上砂工藝參數對電鍍金剛石線鋸性能的影響

馬澤賢，劉新寬, *，盛榮生，蔡磊，張偉偉

（1.上海理工大學材料科學與工程學院，上海 200093；2.盛利維爾(中國)新材料技術有限公司，江蘇 常州 213200）

近年來，伴隨著光伏產業以及半導體產業的飛速發展，高品質晶體材料需求量越來越大，催生著晶體切割技術的變革與發展。晶體切割也從原來的游離磨料切割逐步發展到固結磨料切割[1-2]，切割效率大大增加，切割崩碎現象也得到極大改善，切割成本大幅度降低。

電鍍金剛石線鋸是以鋼絲為基礎材料，以氨基磺酸鎳為鍍液主鹽，在合適的電鍍工藝下，采用復合鍍的方法在鋼絲基體上沉積一層金屬鎳，同時在金屬鎳中包裹金剛石粉顆粒，而制得的一種超硬材料鋸切工具。其制作一般有以下工序：前處理(酸洗、堿洗)，預鍍，上砂，加厚鍍。電鍍金剛石線鋸具有耐磨性好、切割效率高、切口小、損耗少等優點[3]，現已被廣泛應用于單晶硅、多晶硅、半導體、寶石等硬脆材料機加工領域。光伏行業為了追求降低硅片非硅成本[4]，電鍍金剛石線鋸從最開始線徑在幾百微米，發展到現在幾十微米，細線化成為了必然趨勢。但在生產中發現當線徑降至60 μm以下時，在鋼絲基體表面鍍覆金剛石后，鋸體脆性較大，彎折后易發生脆斷現象，嚴重時脆斷率達90%以上。生產排查發現，上砂階段上砂量以及砂的團聚程度都會對脆斷產生較大影響。本文采用正交試驗，選取上砂階段的幾項重要參數，通過正交試驗的方法得到上砂量和堆積直徑均符合標準且脆性低的工藝參數。

1 實驗

1.1 材料與預處理

采用拉拔直徑為60 μm的鋼絲，鍍前酸洗和堿洗。酸洗液成分為：硫酸氫鈉80% ～ 95%，氟氫化鈉5% ～ 7%。酸洗時間30 s，溫度40 °C。堿洗液配方：磷酸鹽20% ～ 30%，氫氧化鈉10% ～ 20%，硅酸鹽化合物1% ～ 10%，焦磷酸鉀1% ～ 10%。堿洗時間30 s，溫度55 °C。

采用表面鍍鎳的金剛石粉，粒徑(8.5 ± 0.2) μm，鎳增重45%。鍍前超聲清洗5 min。

基礎鍍液采用氨基磺酸鹽體系，配方為：Ni(NH2SO3)2·4H2O 500 ～ 550 g/L，H3BO340 ～ 50 g/L，NiCl2·6H2O 3 ～ 5 g/L，pH 4.4 ～ 4.8。

1.2 工藝流程

堿洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→預鍍→冷水洗→上砂→冷水洗→加厚鍍→冷水洗→除氫。

預鍍電流密度為15 A/dm2，時間30 s；加厚鍍電流密度為5 A/dm2，時間80 s。上砂采用懸砂法，機械攪拌。電鍍結束后，在200 °C的烘箱內除氫2 h。

1.3 性能表征

采用彎折法檢測脆性：將金剛石線鋸彎折 180°，觀察是否斷裂，每根選擇不同的部位彎折 10次。每個樣品取3根線鋸進行彎折，取3根線鋸脆斷次數的平均值作為該樣品的脆斷次數。

采用鄭州建斌電子科技有限公司生產的KBXJ-II型科波爾線鋸分析儀檢測線鋸的上砂量和堆積直徑。上砂量指的是在1 mm之內上砂個數的均值。堆積直徑是1 mm內表面磨粒連在一起所覆蓋面積的等圓直徑。堆積直徑表征金剛石顆粒的團聚程度。堆積直徑大一方面會嚴重影響切割質量，另一方面，團聚較大處會引起局部應力加大，繼而對線的脆性產生較大影響。

采用COXEM公司生產的EM-30Plus掃描電子顯微鏡(SEM)觀測復合鍍后線鋸的形貌和團聚程度。

根據L25(56)正交表，選取上砂階段的電流密度、金剛石質量濃度、攪拌速率、溫度、磁感應強度、添加劑體積分數等6個因素，每種因素5個水平(見表1)，考察對金剛石線鋸上砂量、堆積直徑和脆斷性的影響。

