CN104070610A - 带有磨料的高效切割线锯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有磨料的高效切割线锯，包括金属线材、包覆在金属线材表面的表面层和嵌置固定于表面层内的多个研磨颗粒，所述表面层内添加有偶联剂。本发明通过在金属线材表面的表面层添加偶联剂，使得金属线材、表面层和研磨颗粒很好地偶联起来，获得了更好的结合强度，提高了线锯的使用寿命，切割效率大幅增加，降低了切割时间，缩小了成本，提高了切割工件的质量。

Description

带有磨料的高效切割线锯

技术领域

本发明涉及线锯切割技术领域，尤其是一种带有磨料的高效切割线锯。

背景技术

线锯切割是对半导体、水晶、各种单结晶、磁性材料、精密陶瓷、及其他硬脆材料进行切割的一种加工方法。游离磨料线锯目前已广泛的应用在半导体晶圆和太阳能硅片的切片制程中，其是利用钢线带动游离磨料（磨料+液体）来移除材料，但由于游离磨料线锯使用后的磨料易污染环境，导致工业上的浪费，且其加工效率低，故发展固定磨料线锯已成为工业界必然的趋势。相较于游离磨料线锯，固定磨料线锯之优点在于提升材料移除率以及加工磨料能充分被利用，能够有效的提供产能。

美国专利US4485757A曾提出一种用滚压嵌入方式制备连续金刚石线锯的工艺，此种工艺制备的金刚石线锯的金刚石涂层直径均匀而厚度及线径不均匀，很难生产出大于120米长的金刚石线。并且，通过机械作用将超硬磨料滚压嵌入到线材基体中，还大大降低了线材的强度。

一种磨料线锯是树脂结合剂固结方式是通过热固性树脂或光固化树脂将磨料颗粒固结到线材上，如申请号：98800112.8公开了一种线锯及其制造法，该专利提到在高强度线材上用树脂固定上磨料和填料，磨料尺寸不小于树脂粘结层厚度的三分之二，填料尺寸小于粘结剂厚度的三分之二。这种金刚石线锯存在磨料把持强度不高，耐热性差，耐磨性低，加工时线锯磨损严重等问题。

还有一种磨料线锯是通过电镀或复合镀的方式，是通过电镀，电镀和化学镀复合镀的方式，将磨料溶于镀液中，均匀的夹杂在金属镀层中而附着在线材上制备的，这种方式是从水溶液内沉积金属层把磨料颗粒埋住而把持力不够，磨料线锯的寿命短，因此无法从根本上解决磨料颗粒脱落的问题。

此外在切锯工件的过程中，会产生大量的工件粉末，这些粉末容易团聚并附着在研磨颗粒上，阻碍了研磨颗粒的工作，并影响了冷却液/润滑液对研磨颗粒的作用。

鉴于太阳能行业的快速发展，为了改善游离磨料线切所造成的污染和效率低的问题，日本一些企业，台湾的微钻，中国岱勒等公司也相应推出了用于太阳能晶硅切割的金刚线，其是在金刚石表面镀了一层金属，如镍或镍的合金，在通过镍或镍的合金镀液把金刚石附着在钢线上，这种制备的金刚线镀层对金刚石的把持力不够，容易造成断线，寿命低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中磨料颗粒易脱落从而导致线锯使用寿命短的技术问题，提供一种带有磨料的高效切割线锯，它能够将磨料颗粒牢牢的把持在金属线材上，从而来提高线锯的使用寿命，切割效率大幅增加，降低了切割时间，缩小了成本，提高了切割工件的质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有磨料的高效切割线锯，包括金属线材、包覆在金属线材表面的表面层和嵌置固定于表面层内的多个研磨颗粒，所述表面层内添加有偶联剂，偶联剂是用于提高树脂与固体表面黏合强度的助剂，由于偶联剂有特殊的化学结构，其分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与线材、研磨颗粒等表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和有机材料层发生化学作用或物理作用，从而使线材、有机材料层和研磨颗粒很好地偶联起来，获得了良好的粘接性，进而可以很好地把研磨颗粒牢牢把持在表面层内，解决了易脱落的问题，而且这种粘接结合并非传统的单纯物理连接，而是增加了化学键链接，其把持能力非常之高，有效地延长了线锯的使用寿命。

作为优选，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂、铝酸化合物偶联剂、磷酸酯偶联剂的一种或其组合。

进一步地，所述金属线材为单线、绞线或编线，直径选择在8～800μm。

作为优选，所述金属线材为不锈钢线、碳钢钢线、镀铜钢线、镀锌钢线或镀黄铜钢线。

本发明进一步地，表面层由有机材料制成，所述有机材料为环氧树脂、酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂、改性环氧树脂中任意一种或其组合，表面层的厚度选择在2～300μm。

