方莉俐，張洋，劉士國
(中原工學(xué)院理學(xué)院，鄭州450007)
摘要:剖析了超薄金剛石刀具的研討現(xiàn)狀，用電鑄工藝制備出金剛石-鎳復(fù)合膜，討論了陰極電流密度、攪拌速度和攪拌槳地位、陰極懸掛傾角、鍍液溫度等電鍍工藝參數(shù)對金剛石-鎳復(fù)合膜質(zhì)量的影響法則;討論了復(fù)合膜的后續(xù)加工工藝，指出電火花加工可以無效除去復(fù)合膜的毛邊和毛刺，是一種行之無效的后續(xù)加工辦法;研制出了超薄金剛石-鎳復(fù)合膜切割片，并對其切割功能停止了初步試用研討。
關(guān)鍵詞:電鑄;超薄金剛石刀具;金剛石-鎳復(fù)合膜;電火花加工;使用
中圖分類號:TQ164 文獻標識碼:A 文章編號:1000-985X(2011)03-0610-06
1·引言
超薄金剛石刀具次要用于電子消息產(chǎn)業(yè)范疇各種集成電路芯片及多種電子元器件劃斷和開槽。這種切割片厚度薄(普通為0．015～0．1mm);精度高(厚度尺寸精度普通為＜0．003mm，圓度和同心度＜0．01mm，平行度＜0．005mm);強度高;剛性好;內(nèi)應(yīng)力小(任務(wù)線速度可達100m/s左右)。具有切割速度高、切縫小、崩口小、資料應(yīng)用率高、工件精度高、外表質(zhì)量好等長處，完整能滿意電子消息范疇大范圍集成電路芯片及多種電子元器件加工的需求。目前，超薄金剛石刀具研制次要有兩種辦法，即壓制法和電鑄法。電鑄法比壓制法溫度低、裝備復(fù)雜、研制的刀具更薄，因而具有更多的上風(fēng)。目前，用電鑄法研制超薄金剛石刀具，國外到達實踐使用的僅有日本DISCO公司、三菱公司，韓國的新韓公司等多數(shù)幾家，國際僅有多數(shù)研討單位正在停止研討開拓此項任務(wù)，目前還處于起步階段。電鑄法超薄金剛石刀具的研制，可以進步我國工具行業(yè)的制造水平，替換入口，并對我國電子消息產(chǎn)業(yè)范疇的開展起到主動的推進作用。
2·超薄金剛石刀具的研討現(xiàn)狀
2．1 超薄金剛石刀具研制辦法
目前，超薄金剛石刀具研制次要有兩種辦法，即壓制法和電鑄法。
2．1．1 壓制法
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、剛性好、切割尖利度高，運用速度可達80m/s左右?？杉庸べY料的范疇廣，可用于各種磁頭資料、基板、玻璃、陶瓷、晶體、硬質(zhì)合金、陶瓷-金屬復(fù)合資料、樹脂-陶瓷復(fù)合資料、樹脂-陶瓷-金屬復(fù)合資料及金屬化合物等的切斷和開槽。
2．1．2 電鑄法應(yīng)用電化學(xué)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(和壓制法相反)，次要特性:精度更高、強度更高、剛性更好、切縫更窄、導(dǎo)熱性好、耐磨性高，運用速度可達100m/s左右，但切深淺(普通小于1mm)，次要用于各種芯片的劃斷和開槽，可加工的資料范疇絕對較窄，次要用于硅、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體資料的加工。
2．2 使用狀況
目前壓制法消費超薄金剛石刀具，國際曾經(jīng)有鄭州磨料磨具研討所等多數(shù)研討單位和廠家消費，產(chǎn)品可以替換入口。而電鑄法消費的超薄金剛石刀具，國際使用還次要依靠入口，國際研討單位還處于研制階段。
3·電鑄超薄金剛石刀具的研制
電鑄超薄金剛石刀具的研制進程分為金剛石-鎳復(fù)合膜的制備和復(fù)合膜的后續(xù)加工兩個主要環(huán)節(jié)。
3．1 金剛石-鎳復(fù)合膜的制備研討
3．1．1 復(fù)合電鍍裝備
圖1是我們自行設(shè)想的復(fù)合電鍍裝備簡圖，次要由恒流源、恒溫水浴箱、電鍍槽、攪拌器等組成。
3．1．2 制備工藝
電鑄金剛石-鎳復(fù)合膜制備進程如下:
第一步:配制電鍍液;