表1 正交試驗的因素水平Table 1 Levels of orthogonal testing factors

2 結果與討論

2.1 極差分析

從表 2中的極差(R)可以看出，影響上砂量最大的因素是添加劑體積分數，金剛石質量濃度次之，溫度、攪拌速率及磁場三者的影響程度差不多，三者并列排在第3位，電流密度的影響最小。

對于堆積直徑來說，添加劑體積分數的影響程度最大，金剛石質量濃度次之，攪拌速率、磁感應強度及電流密度的影響程度差不多，三者并列排在第3位，溫度的影響程度最小。

對于脆斷次數，添加劑體積分數的影響程度最大，電流密度次之，攪拌速率和溫度的影響程度差不多，排在第3位，金剛石質量濃度與磁感應強度的影響程度最小。

2.2 各因素對上砂量、堆積直徑及脆斷次數的影響

為了便于選取最優工藝參數，將6種因素同一水平的試驗結果均值用曲線圖表示出來(如圖1?6所示)，結合極差分析，用綜合平衡法分析各因素對上砂量、堆積直徑及脆斷次數的影響。由于線鋸要有合適的上砂量才能保證足夠的切割力，同時線鋸堆積直徑直接影響到切縫大小以及切片質量，所以在優選方案時，設定平均上砂量不能低于200個/mm，堆積直徑不能高于25.5 μm。

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test result

圖1 添加劑體積分數對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 1 Effect of volume fraction of additive on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖2 金剛石質量濃度對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 2 Effect of mass concentration of diamonds on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

2.2.1 添加劑體積分數的影響

添加劑是對脆斷次數、上砂量及堆積直徑影響最大的因素。隨著添加劑體積分數的增大，脆斷次數、上砂量和堆積直徑都在急劇上升。在考慮添加劑用量時，優先要使脆斷次數低，同時要滿足上砂量及堆積直徑的要求，所以選擇添加劑體積分數的范圍是0.03 ～ 0.04 mL/L。

2.2.2 金剛石質量濃度的影響

金剛石質量濃度對上砂量及堆積直徑的影響程度排在第2位，對脆斷次數的影響程度排在第4位。理論上隨著金剛石濃質量濃度的增加，槽內懸浮的金剛石增多，被鍍層俘獲的金剛石也會增多，所以上砂量及堆積直徑都會增大。優先考慮在保證足夠的上砂量和較小的堆積直徑，同時兼顧較低的脆斷次數，選擇金剛石的質量濃度為6.0 g/L。理論上隨著金剛石濃質量濃度的增加，槽內懸浮的金剛石增多，被鍍層俘獲的金剛石也會增多，所以上砂量及堆積直徑都會增大。優先考慮在保證足夠的上砂量和較小的堆積直徑，同時兼顧較低的脆斷次數，選擇金剛石的質量濃度為6.0 g/L。

圖3 攪拌速率對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 3 Effect of stirring rate on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖4 溫度對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 4 Effect of temperature on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖5 磁感應強度對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 5 Effect of magnetic induction intensity on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

圖6 電流密度對堆積直徑、上砂量和脆斷次數的影響Figure 6 Effect of current density on the diameter of total area covered with diamonds, the amount of diamonds incorporated, and the number of brittle fracture times

2.2.3 攪拌速率的影響

攪拌速率對上砂量、堆積直徑及脆斷次數的影響程度不太大，都只排在第3位。當攪拌速率為70 r/min時，上砂量、堆積直徑及脆斷次數都達到最大。攪拌速率太快時，金剛石難以被鍍層俘獲，造成沉積困難(80 r/min時的上砂量已不符合要求)，同時部分液體可能會從槽內飛出；攪拌速率太慢時，金剛石沉降太快，同樣不利于沉積。綜合考慮上砂量以及堆積直徑標準，選取攪拌速率為60 r/min。

2.2.4 溫度的影響

溫度對脆斷次數和上砂量的影響程度排在第3位，對堆積直徑的影響排在4位，影響程度較小。由于溫度會顯著影響鍍液性質[5]，因此應充分考慮溫度對鍍液的影響。溫度太高時，氨基磺酸鎳水解傾向性增強[6]，氫氧化物夾雜會使鍍層內應力過大，起皮開裂嚴重；溫度太低時，離子擴散變慢，陰極反應也就變慢[7]。綜合考慮各因素，選取50 °C和60 °C的中間值55 °C。

