轮毂型划片刀及其制备方法与在砷化镓材料加工中的应用
阅读说明：本技术 轮毂型划片刀及其制备方法与在砷化镓材料加工中的应用 (Hub type scribing cutter, preparation method thereof and application thereof in gallium arsenide material processing ) 是由 陈昱 刘学民 李威 冉隆光 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了轮毂型划片刀及其制备方法与在砷化镓材料加工中的应用,将铝合金基体研磨处理后进行化学处理,再放入金刚石电镀液进行电镀,得到电镀后的刀片；将电镀后的刀片进行外圆修整、车床加工后进行化学出刃,然后进行抛光,得到轮毂型划片刀；所述金刚石电镀液由金刚石、氨基磺酸镍、氨基磺酸钴、硫酸镍、硼酸、水组成。本发明公开了新的划刀片,具有超薄性,厚度在10～15μm,磨料的分散性好,加工砷化镓材料时,切口窄、无崩裂,且切割入膜低。(The invention discloses a hub-type scribing cutter, a preparation method thereof and application thereof in processing gallium arsenide materials, wherein an aluminum alloy substrate is subjected to chemical treatment after being ground, and then is put into diamond electroplating solution for electroplating to obtain an electroplated blade; carrying out excircle trimming and lathe machining on the electroplated blade, then carrying out chemical edge forming, and then polishing to obtain a hub-type scribing cutter; the diamond electroplating solution consists of diamond, nickel sulfamate, cobalt sulfamate, nickel sulfate, boric acid and water. The invention discloses a novel scribing blade which is ultrathin, has the thickness of 10-15 mu m, has good abrasive dispersibility, and has narrow cut, no crack and low film cutting rate when processing a gallium arsenide material.)
技术领域
本发明属于加工工具技术，具体涉及轮毂型划片刀及其制备方法与在砷化镓材料加工中的应用。
背景技术
随着近几年半导体行业高速发展，各种新型半导体材料随之产生，砷化镓材料便是其中一种。砷化镓材料（GaAs）传统的硅材料相比，具有很高的电子迁移率（约为硅材料的5.7倍）以及宽禁带结构。同样条件下，它能更快地传导电流。我们可以利用砷化镓半导体材料制备微波器件，它在卫星数据传输、移动通信、GPS全球导航等领域具有关键性作用。当然砷化镓材料也存在一些缺点，如:材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等,这都大大影响了其应用程度。 在半导体芯片领域由于砷化镓材料较传统硅片材料具有更高的电子迁移率，因此砷化镓芯片尺寸规格均大幅小于常规硅材料，同时砷化镓材料的机械强度较传统硅片弱，这样对于加工砷化镓的轮毂型划片刀提出了更高的要求，目前全球仅日本Disco刀片可切割砷化镓材料，国内外其余砷化镓切割刀片均在研发解决，因此需要开发新的轮毂型划片刀，以更好在砷化镓材料中应用。