第二步:將必定質(zhì)量的金剛石微粉倒入電鍍液中，用電動磁力攪拌器攪拌1h左右，使金剛石顆粒在電鍍液中聚集平均并充沛潤濕;
第三步:依據(jù)陰極上欲鍍面積和陰極電流密度設(shè)想值，計算并調(diào)好陰極電流;
第四步:將處置好的陰極型模通電置入鍍槽，停止電鍍;
第五步:施鍍必定工夫后，將陰極型模取出，用凈水沖洗潔凈，晾干;
第六步:脫膜，停止功能檢測。
工藝流程如圖2所示。
電鍍工藝參數(shù)包括:鍍液中金剛石含量、陰極電流密度、鍍液溫度、堆積工夫、pH值、電極間距、金剛石粒度、攪拌速度和地位等。研討標明，這些參數(shù)對復(fù)合電鍍層的質(zhì)量都會發(fā)作必定的影響。采用正交實驗辦法，鍍液中金剛石含量范疇14～20g/L，陰極電流密度范疇0．5～1．5A/dm2，鍍液溫度40～60℃，堆積工夫1～4h，pH值3．5～4．2，電極間距10～15cm，攪拌速度180～220r/min，攪拌槳在鍍液下部。選用W3．5、W7、W10三種天然金剛石微粉停止實驗。
3．1．3 影響復(fù)合膜質(zhì)量的要素剖析
用數(shù)顯電子測微儀、SEM(掃描電子顯微鏡)、XRD(X射線衍射)對復(fù)合膜樣品測試，后果顯現(xiàn):
(1)陰極電流密度對復(fù)合膜中金剛石顆粒含量、外表形貌、顯微應(yīng)變、膜的堆積速率影響很大。隨著電流密度的添加，復(fù)合膜的堆積速率增大;復(fù)合膜中金剛石顆粒含量先疾速添加，在1．3～2．5A/dm2到達峰值，之后再添加陰極電流密度，金剛石顆粒含量反而下降。而且，在我們的實驗條件下，隨著陰極電流密度的添加，復(fù)合膜的顯微應(yīng)變下降。所以，掌握電流密度是堆積高質(zhì)量復(fù)合膜的關(guān)鍵。
(2)復(fù)合膜中金剛石顆粒含量隨著電鍍液中金剛石濃度的增大而增大，但當金剛石濃度大于18g/L時，隨著金剛石濃度的增大，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量添加遲緩，并且有接近飽和的趨向。
(3)在陰極電流密度和鍍液中金剛石顆粒含量相反的條件下，攪拌速度和攪拌槳地位對堆積復(fù)合膜中的金剛石密度和顆粒散布的平均性發(fā)作很大影響。最佳攪拌速度為180～220r/min，最佳攪拌槳地位為鍍液下部。
(4)陰極懸掛傾角對復(fù)合膜中金剛石顆粒含量影響很大，傾角為45°時金剛石顆粒含量最高而且散布平均。陰極懸掛方位對堆積復(fù)合膜的厚度平均性影響很大，電鍍進程中陰極沿其本身立體間歇旋轉(zhuǎn)90°后持續(xù)電鍍，可以失掉厚度平均的復(fù)合膜。
(5)在20～70℃溫度范疇內(nèi)，研討了溫度對復(fù)合膜中金剛石磨粒含量、鎳晶粒尺寸、顯微應(yīng)變、膜堆積速率、鎳晶粒擇優(yōu)生長取向的影響。隨著溫度的升高，金剛石含量添加，50℃時到達最大，隨后，金剛石含量隨著溫度的升高開端減小;隨著溫度的升高，顯微應(yīng)變減小，50℃時顯微應(yīng)變最小，隨后，隨著溫度的升高，顯微應(yīng)變升高;隨著溫度的升高，堆積速率表示為下降趨向;鎳晶粒尺寸也有下降趨向。此外，堆積溫度分明影響晶面擇優(yōu)生長，特別是在較低的堆積溫度。所以，為了制備出高精度的金剛石-鎳超薄切割片，電鑄溫度該當在40～50℃范疇內(nèi)。
對以上正交實驗后果，剖析如下:
(1)在復(fù)合電堆積進程中，金剛石顆粒被活動的液體保送到陰極外表，同時被電堆積的鎳掩蓋。當堆積條件相反，特別是攪拌速率相反時，在不同的陰極電流密度下，復(fù)合膜中金剛石含量呈現(xiàn)峰值。其緣由次要是隨著陰極電流密度的變化，鎳的堆積速率不同。在較小的陰極電流密度下，鎳的堆積速率太小，接觸陰極外表的局部金剛石顆粒還沒有被埋入，即被活動的液體沖走，構(gòu)成復(fù)合膜中金剛石含量較低;隨著陰極電流密度的添加，鎳的堆積速率添加，越來越多的金剛石顆粒被埋入陰極外表，從而使復(fù)合膜中金剛石含量添加。但是，假如陰極電流密度大于2．5A/dm2，金剛石含量反而下降，是由于在大的陰極電流密度下，陰極析氫加劇，陰極外表的氫氣泡減弱了金剛石顆粒在鎳堆積層外表的附著力，構(gòu)成復(fù)合膜中金剛石顆粒含量下降。
