方莉俐，张洋，刘士国
(中原工学院理学院，郑州450007)
摘要:剖析了超薄金刚石刀具的研讨现状，用电铸工艺制备出金刚石-镍复合膜，讨论了阴极电流密度、搅拌速度和搅拌桨地位、阴极悬挂倾角、镀液温度等电镀工艺参数对金刚石-镍复合膜质量的影响法则;讨论了复合膜的后续加工工艺，指出电火花加工可以无效除去复合膜的毛边和毛刺，是一种行之无效的后续加工办法;研制出了超薄金刚石-镍复合膜切割片，并对其切割功能停止了初步试用研讨。
关键词:电铸;超薄金刚石刀具;金刚石-镍复合膜;电火花加工;使用
中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1000-985X(2011)03-0610-06
1·引言
超薄金刚石刀具次要用于电子消息产业范畴各种集成电路芯片及多种电子元器件划断和开槽。这种切割片厚度薄(普通为0．015～0．1mm);精度高(厚度尺寸精度普通为＜0．003mm，圆度和同心度＜0．01mm，平行度＜0．005mm);强度高;刚性好;内应力小(任务线速度可达100m/s左右)。具有切割速度高、切缝小、崩口小、资料应用率高、工件精度高、外表质量好等长处，完整能满意电子消息范畴大范围集成电路芯片及多种电子元器件加工的需求。目前，超薄金刚石刀具研制次要有两种办法，即压制法和电铸法。电铸法比压制法温度低、装备复杂、研制的刀具更薄，因而具有更多的上风。目前，用电铸法研制超薄金刚石刀具，国外到达实践使用的仅有日本DISCO公司、三菱公司，韩国的新韩公司等多数几家，国际仅有多数研讨单位正在停止研讨开拓此项任务，目前还处于起步阶段。电铸法超薄金刚石刀具的研制，可以进步我国工具行业的制造水平，替换入口，并对我国电子消息产业范畴的开展起到主动的推进作用。
2·超薄金刚石刀具的研讨现状
2．1 超薄金刚石刀具研制办法
目前，超薄金刚石刀具研制次要有两种办法，即压制法和电铸法。
2．1．1 压制法
采用粉末冶金原理，厚度大于0．08mm。其厚度尺寸精度:±0．002～±0．005mm，平行度小于0．005mm。其次要特性是精度高、刚性好、切割尖利度高，运用速度可达80m/s左右。可加工资料的范畴广，可用于各种磁头资料、基板、玻璃、陶瓷、晶体、硬质合金、陶瓷-金属复合资料、树脂-陶瓷复合资料、树脂-陶瓷-金属复合资料及金属化合物等的切断和开槽。
2．1．2 电铸法应用电化学原理，厚度小于0．1mm，其厚度尺寸精度:±0．001～±0．002mm，平行度小于0．005mm(和压制法相反)，次要特性:精度更高、强度更高、刚性更好、切缝更窄、导热性好、耐磨性高，运用速度可达100m/s左右，但切深浅(普通小于1mm)，次要用于各种芯片的划断和开槽，可加工的资料范畴绝对较窄，次要用于硅、砷化镓、磷化铟等半导体资料的加工。
2．2 使用状况
目前压制法消费超薄金刚石刀具，国际曾经有郑州磨料磨具研讨所等多数研讨单位和厂家消费，产品可以替换入口。而电铸法消费的超薄金刚石刀具，国际使用还次要依靠入口，国际研讨单位还处于研制阶段。
3·电铸超薄金刚石刀具的研制
电铸超薄金刚石刀具的研制进程分为金刚石-镍复合膜的制备和复合膜的后续加工两个主要环节。
3．1 金刚石-镍复合膜的制备研讨
3．1．1 复合电镀装备
图1是我们自行设想的复合电镀装备简图，次要由恒流源、恒温水浴箱、电镀槽、搅拌器等组成。
3．1．2 制备工艺
电铸金刚石-镍复合膜制备进程如下:
第一步:配制电镀液;