针对应用场合，研磨颗粒选择硬质材料，这些硬质材料可以是金刚石、碳化硅、立方氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化钨中的一种或几种，其共性为硬质，未列举出的其他具有相同共性的材料也将落入本发明保护范围。

在表面层中还含有无机填充颗粒，其大小为研磨颗粒的1/30-3/4。通过无机填充颗粒的加入，可以解决切割过程中切屑堵塞，以及冷却液/润滑液的流通问题。

在金属线材和表面层之间还含有一层或多层的结合层。结合层一般是通过电镀或化学镀等方式形成的金属或合金层，这层结构的作用是有利于将研磨颗粒快速，均匀的附着到金属线材上，并有一定的附着力，并且可以通过冶金加工，让研磨颗粒表面包覆的金属，合金或金属化合层与结合层发生冶金结合反应，从而更加牢固的把持住研磨颗粒。而表面层是树脂层，研磨颗粒在其中的均匀分散程度稍差，因此选用结合层可以使颗粒均匀分布，快速高效的附着线材上，然后通过表面层中加偶联剂来加固对研磨颗粒的把持。

所述结合层的材料为金属或合金，所述金属是钛、镍、铜、锌、铝、银、锡或铬；所述合金是以钛、镍、铜、锌、铝、银、锡或铬为主体的合金。

所述的研磨颗粒的表面为裸露或者表面全部或部分包覆了金属或合金层或者表面全部或部分包覆了金属化合层。金属化合层为研磨颗粒表面与包裹于其外的金属合金层在物理结合力之外存在化学键结合。通过对研磨颗粒的表面处理，降低了研磨颗粒的表面能，有利于通过偶联剂的加入进一步把持住研磨颗粒，延长了线锯的使用寿命。

进一步地，研磨颗粒是具有自锐性的研磨颗粒，磨粒磨钝后，磨削力随之增大，可露出锋利刃口，提高切割效率。

进一步地，所述的包覆研磨颗粒的金属或合金层的材料为钛、镍、铜、锌、铝、银、锡、铬中的一种或是以上各金属的合金。

所述的金属化合层为镍、铜、锡、锌、铝或银为主体的合金材料。

所述的形成金属化合层的主体合金材料中含有活化材料，所述的活化材料为硅、钛、铬、锰、硼和铝中的一种或多种，所述的活化材料的重量百分比大于或等于金属化合层中合金材料总体的0.1%。由于金属化合层是在1000℃左右高温下形成的，加入这些活化材料，可以加快和帮助金属化合层的形成。

进一步地，所述的表面层的表面有沟槽。在表面层上加工出的这些沟槽，也起到了提高磨料携带能力的作用，而且通过这些沟槽的收缩及放大，避免了表面层从线锯上脱落，沟槽的深度以在表面层上形成即可。

进一步地，为便于制作，所述的沟槽为螺旋型或与线材平行或垂直的沟槽，或者是无规则裂纹式沟槽。

本发明的有益效果是，本发明通过在金属线材表面的表面层添加偶联剂，使得金属线材、表面层和研磨颗粒很好地偶联起来，获得了更好的结合强度，在传统的方法中，正如背景技术中所讲的那样，本领域技术人员通常采用滚压嵌入，即把研磨颗粒强制性滚压嵌入到位，这种方法显然是对线材本身破坏性巨大的；通常还采用树脂作为粘结剂，把研磨颗粒牢牢把持住，但事实上在应用中同样易出现脱落问题，因为归根结底，本领域技术人员在考虑研磨颗粒的易脱落问题上，通常是采用物理上的硬性连接，就好比某件物品易脱落，自然就想到采用粘接或压紧的方法使得东西不掉落，而这种物理作用的连接，显然在实际应用中没有很好地解决颗粒脱落问题，而对于本发明而言，独辟蹊径，从微观角度出发，在表面层中加入偶联剂，偶联剂分子两端通常含有性质不同的基团，一端的基团与线材、研磨颗粒等表面发生化学作用或物理作用，另一端的基团则能和有机材料层发生化学作用或物理作用，从而使线材、有机材料层和研磨颗粒很好地偶联起来，因此，本发明从微观的角度出发，不再采用传统的物理硬性连接，而是利用化学键连接，使得研磨颗粒能够非常牢固的把持在表面层内，有效地防止了颗粒易脱落的问题，延长了线锯的使用寿命，对于本领域来说是突破性的进步。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的实施例1的结构示意图；

