在镍亚层之间具有氧化镍界面的固定磨料锯线的制作方法
【专利说明】
[0001] 说明书
技术领域
[0002] 本发明涉及可用于切割硬而脆的材料的固定磨料锯线，其中该锯线具有通过电解 置放的镍层而附着于金属基材线的磨料颗粒。
【背景技术】
[0003] 用于切割硬而脆的材料例如蓝宝石、硅、石英、碳化硅、砷化镓、磁性材料或其它昂 贵的材料的主要技术一直是使用内径锯条。在这样的锯中将待切割的物品引入旋转的拉紧 的锯条的中心孔中。用金刚石镍复合材料涂覆该锯条的内缘。该技术具有在锯口损失（由 于切割宽度造成的材料损失）和生产率（因为它关注系列操作）方面的缺点。
[0004] 破坏性技术随着多回路单一线锯（通常以错误的名称"多线锯"已知）的发展而 涌现。在这样的"多线锯"中，在一组彼此平行布置的在回路中的两个或更多个沟槽绞盘上 方引导非常细的钢线，由此形成线网。可通过使用磨料浆料（通常为悬浮于粘性介质例如 聚乙二醇中的碳化硅，松散磨料锯）或通过磨料附着到线本身（固定磨料锯）来获得锯作 用。通过绞盘以往复模式或单一方向移动来驱动该线。多线锯允许非常薄的锯口（小于 150 μ m)和单个锭的平行加工（有时加工成单位载荷1000个以上的晶片），导致增加的生 产率和材料成本的大节省。
[0005] 虽然磨料浆料的使用现在广泛用于将太阳能电池工业或半导体工业中使用的硅 晶片切片，但是它确实带来浆料管理方面的一些相关缺点，导致增加的环境成本（必须以 受控的方式抛弃浆料）、工艺控制成本（由于浆料载有来自钢线的硅和铁，必须时常对其进 行更新）和消耗品成本（工艺中磨损的磨料和线）。
[0006] 其中将磨料固定于基材线的"固定磨料锯线"的使用具有较小程度的这些缺点，仅 在于必须使用冷却剂来冲走切掉的肩。该冷却剂主要包含已经被切割的材料，该材料因此 可容易得到再循环。然而，对于线本身的要求更加严厉：
[0007] -磨料颗粒必须良好附着于基材线，因为当磨料在锯作用中损失时该作用减小；
[0008] 一就尺寸、形状、硬度和锐度而言，磨料颗粒的选择是重要的；
[0009] 一该线不仅必须强得足以保持切割张力（通常约25N)而且在它进入工件中时必 须动态地良好运行比松散磨料锯多约百倍。
[0010] 已经开发了将磨料颗粒附着于基材线的不同方法，其中最突出的方法是通过粘 结金属或焊接金属、通过树脂、通过机械压痕或通过纳入电解金属保持层中来将磨料附 着。尽管获胜的技术还不清楚，但是后一种方法必定是良好的候选者。将磨料保持在提供 良好的磨料保持力以及良好的耐磨性的电解镍涂层中。描述这种技术的相关专利申请为 US7704127、EP1886753 和 EP2277660。
[0011] 主要是人造金刚石用于磨料颗粒。为了非常好地保持金刚石颗粒，用半传导 层（例如碳化钛TiC、碳化硅SiC，参见US 7704127)或传导层（镍、镍-磷Ni-p，参见 EP2277660)镀覆该金刚石颗粒。这样，还要用金属层外涂覆该金刚石颗粒，由此将其进一步 保持在涂层中。
[0012] 然而在该金刚石颗粒可实际开始切割之前必须将该金刚石颗粒的具有镍的这种 外涂层从金刚石颗粒移除。在该外涂层仍存在时开始锯过程导致初始增加的锯架。在将镍 外涂层从金刚石颗粒的顶端移除之后，该颗粒可开始有效地切割。有时将这称作："线的修 整（dress ing)"即线用于锯的调整。
[0013] 建议了 "离线"制备用于服务的线的不同想法，例如引导该线通过"修整石"（JP 2006181701)或通过"逆电解"(JP 2011042561)。替代性地，建议了在锯机器上的线的特定 的交叉穿线，使得在锯之前该线"自修整"：参见JP 2011079073。然而，这些工序都不涉及 线的单独处理、机器的适应，或者简单地不起作用。
【发明内容】
[0014] 本发明的主要目的是改进现有的磨料锯线。本发明主要关注使修整步骤更容易。 描述了改进的产品和制备该产品的方法。
[0015] 根据本发明的第一方面，请求保护了固定磨料锯线。该发明产品涉及如权利要求 1所述的特征组合。在从属权利要求中列出了本发明的优选实施方案的特定特征。
[0016] 在本发明的第一优选实施方案中，固定磨料锯线包含金属芯线和在电镀镍层中附 着于金属芯线的磨料颗粒。该电镀镍层包含两个或更多个堆叠的镍亚层。在至少一对连续 的亚层之间存在含有氧化镍的界面。替代性地但等价地阐述：该电镀镍层包含至少一个含 有氧化镍的内界面层。