第二步:将必定质量的金刚石微粉倒入电镀液中，用电动磁力搅拌器搅拌1h左右，使金刚石颗粒在电镀液中聚集平均并充沛润湿;
第三步:依据阴极上欲镀面积和阴极电流密度设想值，计算并调好阴极电流;
第四步:将处置好的阴极型模通电置入镀槽，停止电镀;
第五步:施镀必定工夫后，将阴极型模取出，用净水冲洗洁净，晾干;
第六步:脱膜，停止功能检测。
工艺流程如图2所示。
电镀工艺参数包括:镀液中金刚石含量、阴极电流密度、镀液温度、堆积工夫、pH值、电极间距、金刚石粒度、搅拌速度和地位等。研讨标明，这些参数对复合电镀层的质量都会发作必定的影响。采用正交实验办法，镀液中金刚石含量范畴14～20g/L，阴极电流密度范畴0．5～1．5A/dm2，镀液温度40～60℃，堆积工夫1～4h，pH值3．5～4．2，电极间距10～15cm，搅拌速度180～220r/min，搅拌桨在镀液下部。选用W3．5、W7、W10三种天然金刚石微粉停止实验。
3．1．3 影响复合膜质量的要素剖析
用数显电子测微仪、SEM(扫描电子显微镜)、XRD(X射线衍射)对复合膜样品测试，后果显现:
(1)阴极电流密度对复合膜中金刚石颗粒含量、外表形貌、显微应变、膜的堆积速率影响很大。随着电流密度的添加，复合膜的堆积速率增大;复合膜中金刚石颗粒含量先疾速添加，在1．3～2．5A/dm2到达峰值，之后再添加阴极电流密度，金刚石颗粒含量反而下降。而且，在我们的实验条件下，随着阴极电流密度的添加，复合膜的显微应变下降。所以，掌握电流密度是堆积高质量复合膜的关键。
(2)复合膜中金刚石颗粒含量随着电镀液中金刚石浓度的增大而增大，但当金刚石浓度大于18g/L时，随着金刚石浓度的增大，复合膜中金刚石颗粒含量添加迟缓，并且有接近饱和的趋向。
(3)在阴极电流密度和镀液中金刚石颗粒含量相反的条件下，搅拌速度和搅拌桨地位对堆积复合膜中的金刚石密度和颗粒散布的平均性发作很大影响。最佳搅拌速度为180～220r/min，最佳搅拌桨地位为镀液下部。
(4)阴极悬挂倾角对复合膜中金刚石颗粒含量影响很大，倾角为45°时金刚石颗粒含量最高而且散布平均。阴极悬挂方位对堆积复合膜的厚度平均性影响很大，电镀进程中阴极沿其本身立体间歇旋转90°后持续电镀，可以失掉厚度平均的复合膜。
(5)在20～70℃温度范畴内，研讨了温度对复合膜中金刚石磨粒含量、镍晶粒尺寸、显微应变、膜堆积速率、镍晶粒择优生长取向的影响。随着温度的升高，金刚石含量添加，50℃时到达最大，随后，金刚石含量随着温度的升高开端减小;随着温度的升高，显微应变减小，50℃时显微应变最小，随后，随着温度的升高，显微应变升高;随着温度的升高，堆积速率表示为下降趋向;镍晶粒尺寸也有下降趋向。此外，堆积温度分明影响晶面择优生长，特别是在较低的堆积温度。所以，为了制备出高精度的金刚石-镍超薄切割片，电铸温度该当在40～50℃范畴内。
对以上正交实验后果，剖析如下:
(1)在复合电堆积进程中，金刚石颗粒被活动的液体保送到阴极外表，同时被电堆积的镍掩盖。当堆积条件相反，特别是搅拌速率相反时，在不同的阴极电流密度下，复合膜中金刚石含量呈现峰值。其缘由次要是随着阴极电流密度的变化，镍的堆积速率不同。在较小的阴极电流密度下，镍的堆积速率太小，接触阴极外表的局部金刚石颗粒还没有被埋入，即被活动的液体冲走，构成复合膜中金刚石含量较低;随着阴极电流密度的添加，镍的堆积速率添加，越来越多的金刚石颗粒被埋入阴极外表，从而使复合膜中金刚石含量添加。但是，假如阴极电流密度大于2．5A/dm2，金刚石含量反而下降，是由于在大的阴极电流密度下，阴极析氢加剧，阴极外表的氢气泡减弱了金刚石颗粒在镍堆积层外表的附着力，构成复合膜中金刚石颗粒含量下降。
