硬脆性材料线切割切削液的组成和发展

硬脆性材料线切割切削液的组成和发展

富扬,刘兆滨,宋恩军,边玉强,孙艳芝

(辽宁奥克化学股份有限公司切削液事业部,辽宁辽阳111003)

摘要:综述了国内外太阳能光伏产业及半导体等高精端电子产业中硬脆性材料线切削液的发展、分类和应用。归纳总结了国内外近年来切削液的使用量,对2008年的市场需求进行了预测,重点分析综述了国内外水性切削液产品组成、配方的研究进程及切削液产品对线切割工艺过程、晶片质量的影响,并对国内线切削液今后的发展提出了建议。

关键词:切削液;线切割;硬脆性材料

中图分类号:T N305.1;TN304 文献标识码:A 文章编号:1003-353X(2008)04-0292-04

Composition and Development of Wire Cutting Fluids Used for

Hard and Brittle Materials

Fu Yang,Liu Zhaobin,Song Enjun,Bian Yuqiang,Sun Yanzhi

(Cutting Fluids Hi-Tech.Department,Liaoning Oxiranchem,Inc.,Liaoyang111003,China)

A bstract:The development,sort and application of wire cutting fluids are sum marized,which are used for cutting hard and brittle materials in the worldwide solar photovoltaic and semiconductor industries.The recent consume a mounts of cutting fluids and the market requirement for2008is also for ecasted.The composition and formulation of cutting fluids and the effects on wafer quality during manufacturing processing are analyzed.Some suggestions ar e pr oposed on the development of wire cutting fluids.

Key words:cutting fluid;wire cutting;hard and brittle material

EEAC C:2520M

0　引言

硬脆性材料是指高硬度、高脆性的材料,电子、光学材料多为硬脆性材料,如Si、GaAs、Ge、宝石等,此类材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体等高精端电子、光学产业中[1]。

伴随半导体、光伏材料技术的发展,对源头的硬脆性晶片的规格和质量也提出了更高的要求,晶片大直径薄片化已成为当前太阳能等晶片材料发展的显著特征和必然趋势,同时晶片尺寸的增大及变薄对其生产的工艺技术设备及附材提出了更高的要求,线切割已经成为其主要切割手段,而其中的切削液是其中必不可少的附材。1　硬脆性材料线切削液的分类

早期的硬脆性材料晶片线切削液基本是基于金属的刀锯切割液发展而来的,对于线切削液国内外第一类产品主要是以矿物油为主要成份的油性切削液[2-5],其中含有矿物油、防腐蚀剂、抗极压剂等物质,油性切削液易燃、对环境污染较大,同时清洗晶片时需要含氯的烷烃溶剂,对人体有致癌作用,故使用越来越少。

第二类产品是水性切削液[6-7],此类产品可以溶于水或被水分散,清洗晶片采用水即可,不必用有机溶剂,对环境及人体无损害。水性切削液又分为含水量较大的水基切削液及微量水含量的水溶性切削液。

含水量较大的水基切削液分为透明液、微浊液

技术专栏

Technology Column

基金项目:国家发改委基金资助项目([2007]1786)

两类,透明液一般含有有机增稠剂,但其可以溶解在水中;微浊液一般含有无机硅藻土等不溶于水但可被水分散的无机增稠剂。

水溶性切削液基本不含有水,产品为透明的真溶液,不需添加增稠剂,对设备腐蚀性较小,切割效率及成品率均较高,是现阶段国内普遍采用的一种切削液。

2　硬脆性材料线切削液的发展趋势

2.1　总体概述

近年来,随着人们环保意识的加强,世界各国高度重视太阳能这一绿色资源,太阳能电池被广泛应用,随之而来的硬脆性材料硅等晶体的应用迅猛发展,单晶硅、多晶硅硅片等硬脆性材料在近5年出现供不应求的局面。而对于晶片切割的主要附材之一的切削液的研究、生产、应用也相当活跃,从表1、2的切削液使用的增长量就可看出这一点。

表1　我国近年的切削液总使用量(A)

Tab.1　Dosage of cu tting fluid in China 时间/年20042005200620072008(预计) A/t26003500110003200062000