2.2.5 磁感應強度的影響

磁感應強度對脆斷次數的影響排在第4位，對堆積直徑及上砂量的影響排在第3位，可見磁場對3種性能的影響都不大。在滿足堆積直徑和上砂量標準的前提下，磁感應強度選16 mT。

2.2.6 電流密度的影響

電流密度對脆斷次數的影響程度排在第2位，對上砂量及堆積直徑的影響程度分別排在第3位和第4位。電流密度過大雖然有利于金剛石的沉積，但會影響鍍層質量；而電流密度過小會令鎳沉積變慢，上砂速率隨之下降。由圖6可知，在選取電流密度時只需考慮低脆斷次數。當電流密度為4 A/dm2時，脆斷次數最少。此時，槽電壓也低于氫的析出電位，鍍槽內無氣泡冒出。

2.3 上砂量和堆積直徑對脆斷的影響

從圖7和圖8可以明顯看出上砂量及堆積直徑與脆斷次數呈現比較強的正相關關系。圖7擬合曲線方程為y= 0.22272x+ 0.0109，決定系數R2= 0.816 45。圖8擬合曲線方程為y= 0.21103x? 2.0834，R2=0.646 36。由此可見，上砂量越大，堆積直徑越大，脆斷次數越多。上砂量越大，嵌入鍍層的金剛石含量越多，磨料所占面積就越大，鍍鎳層的相對體積越小。由于鋼絲表面的薄鎳鍍層以及鋼絲本身的硬度都遠小于金剛石的硬度，為了保證切割效率，選用的金剛石棱角比較多，同時由于尖端效應，金剛石尖端部分聚集大量電荷，靜電引力較大，在沉積過程中尖端部分朝向鋼絲表面，如圖9a所示。金剛石的棱角處曲率半徑較小，容易形成應力集中[8]，引起局部應力增大。在彎折過程中，應力集中較大的尖端部位刺破鍍層，在鋼絲表面留下大量裂紋源。繼續彎至對折狀態時，軸向應力使得裂紋源擴張，造成斷裂。堆積直徑大表明金剛石在線鋸上團聚嚴重(如圖9b所示)，團聚處會產生更大的應力集中，也就更容易導致斷裂。

圖7 堆積直徑與脆斷次數的關系Figure 7 Relationship between the diameter of total area covered with diamonds and the number of brittle fracture times

圖8 上砂量與脆斷次數的關系Figure 8 Relationship between the amount of diamonds incorporated and the number of brittle fracture times

圖9 被鍍層包覆的金剛石Figure 9 Nickel-coated diamonds

圖10 金剛石線鋸模型平面圖Figure 10 Planar graph of diamond wire saw model

通過有限元模擬軟件，采用二維平面對稱模型，在固體力學模塊下選用穩態環境模擬金剛石與鍍層之間的應力分布。采用CAD軟件繪出如圖10所示的線鋸模型。

對模型施加約束條件，在模型中點處固定，兩端施加線性增長的軸向力。對模型進行網格劃分(如圖11所示)之后進行求解。

從圖12可以明顯看出金剛石與鍍層之間的接觸部分在彎折后產生明顯的應力集中，棱角處的應力最大，馮米澤斯(von Mises)應力達到了1.5 × 1011N/m2。這些應力集中處極容易發生斷裂。

圖11 網格劃分圖Figure 11 Meshing diagram

圖12 彎折后金剛石線鋸應力云圖Figure 12 Cloud diagram showing the stress distribution for diamond wire saw after being bended

2.4 優化工藝驗證性試驗

選用優化后的工藝參數(即電流密度4 A/dm2、金剛石質量濃度6 g/L、攪拌速率60 r/min、溫度55 °C、磁感應強度16 mT、添加劑體積分數0.03 ～ 0.04 mL/L)與當前的產線工藝進行比較，結果(見表3)表明優化后的上砂量、堆積直徑及脆斷次數都更好，微觀上金剛石團聚更少，分布更均勻(見圖13)。

表3 優化前后金剛石線鋸性能的對比Table 3 Comparison of diamond wire performance before and after optimization

圖13 工藝優化前(a)、后(b)所得金剛石線鋸的微觀形貌Figure 13 Microscopic morphologies of diamond wire saws produced by previous (a) and optimized (b) process

3 結論

通過正交試驗優選出金剛石線鋸脆性低、堆積直徑小、上砂量足的電鍍工藝條件。上砂量及堆積直徑與金剛石線鋸的脆性正相關，它們都對金剛石線鋸的使用壽命有顯著影響。