(2)隨著鍍液中金剛石濃度的增大，被傳輸并附著在陰極外表上的金剛石顆粒數(shù)目添加，金剛石顆粒被鎳離子電堆積時包裹的幾率添加;另一方面，隨著鍍液中固體微粒參加量的添加，陰極極化添加，招致復(fù)合電堆積速率疾速添加，使得復(fù)合膜中金剛石顆粒含量疾速增大。但是，由于金剛石-鎳復(fù)合膜的構(gòu)成，是由金剛石顆粒首先附著于陰極外表，然后鎳離子在電堆積進程中將金剛石顆粒機械包鑲于基質(zhì)金屬鎳中而構(gòu)成的，我們所用的金剛石微粉是用天然金剛石經(jīng)球磨完整而成的，金剛石顆粒呈球形或多角形，當鍍液中金剛石濃度增大到必定水平，陰極上附著的金剛石顆粒逐步到達其堆積密度值，再添加鍍液中金剛石濃度，陰極上附著的金剛石顆粒密度不再添加，因而，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量有接近飽和的趨向。
(3)金剛石顆粒的懸浮是靠攪拌來完成的，攪拌進程中，金剛石顆粒跟隨流體活動并向下降落在陰極外表，被堆積的鎳離子掩蓋包裹，攪拌速度和攪拌槳地位必定對鍍液中金剛石顆粒的散布發(fā)作很大的影響。攪拌槳在鍍液下部且攪拌速度到達必定值才可以使金剛石顆粒到達離底懸浮，但假如攪拌速渡過大，大多金剛石顆粒將無法著落并停止在陰極外表。
(4)當陰極完整豎直懸掛時，金剛石顆粒無法沉落其外表，復(fù)合膜中無金剛石顆粒堆積。在陰極傾角較小時，沉落在其外表的金剛石顆粒較少，復(fù)合膜中金剛石顆粒含量也絕對較少。但在較大的傾角下，鍍液中的金剛石顆粒自在沉降后在陰極外表堆積，難以在陰極外表構(gòu)成平均的金剛石附著，當然不可以構(gòu)成平均的電堆積復(fù)合膜。而且，由于鍍液中金剛石顆粒濃度、電場散布不平均，在整個電鍍進程中，陰極母板間歇旋轉(zhuǎn)可以使各個部位在電鍍液中不同部位施鍍工夫根本相反，使得復(fù)合膜厚度平均。
(5)溫度越高，鎳離子向陰極外表的挪動速度越快，會有越多的金剛石顆粒被鑲嵌于復(fù)合膜中，所以，復(fù)合堆積速度越大，50℃時到達最大。但是，隨著溫度的進一步升高，電鍍液的粘度下降，金剛石顆粒在陰極外表的附著才干下降，此時鎳離子的挪動速度曾經(jīng)不是金剛石顆粒被包裹于基質(zhì)金屬的決議要素，所以，總體來講，金剛石顆粒的含量下降。
復(fù)合膜中的顯微應(yīng)變來自于鎳晶體的晶格缺陷，溫度高時，鎳離子有較多的能量，堆積時按晶格規(guī)則陳列，缺陷少，所以顯微應(yīng)變小;但是當溫度高于50℃以上，陰極析氫加劇，陰極外表過多的氫吸附使得鎳堆積時少量的氫束縛于復(fù)合膜中，鎳晶格內(nèi)一旦接收了氫，晶格就會發(fā)作畸變，晶格缺陷增加，后果構(gòu)成顯微應(yīng)變添加。
隨著溫度的升高，越來越多的氫附著在陰極外表，使得金剛石和鎳的復(fù)合堆積越來越艱難，而且，隨著溫度的升高電鍍液的粘度下降，使得電鍍液中金剛石顆粒的懸浮量下降，金剛石顆粒的埋入率下降，從而招致復(fù)合膜的堆積速度的升高。
隨著溫度的升高，鎳晶粒的生長速度減小，從而惹起鎳晶粒尺寸有下降趨向。
3．2 復(fù)合膜的后續(xù)加工
經(jīng)電鑄脫膜后的金剛石-鎳復(fù)合膜，由于電鍍進程中的邊沿效應(yīng)，內(nèi)外圓邊沿處會呈現(xiàn)毛邊和毛刺(如圖3所示)，這樣的復(fù)合膜假如間接用做切割片，在運用進程中勢必會構(gòu)成被切工件切縫寬，有可以破壞被切工件，以至在極高的旋轉(zhuǎn)速度(30000r/min)下構(gòu)成刀片和工件碎裂，發(fā)作風(fēng)險。因而，電鑄脫膜后，必需停止后續(xù)加工，除去內(nèi)、外圓邊沿處的毛邊和毛刺，并把刀片加工到運用尺寸。為此，陰極型模電鍍堆積區(qū)域尺寸要略大于刀片運用尺寸，給后續(xù)加工留出余量。