图2是本发明的实施例2的结构示意图；

图3是本发明的实施例3的结构示意图；

图4是本发明的实施例4的结构示意图；

图5是本发明的实施例5的结构示意图。

图中：1.金属线材，2.结合层，3.表面层，4.研磨颗粒，5.无机填充颗粒，6.螺旋型凹槽。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1所示，将偶联剂和研磨颗粒4添加到有机材料中，搅拌均匀，将上述制备好的有机材料均匀的涂覆在金属线材1的表面，通过热固化（也可采用紫外线固化）处理形成表面层3，并制备成带磨料切割线锯。

其中选用的金属线材1为单线，镀铜钢线，金属线材1的直径为120um；选用的研磨颗粒4为碳化硅；选用的有机材料为环氧树脂；选用的偶联剂为一种硅烷偶联剂，此硅烷偶联剂分别含有和环氧树脂作用的官能团，和碳化硅作用的官能团；形成表面层3的厚度为8um。按此实施例获得的线锯，在切割8寸单晶硅片时，其切割断线率能保持在低于3.5%，在相同条件但没有添加偶联剂的线锯，相同条件切割8寸单晶硅片时，其断线率大于4.8%，由此可见，采用本实施例的线锯相比传统线锯更优越，使用寿命更长，断线率更低。

实施例2

如图2所示，将偶联剂、研磨颗粒4和无机填充颗5粒加入到有机材料中，搅拌均匀，将上述制备好的有机材料均匀的涂覆在金属线材1表面，通过热固化（也可采用紫外线固化）处理形成表面层3，并制备成带磨料切割线锯。

其中选用的金属线材1为单线，镀锌钢线，金属线材1的直径为500um；选用的研磨颗粒4为金刚石；选用的有机材料为酚醛树脂；选用的无机填料为碳化硅，尺寸是研磨颗粒4尺寸的1/30；选用的偶联剂为一种铬络合物偶联剂，此铬络合物偶联剂分别含有和酚醛树脂作用的官能团，和金刚石作用的官能团；形成表面层3的厚度为300um。按此实施例获得的线锯，在切割8寸单晶硅片时，其切割断线率能保持在低于3.2%，在相同条件但没有添加偶联剂的线锯，相同条件切割8寸单晶硅片时，其断线率大于4.5%。由此可见，采用本实施例的线锯相比传统线锯更优越，使用寿命更长，断线率更低。

实施例3

如图3所示，通过电镀的方式在金属线材1表面形成一层结合层2，并将表面全部包覆金属的研磨颗粒4通过结合层2附着在金属线材1上。将偶联剂和无机填充颗粒5加入到有机材料中，搅拌均匀，将上述制备好的有机材料均匀的涂覆在金属线材1的结合层2表面上，并可通过软刚刷在线材表面刷出螺旋型凹槽6（参考图3），通过热固化（也可采用紫外线固化）处理形成表面层3，并制备成带磨料切割线锯。

其中选用的金属线材1为单线，镀铜钢线，金属线材1的直径为110um；选用的研磨颗粒4为金刚石，其表面全部包覆着金属镍；选用的结合层2的材料为镍；选用的有机材料为环氧树脂；选用的无机填充颗粒5为碳化硅，尺寸是研磨颗粒4尺寸的3/4,；选用的偶联剂为一种硅烷偶联剂和一种钛酸酯偶联剂，此硅烷偶联剂分别含有和环氧树脂作用的官能团，和金刚石包覆层镍作用的官能团；此钛酸酯偶联剂分别含有和环氧树脂作用的官能团，和金属线材1表面铜作用的官能团；形成的表面层3的厚度为2um。按此实施例获得的线锯，在切割8寸单晶硅片时，其切割断线率能保持在低于3%，在相同条件但没有添加偶联剂的线锯，相同条件切割8寸单晶硅片时，其断线率大于4.5%。由此可见，采用本实施例的线锯相比传统线锯更优越，使用寿命更长，断线率更低。

实施例4

如图4所示，通过电镀的方式在金属线材1表面形成两层结合层2，并将表面部分包覆合金的研磨颗粒4通过结合层2附着在金属线材1上。将偶联剂和无机填充颗粒5加入到有机材料中，搅拌均匀，将上述制备好的有机材料均匀的涂覆在金属线材1的结合层2表面上，通过热固化（也可采用紫外线固化）处理形成表面层3，并制备成带磨料切割线锯。

