一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀及其制造方法，该超高硬度划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、金刚石刃部膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，金刚石刃部膜层固定在铝合金复合材料表面。本发明专利技术表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】
一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀及其制造方法
本专利技术涉及特种材料领域，尤其涉及一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀及其制造方法。
技术介绍
硅圆片切片工艺过程中多应用内圆切割技术，该技术于二十世纪七十年代末发展成熟。随着硅圆片直径的增大，内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大，刀片张紧力也相应增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗加大。这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率，降低生产成本受到制约。加之当时内圆刀具制作上的困难，基于这种情况，国际上又发展了一种多线切割(后简称线切割)技术工艺方法。众所周知，随着硅圆片直径的增大，内圆切割技术的缺点使硅片表面的损伤层加大(约为30～40微米)。线切割技术优点是效率高(大约为内圆切割技术的6-8倍。在8小时左右切割过程中一次可切出400圆片左右)。切口小，硅棒切口损耗小(约为内圆切割技术的60％，这相当于内圆切片机切割6片圆片而节约出1块圆片)，切割的硅片表面损伤层较浅(约为10～15微米)，片子质量人为因素少。但线切割技术同内圆切割技术相比有其明显的弱点，一是片厚平均误差较大(约为内圆切割技术2倍)。二是切割过程中智能检测控制不易实现。三是切割过程的成功率要求较高，风险大，一但断丝而不可挽救时，直接浪费一根单晶棒。四是不能实现单片质量控制，一次切割完成后，才能检测一批圆片的切割质量，并且圆片之间切割质量也不相同。在这些方面，内圆切割技术却显示出其优越性来。具体表现在：(1)切片精度高。(2)切片成本低，同规格级的内圆切片机价格为线切割机价格1/3-1/4，线切割机还需配置专用粘料机。(3)每片都可调整。(4)小批量多规格加工时灵活的加工可调性(5)自动、单片方式切换操作方便性。(6)低成本的辅料(线切割机磨料及磨料液要定时更换)。(7)不同片厚所需较小的调整时间。(8)不同棒径所需较小的调整时间。(9)修刀、装刀方便。因此作为成熟工艺技术的内圆切割技术在大直径化发展方向上并没有失掉其有利的地位，并随着IC器件大片径化发展同时其技术不断创新。根据实践经验，我们认为：生产规模较小的生产单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用内圆切片机。现有技术中的切片刀由于其尺寸和结合力、强度和呈现矛盾状态，目前市场上仍没有一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的切割半导体的切片刀。因此市场上急需一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的消防用超高硬度划片刀。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术旨在提供一种表面硬度高、心部韧性好、抗裂、耐高温、散热性能好、切削性能好、使用寿命长的消防用超高硬度划片刀。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀，该超高硬度划片刀包括韧性陶瓷骨架、铝合金复合材料、金刚石刃部膜层三个部分；其中韧性陶瓷骨架具体为由氮化硅陶瓷体复合碳化硅晶须的韧化疏孔陶瓷骨架；铝合金复合材料具体为7A75铝合金混末混合碳粉、聚乙烯醇后二次烧结而成；所述铝合金复合材料包裹着韧性陶瓷骨架，金刚石刃部膜层固定在铝合金复合材料表面；该超高硬度划片刀的制造方法包括以下步骤：1)韧性陶瓷骨架的制造①按重量份数准备碳化硅晶须8份-10份、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉50份-60份、氟化钾粉末1份-1.5份、硅化钼3-5份、正硅酸乙脂6份-8份、无水乙醇3份-5份、纯净水3份-5份、热塑性酚醛树脂1.5份-2.5份；②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与超高硬度划片刀外形尺寸相适应、具有30mm-50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃-850℃、真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa的环境下，保温5h-8h，获得网格状预制毛坯；③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2-3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升温速率升温至1600℃-1700℃，保温时间4h-7h；④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；2)铝合金复合材料的制造①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉10份-12份、聚乙烯醇20份-25份；②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-1Pa-1×10-3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm-0.15mm，获得预制心部骨架；③将步骤②获得的预制心部骨架置于与超高硬度划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A75铝合金微粉、碳粉和聚乙烯醇的均匀混合物，获得待二次烧结模具；④将步骤③获得的待二次烧结模具置于700℃-705℃、真空度1×10-2Pa-1×10-3Pa的环境下，保温2h-3h，获得二次预制毛坯；⑤将步骤④获得的二次预制毛坯在炉温T不低于500℃时随炉冷却；炉温T处于500℃≤T＜200℃半开炉门冷却；炉温T＜200℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料；3)超高硬度划片刀制造①准备维持1×10-4Pa-1×10-5Pa真空度，通入使炉内气压升至1Pa-10Pa的氩气作为电离介质，纯度99.99％的石墨为靶材，靶-基距设置为75mm-80mm，中频溅射电源功率为300W-320W，频率范围30kHz-50kHz，占空比为80％，脉冲偏压电源固定在100V，频率为40kHz，占空比为80％，基体温度为室温，沉积气压为0.50Pa的磁控溅射设备；②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料竖立后沿轴心旋转，然后采用步骤①准备的磁控溅射设备对内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料盘片刃部进行磁控溅射，处理结束后取出即获得所需超高硬度划片刀。