发明内容
本发明公开了新的划刀片，具有超薄性，厚度在10~15μm，磨料的分散性好，加工砷化镓材料时，切口窄、无崩裂，且切割入膜极低。
本发明采用如下技术方案：
轮毂型划片刀，其制备方法包括以下步骤，将铝合金基体研磨处理后进行化学处理，再放入金刚石电镀液进行电镀，得到电镀后的刀片；将电镀后的刀片进行外圆修整、车床加工后进行化学出刃，然后进行抛光，得到轮毂型划片刀；所述金刚石电镀液由金刚石、氨基磺酸镍、氨基磺酸钴、硫酸镍、硼酸、水组成。
本发明轮毂型划片刀的刀刃厚度为10~15μm。进一步的，本发明公开了上述轮毂型划片刀在加工砷化镓材料中的应用，所述加工为切割。
一种加工砷化镓材料的方法，包括以下步骤，将铝合金基体研磨处理后进行化学处理，再放入金刚石电镀液进行电镀，得到电镀后的刀片；将电镀后的刀片进行外圆修整、车床加工后进行化学出刃，然后进行抛光，得到轮毂型划片刀；然后利用轮毂型划片刀切割砷化镓材料，完成砷化镓材料的加工；所述金刚石电镀液由金刚石、氨基磺酸镍、氨基磺酸钴、硫酸镍、硼酸、水组成。
本发明中，化学处理为研磨后的铝合金基体依次经过氢氧化钠溶液处理、硝酸处理、沉锌液处理；再放入金刚石电镀液进行电镀。
本发明中，铝合金基体研磨处理为不锈钢研磨盘研磨与阻尼抛光布研磨；其中不锈钢研磨盘研磨时压力为15~35kg，研磨液采用6000#白刚玉（粒径0.5~1.5μm），浓度200g/L，研磨时间为8~12min；阻尼抛光布研磨时压力为10kg，研磨液为铝合金抛光液，每分钟在阻尼抛光布上滴加10~20ml研磨液，研磨时间为8~20min。
本发明中，金刚石的粒度为1-2μm。
本发明金刚石电镀液中，金刚石、氨基磺酸镍、氨基磺酸钴、氯化镍、硼酸的浓度分别为氨基磺酸镍300~500g/L，氨基磺酸钴45~60g/L，硫酸镍10~50g/L，硼酸30~60g/L，金刚石1~5g/L。
本发明中，金刚石电镀液经过球磨处理，球磨时，每升金刚石电镀液加入100g聚氨酯球磨子，球磨的转速为300rad/min、时间为10~20min。
本发明中，轮毂型划片刀的内孔圆度小于1μm，现有技术对刀片内孔圆度没有明确要求，本发明创造性的提出限定内孔圆度，提高了划片刀的切割性能，结合基体处理以及电镀配方，避免砷化镓材料崩裂。
本发明轮毂型划片刀的制备方法如下：
（1）铝合金基体装入电镀夹具后依次通过氢氧化钠溶液、硝酸及沉锌液处理得到表面处理的铝合金基体；
（2）将表面处理的铝合金基体放入含有5000#金刚石（金刚石粒度1-2μm）的电镀液中，进行金刚石电镀；
（3）将电镀后的刀片采用800#碳化硅砂轮进行外圆修整；
（4）将外圆加工好的胚体采用车床加工漏出的需要部分；
（5）将车加工后的刀片在200g/L的氢氧化钠溶液中进行化学出刃漏出刀片背部刃口部分；
（6）将刃口漏出的刀片在磷酸与硫酸混合液中进行抛光处理，漏出背部金刚石，成品刀片即完成，得到轮毂型划片刀。
砷化镓材料较硅材料相比，整体尺寸大幅减少，因此划片刀切割道也非常窄，常规砷化镓材料切割道要求非常窄，因此划片刀厚度需制备为10~15μm，这对刀片刚性提出更高要求，现有市售硅材料划片刀无法满足该要求；砷化镓材料强度降低，普通硅片的崩缺在砷化镓材料上体现为崩裂，因此对于刀片上金刚石分散及刀片平整度提出更高要求，若金刚石分散不均，直接造成砷化镓材料的崩裂；砷化镓材料在切割过程中，划片刀切割入膜极低，普通硅片刀片入膜约为0.03mm，而砷化镓刀片切割入膜约为3~5μm，砷化镓材料切割入膜过深后，刃口会发生粘胶现象导致刀片锋利度下降直接导致砷化镓材料崩裂，因此现有硬材料切割刀片不符合砷化镓的切割要求。