[0017] 可使用尺寸50 μπι直到300 μπι的圆形线作为金属芯线。通常将以待切割的材料 的功能来选择线直径。例如对于将单晶硅切割成晶片，小尺寸直径例如从80到150 ym是 有利的。对于切割蓝宝石，150 μπι至250 μπι(例如175 μπι)的较大尺寸是优选的。对于锭 切割（例如切头）使用甚至更大的直径：大于250 μm，例如300 μπι。
[0018] 该芯线可由具有足够拉伸强度的任何金属制得。特别优选的是还展现相对高的导 电性的金属，因为在涂覆过程中电解涂层电流通过该芯线（加上任何可能已经沉积的层）。 在这个方面特别优选的是具有至少0. 70wt%碳的普通碳钢，因为它们结合良好的拉伸强度 (高于3000MPa)与相对良好的电导率（高于4. 106S/m)。随着增加的碳含量，导电性降低， 同时强度增加。铜线尽管具有良好的导电性，但是几乎不能实现高于1000 MPa的拉伸强度。 可非常好地抵抗热的钨线可被拉制成高拉伸强度但是则缺乏足够高的导电性。
[0019] 实际的普通碳钢组成不仅包含铁和碳，而且包含许多其它合金和痕量元素，其中 一些对钢在强度、延展性、可成形性、耐腐蚀性等方面的性质具有深远影响。关于本申请，强 度是重要的，以下元素组成对于普通碳钢芯线是优选的：
[0020] 一至少0. 70wt%碳，上限取决于形成该线的其它合金化元素（参见以下）
[0021] 一在0· 30至0· 70wt%之间的锰含量；
[0022] 一在0· 15至0· 30wt%之间的硅含量；
[0023] 一将元素例如错、硫（低于0· 〇3wt% )、磷（低于0· 3〇wt% )、铜（低于0· 6〇wt% ) 的存在保持至最小值。
[0024] 一钢的余量为铁和其它元素
[0025] 对于高于共析组成（0· 80% wt C)的碳含量，铬（0· 005至0· 30% wt)、钒（0· 005 至0· 30% wt)、镍（0· 05-0. 30% wt)、钼（0· 05-0. 25% wt)和硼痕量可减少晶界渗碳体的形 成，并且由此改进该线的可成形性。这样的合金化使得0. 90至1. 20% wt的碳含量成为可 能，导致可为更高的拉伸强度，如钢芯线水平的4000MPa。
[0026] 通常，以N/mm2表示的钢芯线的拉伸强度"TS"必须高于：
[0027] TS 彡 4700 - 7. 4Xd
[0028] 其中"d"是以微米表示的芯线直径。
[0029] 还可用合适的金属涂层涂覆该金属芯线，使其更适合其目的。例如可用由铜、银、 锌或钴或这些金属的任何合金制得的良好导电的涂层涂覆该线。当足够厚（例如该线的总 直径的2% )时，该涂层有助于降低金属芯线的在线电阻率。参见WO 20122055712。还可用 铜、锌或锡或其合金（例如黄铜或青铜）的金属涂层涂覆该线以改进该线的可加工性。在 这个方面，发现用于松散磨料锯线的涂覆有黄铜的普通碳钢线是非常合适的。
[0030] 通过电镀镍层将磨料颗粒附着于该金属芯线。除了氧化物的特意存在以外，该电 镀镍层还可包含痕量的其它元素例如硫、磷、硼、钴、铁、铜、锌或可在形成期间污染该层的 其它元素（例如由它们在电解质中的存在所致）。
[0031] 该电镀镍层由彼此堆叠的至少两个亚层累积。这是由于层生长的方式：在一个层 上面的另一个层。所述层在以下蚀刻后在金相横截面中是可识别的：
[0032] ?首先用38ml 65 %硝酸（HNO3)、100mL冰醋酸（CH3COOH)和IOml蒸馏水的溶液 蚀刻约10秒；
[0033] ?然后于50ml 65%硝酸（HNO3)在50ml冰醋酸（CH3COOH)中的溶液中蚀刻另外5 秒。
[0034] 关于本发明的锯线的特性现在在于，在至少一对连续的亚层之间存在含有氧化镍 的界面。
[0035] 现有技术固定磨料锯线具有在磨料颗粒之上固结的镍层，并且在其间没有氧化镍 层。这意味着在磨料颗粒可用于锯之前必须移除磨料颗粒之上的镍层（镍本身是非常硬和 耐磨的），即该线必须"修整"，这导致增加的处置和/或锯效率的损失。
[0036] 发明人发现氧化镍界面的存在给其带来一些预料不到的优点。氧化镍界面在锯期 间充当优选的断裂平面。因为由于它们的小的曲率半径而在磨料颗粒之上接触压力是最高 的，所以由于氧化镍界面层的存在，与现有的固定磨料锯线相比镍亚层更容易在那里磨损。 尽管颗粒间的电镀镍层的耐磨性也减小，但是总体上这不导致线的增加的磨损。事实上