的金刚石线锯的方法，其特征在于，包括通过绞线机将所述两股以上的金属丝绞合成所述绞合芯线；随后通过电镀方法在所述绞合芯线表面镀上所述缓冲层；最后通过电镀方法在所述缓冲层外镀上所述磨料层。
全文摘要
本发明提出一种具有绞合芯线的金刚石线锯，包括多股金属丝组成的绞合芯线、缓冲层以及带有金刚石磨粒的磨料层。本发明提出的具有绞合芯线的金刚石线锯具有可靠性好，切割速度快，不易断裂，使用寿命长，易于回收利用等优点。
文档编号B23D65/00GK102489781SQ201110362318
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者李园 申请人:李园