專利名稱：超級磨料金屬絲鋸及該鋸的制造方法
本申請是1998年3月11日提交的美國專利申請09/038,300的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及密布有超級磨料的金屬絲鋸。更具體地說，本發(fā)明涉及超級磨料直接粘結(jié)在帶有活性金屬銅焊料或焊料的金屬細絲基材上的金屬絲鋸。
金屬絲鋸技術(shù)具有各種工業(yè)用途。在采礦工業(yè)中金屬絲鋸用于切割巖石。常規(guī)的金屬絲鋸一般具有沿金屬絲用繩串成串的磨珠，繩索穿過各個磨珠的中央通孔。磨粒嵌入磨珠的外表面，磨珠通過墊圈縱向放置在金屬絲上。例如，可參見Tank等的美國專利5,377,659。此外，Buyens的美國專利5,383,443對帶磨珠的金屬絲鋸進行了改進，其中磨珠偏心地固定在金屬絲上。
中國臺北的中華磨輪公司提供一種帶磨珠的金屬絲鋸，它使用銅焊在磨珠上的金剛石磨粒。這些磨珠可以Kinik、DiaGridPearls的商品名購得，用于切割建筑材料，如大理石、蛇紋石、花崗巖和混凝土。
業(yè)已在重金屬絲(如直徑4.4mm)中切出的狹縫中銅焊含金剛石的金屬基質(zhì)片斷，制成用于建筑工業(yè)的巖石切割鋸(參見美國專利3,886,925)。
對陶瓷，尤其是單晶硅塊(本文有時稱之為硅坯料(boule))切片制成薄晶片對于微電子工業(yè)、光學和光電工業(yè)是非常重要的。切割的精度對于制造具有高尺寸公差的平的晶片是重要的。傳統(tǒng)上，陶瓷晶片是用磨粒粘結(jié)在中央通孔內(nèi)徑上的異常磨輪鋸成的。這種“內(nèi)徑鋸”能相當精確地進行切割，但是一次只限于切割一片晶片。
近來將金屬絲鋸用于陶瓷晶片的制造中。通過使用以這種方式串接的長金屬絲鋸，即沿坯料的長度方向形成許多割道(pass)，能同時切割許多晶片，從而提高生產(chǎn)率。所述工件具有很高的質(zhì)量，因此即使稍許浪費原料也是昂貴的。所以現(xiàn)有的金屬絲鋸技術(shù)包括使用平滑的(plain)金屬絲，并在金屬絲和坯料的界面上施用松散的磨粒。
常規(guī)的帶磨珠的金屬絲鋸或巖石加工鋸總體上不適合晶片切片所需的精確研磨。磨珠提高了工具的有效厚度，使工件的切口太寬。帶磨珠的金屬絲鋸除去的工件物質(zhì)是一片晶片的數(shù)倍。使用墊圈和套筒進一步增加了帶磨珠的金屬絲鋸的制造復雜性。
能降低用于晶片切片的金屬絲鋸切口的另一種技術(shù)包括將磨粒直接電化學沉積在金屬絲基材上。電化學沉積一般需要將帶電的金屬絲放入處于帶相反電荷的金屬化合物液體溶液中的磨粒床中。當金屬沉積在該金屬絲上時，它把磨粒捕獲在薄金屬層中，從而將磨粒粘結(jié)在金屬絲上。例如，Schmid等的美國專利A-5,438,972公開了一種刀片，在鍍鎳時將金剛石磨粒固定在具有淚滴形剖面的不銹鋼絲芯的切割表面上。
通過電化學沉積制得的金屬絲鋸的主要缺點在于磨粒和沉積鍍層之間不存在化學鍵。在使用時，薄層的外表面很塊被磨去，當約少于一半的沉積金屬被磨蝕時，磨粒就很容易從金屬絲上脫落。因此，金屬絲鋸也就過早(即磨粒變鈍前)失效。在循環(huán)負荷下電鍍的金屬還會與金屬絲脫粘。
電化學沉積的金屬絲鋸的另一個缺點是制造昂貴。在磨粒床中的磨料物質(zhì)應遠過量于實際沉積在金屬絲上的磨料物質(zhì)。當然，超級磨粒是十分昂貴的，在磨粒床中保持磨粒的總量提高了成本。另外，控制磨粒在金屬絲上的分布是不可行的。
要求超級磨料金屬絲鋸(尤其是用于切割薄部件，如陶瓷晶片，的金屬絲鋸)具有小的剖面尺寸。還要求超級磨料金屬絲鋸具有長的使用壽命，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本相對較低。還需要一種這種金屬絲鋸的制造方法，它能精確并靈敏地控制磨料在金屬絲上的分布，同時減少金屬絲的熱損傷并保持其機械強度。