本发明采用研磨处理的方式对市售铝合金基体进行加工，相对于常规车加工的方法，本发明得到的划片刀刚性更好，避免在高速切割时由于刚性不足而发生蛇切及断刀现象；同时本发明镍钴合金电镀方式，进一步提高了划片刀加工砷化镓的性能，解决了现有划片刀在高速切割时由于刚性不足而发生蛇切及断刀的现象。由于加工砷化镓材料的特殊性，粒径大的金刚石无法适用，小粒径金刚石存在分散问题，在电镀液中长期悬浮会发生金刚石团聚现象，本发明在电镀液配方的基础上，首次提出球磨处理，电镀后的划片刀加工性能佳，不会造成砷化镓材料崩裂，而且无需每次电镀后就更换金刚石，避免造成原材料的大量浪费。
附图说明
图1为研磨铝合金基体的实物图；
图2为球磨得到电镀液的显微照片；
图3为本发明划片刀实物图；
图4为机加工铝合金基体的实物图；
图5为本发明加工后的砷化镓材料照片；
图6为对比划片刀加工后的砷化镓材料照片。
具体实施方式
本发明涉及的原料都为现有常规产品，符合轮毂型划片刀的应用要求；具体的操作方法、电镀方法、测试方法都为现有技术，比如将电镀后的刀片进行外圆修整、车床加工后进行化学出刃，然后进行抛光这几步根据现有技术操作。
将NaOH加入水中，配置250g/L NaOH碱液；配置75wt%的HNO3水溶液为酸液；沉锌液（上海熬美化学有限公司）根据厂家给出的说明书使用。
实施例一
将市售铝合金基体放在研磨夹具中，在现有研磨机上依次进行不锈钢研磨盘研磨、阻尼抛光布研磨，不锈钢研磨盘研磨时压力为20kg，研磨液采用白刚玉（粒径0.5~1.5μm）水分散液，浓度200g/L，研磨时间为10min；阻尼抛光布（HSL/华士力）研磨时压力为10kg，研磨液为铝合金抛光液(抛光液厂家：海德精密铝合金抛光液，采用质量比1:2加水稀释)，每分钟在阻尼抛光布上滴加15ml研磨液，研磨时间为15min，最后用水常规清洗、干燥；得到研磨铝合金基体，实物图参见附图1，内孔孔径为19.0542~19.055mm，即内孔圆度为0.8μm，制备的轮毂型划片刀的内孔圆度小于1μm。
按以下组成，将原料加入水中，配置初始镀液：
金刚石 3 g/L
氨基磺酸镍 400 g/L
氨基磺酸钴 50 g/L
硫酸镍 35 g/L
硼酸 45 g/L
其余为水。
将初始镀液在常规行星式球磨机中球磨，得到电镀液，显微照片参见附图2；球磨时，每升金刚石电镀液加入100g聚氨酯球磨子，球磨的转速为300rad/min、时间为15min。
1、将研磨加工完成的铝合金基体装入电镀夹具，依次浸入氢氧化钠250g/L的氢氧化钠溶液2min后水清洗、浸入75%的硝酸1min后水清洗、浸入沉锌液1min后水清洗，得到表面处理的铝合金基体；
2、将表面处理的铝合金基体加入电镀液中，搅拌下进行45℃、0.6A电流电镀处理1小时，得到轮毂型划片刀用电镀件；搅拌为210rad/min搅拌15s、30rad/min搅拌1min循环进行；
3、根据常规方法，将轮毂型划片刀用电镀件采用800#碳化硅砂轮磨去外圆镍层后，采用机加工数控车床加工刀片刃口，减薄刃口铝层，机械加工参数为：刃口厚度0.15mm，刃口长度0.35mm，然后装入夹具保护表面铝基，漏出刃口，再放入90℃、250g/L的氢氧化钠溶液中反应，刃口铝层将溶于氢氧化钠中而漏出金刚石镀层；再装入导电的夹具中，然后放入硫酸与磷酸的混合溶液中，以刀片为阳极，铅板为阴极进行常规化学抛光，减薄镀层使得金刚石充分裸露，提高刀片锋利度，制备的轮毂型划片刀实物图见附图3。
对比例一