表2　世界近年的切削液总使用量(A)

Tab.2　Dosage of cutting flu id in the world 时间/年20042005200620072008(预计) A/t611007150087000105300135300

注:表1、2统计数据根据辽宁奥克化学股份有限公司2004-2008年切削液市场占有量及世界硅片市场量统计。

从世界各国线切削液的发展来看,大体都是从油基切削液逐渐发展到水基切削液,水基切削液配方组成及如何提高切割效率、降低切割损失、减小切割损伤等成为近10年来业内人士的关注焦点。

2.2　国内线切割液组成情况

我国对硬脆性材料的线切割液的研究起步较晚,大约在1990年以后才开始对线切割设备、切割工艺等的理论进行初步探讨研究,关于切削液的研究比较少[8-12]。

河北工业大学是国内较早研究硬脆性材料线切削液的单位,2001年河北工业大学刘玉岭、檀柏梅等人[13]重点研究了Si切削液的作用机理及相应切削液成分选择的理论依据,着重指出切削液的渗透性能在硅片线切割方面的作用。在之后的几年里又对切削液与金刚砂的混合悬浮液进行了研究,并指出切割时使用具备高悬浮、高润滑、高粘滞、高冷却性能的砂浆悬浮液可以有效降低切割应力,减小切割损伤层[14-15]。

近5年内国内对线切削液的研究才初见报道,基本也是立足于理论基础上的。

2006年山东大学的桑波[16]对大直径硅晶体低损伤精密切片新技术进行了研究,分析了走丝速度、切削液砂浆黏度及锯丝转角等参数对自由磨料线锯切片过程中流体动压效应的影响。线及晶体表面之间的空间中填充着砂浆(即切削液与SiC颗粒的混合物),而切削液在此空间会形成一个液层,液膜厚度随着切割区长度、走丝速度、研磨液黏度和锯丝直径的增加而增加,随锯丝转角和锯丝张力的增加而减小;流体动压力随着走丝速度、锯丝转角以及锯丝张力的增加而增加,随着切割区长度及锯丝直径的增加而减小,同年有多家大学对线切割工艺及切割理论进行了研究,为切削液的开发应用提供了理论依据[17-19]。

2005及2006年,刘玉岭等人[20-21]公开的专利中重点介绍了以聚乙二醇、胺碱、渗透剂、醇醚活性剂及去离子水为主要成份的水基切削液,并指出此切削液可以有效降低切割损伤、易于清洗。

1996-2003年,日本信越半导体株式会社先后在中国公开专利,对其成果在中国进行了保护,该公司发明了一种以亲水性多元醇化合物、亲油性多元醇化合物、硅酸胶体粒子、水、分散剂等成分组成的以特定合成工艺制备水基切削液,产品有效降低了切割大直径薄晶片的挠曲度,并指出对于硬脆性材料可进行高精度切割[22-24]。2003年日本第一工业制药株式会社在中国公开一种用于硬脆性材料硅等的非易燃性水基切削液,其主要成分由重均分子量在1000～200000聚羧酸系高分子化合物及其盐组成,还含有润滑剂、黏度调节剂、非金属防蚀剂、消泡剂等组分[25]。

2.3　国外线切割液组成情况

日、美、德、意、英等国是硬脆性材料线切割发展较早、技术较为先进的国家。对于切削液组成、应用的研究,国外申请了诸多专利,尤其是日本,对线切割机及切削液的研究、应用均处于世界领先水平。

1981年英国的J.Dulat等人公开了一种矿物油型切削液专利,此类物质主要由碱金属硼酸盐在低HLB值的表面活性剂存在下与脂肪酸或油反应,得到一种稳定的矿物油溶性产品,并可作为切削液使用。1988年英国的A.P.Ra wlinson、R.D.Whitby、J.White公开专利可溶性油基切削液,此切削液主要由矿物油、乳化剂、C3～C5石蜡支链共聚物磺酸盐、腐蚀抑制剂、水等组成,此类切削液主要可以抑制微生物的繁殖,延缓切削液衰败时间,同时不用加入偶联剂,对提高晶片的表面质量有益[3-4]。

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