因此，本發(fā)明提供一種金屬絲鋸，它包括金屬絲和通過銅焊或焊接金屬粘結(jié)劑固定在所述金屬絲上的超級磨粒，其中磨粒較好以預定的表面分布放置在所述金屬絲的表面上。
本發(fā)明還提供一種金屬絲鋸的制造方法，它包括(a)提供包括金屬粘結(jié)劑組合物的糊漿，所述組合物選自金屬銅焊和金屬焊料組合物；(b)在金屬絲表面上涂覆一層糊漿；(c)在所述糊漿層上沉積一層磨粒層；(d)在惰性氣氛中對所述金屬絲加熱，加熱溫度和時間足以使所述粘結(jié)組合物熔融；和(e)冷卻該金屬絲，從而將磨粒粘結(jié)在金屬絲上。
本發(fā)明金屬絲鋸包括金屬絲芯和通過銅焊或焊接金屬粘結(jié)劑直接固定在該金屬絲上的單層磨粒。該金屬絲鋸可用于常規(guī)的切割操作。所以該金屬絲應能承受這種金屬絲鋸常經(jīng)受的張力、熱量和彎曲。因此該金屬絲材料應具有足夠的強度、撓性和高的熔融溫度，使之具有令人滿意的切割性能。金屬絲所用金屬的熔點還應明顯高于所述金屬粘結(jié)劑的液化溫度，從而在銅焊或焊接磨粒時金屬絲不會受損或受到不利影響。代表性的金屬絲的金屬包括鐵、鎳、鈷、鉻、鉬、鎢和含任何這些金屬的合金(如因康鎳合金)。在焊接加工中可使用鋼，但是在銅焊時放置在高溫中會使之喪失拉伸強度。高碳鋼通常很少受高溫銅焊的影響。在制造方法中增加淬火步驟(即快速冷卻)能在很大程度上恢復鋼絲的強度。鎢是較好的，因為它基本不受金屬絲鋸制造步驟中的熱處理的影響，但是具有特定形狀和物理性能的各種金屬絲均適用于本發(fā)明。
在本文中，術(shù)語“銅焊”是指一種方法，它將熔點低于要粘結(jié)的金屬的粘結(jié)劑金屬加熱至400℃或更高的高溫，使該粘結(jié)劑金屬流動，隨后冷卻至該粘結(jié)劑金屬固化的溫度，從而形成連接。術(shù)語“焊料”是指黃銅狀的金屬粘結(jié)材料，其流動溫度低于400℃(如200-399℃)。
較好的是，金屬絲具有圓柱形幾何形狀，具有縱軸和與該縱軸垂直的圓形橫截面。適用于特殊用途的合適的金屬絲鋸可使用非圓形橫截面的金屬絲制成。例如，橫截面可以是橢圓的、平的、不平的、矩形的(如正方形)、梯形的、和低級多邊形(即3-6邊形)。術(shù)語“平的”是指金屬絲具有高長寬比的矩形橫截面，象一條帶子，即具有特有的長度和寬度，其寬度約小于長度的10％。可以理解本發(fā)明帶鋸可用作帶鋸刀，包括磨粒分布在鋸刀全部表面上或僅分布在部分表面上的帶鋸刀。
根據(jù)金屬絲鋸切割薄陶瓷晶片(即“精確切割”)的主要目的，金屬絲的直徑應盡可能小以將切口損失減至最小。在鋸的過程中金屬絲上的張力實際上限制了該直徑。金屬絲直徑的最大值通常約為140-1000微米，較好約150-250微米。
在本發(fā)明的另一方面，金屬絲鋸還可用于切割建筑材料或巖石，例如用于采礦用途中，即用于“粗切割”用途。為了制得具有足夠強度并具有合適工具壽命的金屬絲用于這種用途，金屬絲的直徑應明顯增加至約1-5mm。在粗切割用途中，可使用單股金屬絲或?qū)⒍喙山饘俳z編織在一起，形成所需總直徑的繩索或繩子。磨?？摄~焊在單股或多股基材上。
與使用新的金屬絲鋸切片陶瓷晶片(尤其是硅晶片)的主要目的相一致，磨粒較好包括超級磨料。合適的有金剛石、立方氮化硼及其任何比例的混合物。金剛石可以是天然的或合成的。金屬絲鋸的磨料組分還可包括非超級磨料和超級磨料的混合物，前提是所述非超級磨料應能承受用于附著在金屬絲上的金屬銅焊加工。較好的是，磨料組分的主要部分(即大于50體積％)是超級磨料。適用的代表性的非超級磨料包括施加500g負荷時測得的Knoop硬度約為1000-3000的碳化硅、氧化鋁、碳化鎢等。特別好的金屬絲鋸中磨料組分全部是超級磨料。