将市售铝合金基体（与实施例一市售一样）进行常规机床加工，得到机加工铝合金基体，为现有铝合金基体的常规加工方法，实物图参见附图4。将机加工完成的铝合金基体装入电镀夹具，依次浸入氢氧化钠250g/L的氢氧化钠溶液2min后水清洗、浸入75%的硝酸1min后水清洗、浸入沉锌液1min后水清洗，得到表面处理的铝合金基体；再根据实施例一的电镀液、电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
对比例二
按以下组成，将原料加入水中，配置初始镀液：
金刚石 3 g/L
氨基磺酸镍 400 g/L
硫酸镍 35 g/L
硼酸 45 g/L
其余为水
将初始镀液根据实施例一的参数球磨，得到电镀液。
将实施例一方法制备的表面处理的铝合金基体加入上述电镀液中，根据实施例一的电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
对比例三
将实施例一方法制备的表面处理的铝合金基体加入实施例一的初始镀液中，根据实施例一的电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
对比例四
将市售铝合金基体根据实施例一的方法研磨，得到研磨铝合金基体，内孔孔径为19.053~19.058mm，内孔圆度5μm，为现有轮毂型划片刀的常规参数。将研磨加工完成的铝合金基体装入电镀夹具，依次浸入氢氧化钠250g/L的氢氧化钠溶液2min后水清洗、浸入75%的硝酸1min后水清洗、浸入沉锌液1min后水清洗，得到表面处理的铝合金基体；再根据实施例一的电镀液、电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
对比例五
按以下组成，将原料加入水中，配置初始镀液：
金刚石 3 g/L
氨基磺酸镍 400 g/L
氨基磺酸钴 50 g/L
氯化镍 35 g/L
硼酸 45 g/L
其余为水
将初始镀液根据实施例一的参数球磨，得到电镀液。
将实施例一方法制备的表面处理的铝合金基体加入上述电镀液中，根据实施例一的电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
对比例六
按以下组成，将原料加入水中，配置初始镀液：
金刚石 3 g/L
氨基磺酸镍 400 g/L
氨基磺酸钴 30 g/L
硫酸镍 35 g/L
硼酸 45 g/L
其余为水
将初始镀液根据实施例一的参数球磨，得到电镀液。
将实施例一方法制备的表面处理的铝合金基体加入上述电镀液中，根据实施例一的电镀方法进行处理，得到轮毂型划片刀。
上述轮毂型划片刀的刀刃厚度为12~14μm之间。
应用实施例
以主轴转速50000rad/min、切割深度0.15mm的参数切割现有砷化镓晶片，切割速度60m/min，对上述轮毂型划片刀进行加工实验，切割1000米。
实施例一未发生脱落、蛇切及断刀现象；对比例一100米后出现蛇切且切割300米出现断刀；对比例二切割560米出现断刀；对比例三前期切割良好，665米出现崩边，730米出现崩裂；对比例四刀片未断，但是砷化镓晶片明显崩裂；对比例五刀片未断、没有蛇切，但是835米时，砷化镓材料出现崩边；对比例六刀片未断、没有蛇切，但是818米时，砷化镓材料出现崩边。
本发明轮毂型划片刀（实施例一）加工性能好，加工后的砷化镓材料无崩裂，见附图5；对比例四的轮毂型划片刀加工后的砷化镓材料明显崩裂，见附图6。
砷化镓材料的加工对刀片要求高，不仅需要薄（10~15μm）的刀刃，而且其本身易崩裂，现有用于砷化镓材料切割的刀片产品良率低、使用寿命低，切割不到700米就断刀。而现有加工晶元的划片刀刀刃较厚，极少有20μm以下的，不满足砷化镓材料切割要求。本发明创造性的从铝合金基体的处理、电镀配方的选择以及电镀液的处理着手，经过整体技术手段，得到的轮毂型划片刀不仅使用寿命长，可以达到现有的1.5倍以上，而且加工后产品的品质好，符合工业良品要求。
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