与现有技术相比较，由于采用了上述技术方案，本专利技术具有以下优点：(1)不同于现有技术仅通过刀片框架与刀刃对应的位置固定设置混合在一起的金刚石粉末和陶瓷粉末以缓和不同大小金刚石颗粒间的刀刃的露出度，使得金刚石颗粒的刃口在刀片同一水平线在露出度一致，同时起到研磨作用，消除晶体本身的在被切割时产生的应力，从而达到更好的切割品质的技术方法，本专利技术直接采用磁控溅射在高机械性能的基体上镀覆类金刚石膜层，根据半导体的硬度(单晶硅莫氏硬度6.5，约合980HV-1000HV；砷化镓努普硬度750，约合700HV-720HV；锗莫氏硬度6.5，约合800HV-820HV)，选用高结合力韧化材料进行表面硬化处理，由于仅在刃部局部溅射，因此应用范围广、适用性好。(2)根据切削硬度匹配性，表面硬度不低于3500HV的本专利技术用于切割整体硬度700HV-1000HV的半导体材料时切削效率高、生热低，不容易导致昂贵的半导体材料烧伤和由于晶格转变而损毁。(3)骨架采用韧化后网格化的疏孔陶瓷(疏孔是由于原材料中含有较大量的正硅酸乙脂、无水乙醇、纯净水和热塑性酚醛树脂，在高真空环境下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀的制造方法，其特征在于包括以下步骤：1)韧性陶瓷骨架的制造①按重量份数准备碳化硅晶须8份‑10份、颗粒尺寸3μm‑5μm的氮化硅微粉50份‑60份、氟化钾粉末1份‑1.5份、硅化钼3‑5份、正硅酸乙脂6份‑8份、无水乙醇3份‑5份、纯净水3份‑5份、热塑性酚醛树脂1.5份‑2.5份；②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与超高硬度划片刀外形尺寸相适应、具有30mm‑50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃‑850℃、真空度1×10‑3Pa‑1×10‑5Pa的环境下，保温5h‑8h，获得网格状预制毛坯；③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2‑3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h‑250℃/h的升温速率升温至1600℃‑1700℃，保温时间4h‑7h；④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；2)铝合金复合材料的制造①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉10份‑12份、聚乙烯醇20份‑25份；②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10‑1Pa‑1×10‑3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm‑0.15mm，获得预制心部骨架；③将步骤②获得的预制心部骨架置于与超高硬度划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A75铝合金微粉、碳粉和聚乙烯醇的均匀混合物，获得待二次烧结模具；④将步骤③获得的待二次烧结模具置于700℃‑705℃、真空度1×10‑2Pa‑1×10‑3Pa的环境下，保温2h‑3h，获得二次预制毛坯；⑤将步骤④获得的二次预制毛坯在炉温T不低于500℃时随炉冷却；炉温T处于500℃≤T＜200℃半开炉门冷却；炉温T＜200℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料；3)超高硬度划片刀制造①准备维持1×10‑4Pa‑1×10‑5Pa真空度，通入使炉内气压升至1Pa‑10Pa的氩气作为电离介质，纯度99.99％的石墨为靶材，靶‑基距设置为75mm‑80mm，中频溅射电源功率为300W‑320W，频率范围30kHz‑50kHz，占空比为80％，脉冲偏压电源固定在100V，频率为40kHz，占空比为80％，基体温度为室温，沉积气压为0.50Pa的磁控溅射设备；②将阶段2)中获得的内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料竖立后沿轴心旋转，然后采用步骤①准备的磁控溅射设备对内部固化有韧性陶瓷骨架的铝合金复合材料盘片刃部进行磁控溅射，处理结束后取出即获得所需超高硬度划片刀。...

【技术特征摘要】
1.一种铝基金刚石复合超高硬度划片刀的制造方法，其特征在于包括以下步骤：1)韧性陶瓷骨架的制造①按重量份数准备碳化硅晶须8份-10份、颗粒尺寸3μm-5μm的氮化硅微粉50份-60份、氟化钾粉末1份-1.5份、硅化钼3-5份、正硅酸乙脂6份-8份、无水乙醇3份-5份、纯净水3份-5份、热塑性酚醛树脂1.5份-2.5份；②将步骤①获得的所有物料混合后放入轮廓尺寸与超高硬度划片刀外形尺寸相适应、具有30mm-50mm间距网格的模具中，然后将该模具置于800℃-850℃、真空度1×10-3Pa-1×10-5Pa的环境下，保温5h-8h，获得网格状预制毛坯；③将步骤②获得的网格状预制毛坯置于2-3倍大气压的保护气氛中，以1000℃以上保持200℃/h-250℃/h的升温速率升温至1600℃-1700℃，保温时间4h-7h；④烧结完成后，炉温T不低于1000℃时随炉冷却；炉温T处于800℃≤T＜1000℃半开炉门冷却；炉温T＜800℃出炉空冷，冷却至室温后，即获得所需韧性陶瓷骨架；2)铝合金复合材料的制造①按重量份准备足量7A75铝合金微粉、碳粉10份-12份、聚乙烯醇20份-25份；②将阶段1)获得的韧性陶瓷骨架放置于旋转托盘上，采用超音速火焰喷涂设备，以7A75铝合金微粉为原料，在真空度1×10-1Pa-1×10-3Pa的环境下对韧性陶瓷骨架进行均匀化喷涂，喷涂厚度0.1mm-0.15mm，获得预制心部骨架；③将步骤②获得的预制心部骨架置于与超高硬度划片刀外形尺寸相匹配的模具中，使预制心部骨架与模具空间形状同轴，并在模具剩余空间内填充满步骤①准备的7A7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨燕军，熊朝阳，
申请(专利权)人：杨燕军，熊朝阳，
类型：发明
国别省市：浙江,33