(2)随着镀液中金刚石浓度的增大，被传输并附着在阴极外表上的金刚石颗粒数目添加，金刚石颗粒被镍离子电堆积时包裹的几率添加;另一方面，随着镀液中固体微粒参加量的添加，阴极极化添加，招致复合电堆积速率疾速添加，使得复合膜中金刚石颗粒含量疾速增大。但是，由于金刚石-镍复合膜的构成，是由金刚石颗粒首先附着于阴极外表，然后镍离子在电堆积进程中将金刚石颗粒机械包镶于基质金属镍中而构成的，我们所用的金刚石微粉是用天然金刚石经球磨完整而成的，金刚石颗粒呈球形或多角形，当镀液中金刚石浓度增大到必定水平，阴极上附着的金刚石颗粒逐步到达其堆积密度值，再添加镀液中金刚石浓度，阴极上附着的金刚石颗粒密度不再添加，因而，复合膜中金刚石颗粒含量有接近饱和的趋向。
(3)金刚石颗粒的悬浮是靠搅拌来完成的，搅拌进程中，金刚石颗粒跟随流体活动并向下降落在阴极外表，被堆积的镍离子掩盖包裹，搅拌速度和搅拌桨地位必定对镀液中金刚石颗粒的散布发作很大的影响。搅拌桨在镀液下部且搅拌速度到达必定值才可以使金刚石颗粒到达离底悬浮，但假如搅拌速渡过大，大多金刚石颗粒将无法着落并停止在阴极外表。
(4)当阴极完整竖直悬挂时，金刚石颗粒无法沉落其外表，复合膜中无金刚石颗粒堆积。在阴极倾角较小时，沉落在其外表的金刚石颗粒较少，复合膜中金刚石颗粒含量也绝对较少。但在较大的倾角下，镀液中的金刚石颗粒自在沉降后在阴极外表堆积，难以在阴极外表构成平均的金刚石附着，当然不可以构成平均的电堆积复合膜。而且，由于镀液中金刚石颗粒浓度、电场散布不平均，在整个电镀进程中，阴极母板间歇旋转可以使各个部位在电镀液中不同部位施镀工夫根本相反，使得复合膜厚度平均。
(5)温度越高，镍离子向阴极外表的挪动速度越快，会有越多的金刚石颗粒被镶嵌于复合膜中，所以，复合堆积速度越大，50℃时到达最大。但是，随着温度的进一步升高，电镀液的粘度下降，金刚石颗粒在阴极外表的附着才干下降，此时镍离子的挪动速度曾经不是金刚石颗粒被包裹于基质金属的决议要素，所以，总体来讲，金刚石颗粒的含量下降。
复合膜中的显微应变来自于镍晶体的晶格缺陷，温度高时，镍离子有较多的能量，堆积时按晶格规则陈列，缺陷少，所以显微应变小;但是当温度高于50℃以上，阴极析氢加剧，阴极外表过多的氢吸附使得镍堆积时少量的氢束缚于复合膜中，镍晶格内一旦接收了氢，晶格就会发作畸变，晶格缺陷增加，后果构成显微应变添加。
随着温度的升高，越来越多的氢附着在阴极外表，使得金刚石和镍的复合堆积越来越艰难，而且，随着温度的升高电镀液的粘度下降，使得电镀液中金刚石颗粒的悬浮量下降，金刚石颗粒的埋入率下降，从而招致复合膜的堆积速度的升高。
随着温度的升高，镍晶粒的生长速度减小，从而惹起镍晶粒尺寸有下降趋向。
3．2 复合膜的后续加工
经电铸脱膜后的金刚石-镍复合膜，由于电镀进程中的边沿效应，内外圆边沿处会呈现毛边和毛刺(如图3所示)，这样的复合膜假如间接用做切割片，在运用进程中势必会构成被切工件切缝宽，有可以破坏被切工件，以至在极高的旋转速度(30000r/min)下构成刀片和工件碎裂，发作风险。因而，电铸脱膜后，必需停止后续加工，除去内、外圆边沿处的毛边和毛刺，并把刀片加工到运用尺寸。为此，阴极型模电镀堆积区域尺寸要略大于刀片运用尺寸，给后续加工留出余量。