其中选用的金属线材1为绞线，不锈钢线，金属线材1的直径为250um；选用的研磨颗粒4为金刚石，其表面部分包覆着镍铜合金；与金属线材1接触的第一层结合层2为镍金属，第二层结合层2选用的是镍铜合金；选用的有机材料为环氧树脂；选用的无机填充颗粒5为碳化硅，尺寸是研磨颗粒尺寸的1/4；选用的偶联剂为硅烷偶联剂，此硅烷偶联剂分别含有和环氧树脂作用的官能团，和金刚石包覆层镍铜合金以及第二层结合层2的镍铜合金作用的官能团；形成表面层3的厚度为20um。按此实施例获得的线锯，在切割8寸单晶硅片时，其切割断线率能保持在低于3%，在相同条件但没有添加偶联剂的线锯，相同条件切割8寸单晶硅片时，其断线率大于4.5%。由此可见，采用本实施例的线锯相比传统线锯更优越，使用寿命更长，断线率更低。

实施例5

如图5所示，通过电镀的方式在金属线材1表面形成一层结合层2，并将表面全部包覆金属化合层的研磨颗粒4通过结合层2附着在金属线材1上。将偶联剂和无机填充颗粒5加入到有机材料中，搅拌均匀，将上述制备好的有机材料均匀的涂覆在金属线材1的结合层2表面上，通过热固化（也可采用紫外线固化）处理形成表面层3，并制备成带磨料切割线锯。

其中选用的金属线材1为编线，镀黄铜钢线，金属线材1的直径为160um；选用的研磨颗粒4为金刚石，其表面全部包覆着金属化合层的主体材料为铜锆合金材料；结合层2使用的材料为镍铜合金；选用的有机材料为环氧树脂；选用的无机填充颗粒5为碳化硅，尺寸是研磨颗粒4尺寸的1/7；选用的偶联剂为硅烷偶联剂，此硅烷偶联剂分别含有和环氧树脂作用的官能团，和金刚石包覆金属化合层主体材料铜锆合金作用的官能团；形成表面层3的厚度为12um。按此实施例获得的线锯，在切割8寸单晶硅片时，其切割断线率能保持在低于3%，在相同条件但没有添加偶联剂的线锯，相同条件切割8寸单晶硅片时，其断线率大于4%。由此可见，采用本实施例的线锯相比传统线锯更优越，使用寿命更长，断线率更低。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (18)

1.一种带有磨料的高效切割线锯，包括金属线材、包覆在金属线材表面的表面层和嵌置固定于表面层内的多个研磨颗粒，其特征在于：所述表面层内添加有偶联剂。

2.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铬络合物偶联剂、铝酸化合物偶联剂、磷酸酯偶联剂的一种或其组合。

3.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述金属线材为单线、绞线或编线。

4.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述金属线材为不锈钢线、碳钢钢线、镀铜钢线、镀锌钢线或镀黄铜钢线。

5.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述金属线材的直径为8～500μm。

6.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述表面层由有机材料制成，所述有机材料为环氧树脂、酚醛树脂、甲基丙烯酸树脂、改性环氧树脂中任意一种或其组合。

7.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述表面层的厚度为2～300μm。

8.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述研磨颗粒是金刚石、碳化硅、立方氮化硼、氧化铝、氧化锆、氮化硅或碳化钨中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述金属线材和表面层之间还含有一层或多层的结合层。

10.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：在表面层中还含有无机填充颗粒，其大小为研磨颗粒的1/30-3/4。

11.如权利要求9所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述结合层的材料为金属或合金，所述金属是钛、镍、铜、锌、铝、银、锡或铬；所述合金是以钛、镍、铜、锌、铝、银、锡或铬为主体的合金。

12.如权利要求1或8所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述的研磨颗粒的表面为裸露或者表面全部或部分包覆了金属或合金层或者表面全部或部分包覆了金属化合层，所述的金属化合层为研磨颗粒表面与包裹于其外的金属合金层在物理结合力之外存在化学键结合。

13.如权利要求1或8所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：研磨颗粒是具有自锐性的研磨颗粒。

14.如权利要求12所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述的包覆研磨颗粒的金属或合金层的材料为钛、镍、铜、锌、铝、银、锡、铬中的一种或是以上各金属的合金。

15.如权利要求12所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述的金属化合层为镍、铜、锡、锌、铝或银为主体的合金材料。

16.如权利要求12所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征在于：所述的形成金属化合层的主体合金材料中含有活化材料，所述的活化材料为硅、钛、铬、锰、硼和铝中的一种或多种，所述的活化材料的重量百分比大于或等于金属化合层中合金材料总体的0.1%。

17.如权利要求1所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征是：所述的表面层的表面有沟槽。

18.如权利要求17所述的带有磨料的高效切割线锯，其特征是：所述的沟槽为螺旋型或与线材平行或垂直的沟槽，或者是无规则裂纹式沟槽。