在一個較好的實例中，磨粒以一層大致為單顆粒厚度層放置在金屬絲鋸上。術(shù)語“單顆粒厚度層”是指基材上存在單層磨粒。還應挑選磨粒使之具有窄的粒徑分布。這使得金屬絲鋸具有更均勻的切割邊緣。金屬絲鋸可以“修整”得具有更精確均勻的切割邊緣，然而，一般來說，粒徑越相似，則所需的修整也就越少?？赏ㄟ^選擇多次過篩的顆粒原料來控制粒徑的分布。為了精確切割，粒徑較好約為5-50微米并顆粒具有均勻的粒徑分布，其中至少約90％的顆粒約為平均粒徑的0.85-1.15。因此，對于精確切割陶瓷晶片，新的帶磨料的金屬絲鋸的總橫截面尺寸較好應約180-300微米。對于粗切割，較好為大粒徑(即約600微米)磨粒，因此金屬絲鋸的總橫截面尺寸約為2.2-6.2mm。
如上所述，磨粒較好通過銅焊或焊接金屬粘結(jié)劑，最好通過活性金屬粘結(jié)劑直接固定在金屬絲上。用于將磨粒固定在金屬工具預制件上的銅焊或焊接金屬粘結(jié)劑的組合物是眾所周知的。說明性的金屬粘結(jié)劑組合物包括金、銀、鎳、鋅、鉛、銅、錫、這些金屬的合金和這些金屬與其它金屬(如磷、鎘、釩等)的合金。一般來說，可向該組合物中添加少量其它組分，以改進粘結(jié)劑的性能，例如用于改進熔融溫度、熔體粘度、磨料表面的濕潤性和粘結(jié)強度。銅/錫青銅基合金或鎳基合金是較好的用于將磨粒，尤其是超級磨料粘結(jié)至金屬上的粘結(jié)劑。
術(shù)語“活性金屬粘結(jié)劑”是指上述金屬組合物中另外加入某些稱為“活性金屬”或“反應性金屬”形成的粘結(jié)劑。這些活性金屬的特性在于在銅焊步驟的高溫下金屬粘結(jié)劑組合物熔融時，它們能與碳或氮反應形成碳化物或氮化物。如此形成的碳化物或氮化物與超級磨料化學相容，從而用熔融的液體粘結(jié)劑組合物改進超級磨料顆粒的濕潤性，并增加顆粒和粘結(jié)劑之間的附著強度。具有特別高的金剛石粘結(jié)值的代表性活性金屬包括鈦、鉭、鉻和鋯。一般來說，活性金屬應在金屬粘結(jié)劑組合物占少量，并可少至占該組合物的約0.5重量％。
特別好的活性金屬粘結(jié)劑組合物包括青銅合金和鈦。青銅合金較好包括約10-30重量％，更好約23-25重量％的錫，至100重量％的余量為銅。鈦的含量約為2-25重量％，較好約5-10重量％。特別好的活性金屬粘結(jié)劑組合物包括約19-21重量％的錫、約69-73重量％的銅和約8-10重量％的鈦。
在粘結(jié)劑組合物中鈦的形式應能在銅焊過程中發(fā)生反應。它可以以元素形式或化合物形式加入。元素鈦在低溫下與水反應形成二氧化鈦，從而在銅焊過程中不能再與金剛石反應。因此，當存在水分時加入元素鈦不是最好。有時水是液體粘結(jié)劑的構(gòu)成組分(如下面將描述的那樣)。如果鈦以化合物的形式加入，該化合物應能在銅焊步驟中分解，使鈦與超級磨料發(fā)生反應。鈦較好以氫化鈦(TiH2)的形式加入粘結(jié)劑材料中，該化合物最高在約500℃是穩(wěn)定的。高于約500℃，氫化鈦會分解成鈦和氫。
在另一個較好的實例中，活性金屬粘結(jié)劑組合物可含有青銅、鈦和少量其它活性組分，如鋯和元素碳。加入鋯主要是提高銅焊過程中熔融態(tài)粘結(jié)劑材料的粘度。鋯較好以元素形式加入?；衔镄问降匿?如氫化鋯)通常是不適用的，因為在銅焊溫度或低于該溫度下該化合物不會分解成元素鋯。在銅焊過程中碳與粘結(jié)劑材料中過量的游離鈦反應，形成碳化鈦顆粒。碳化鈦的優(yōu)點將在下面描述。碳還會與鋯反應形成硬的碳化鋯。這種組合物包括100重量份青銅合金(主要由約10-30重量％的錫和余量的銅組成)、約10-20重量份鈦、約5-10重量份鋯和約0.1-0.5重量份元素碳。
在另一個較好的實例中，如美國專利A-5,846,269所述，可向粘結(jié)劑組合物中加入硬材料的細顆粒(尤其是碳化鈦)。也可加入其它硬材料，如二硼化鈦、工具用鋼和羰基鐵(carbonyl iron)以及硬填料的混合物。碳化鈦可如上所述原位制得。業(yè)已發(fā)現(xiàn)碳化鈦顆粒能提高銅焊金屬粘結(jié)劑的沖擊強度，從而使粘結(jié)層具有改進的耐磨性。硬顆粒的粒徑較好約為1-10微米。
當使用焊接時，涂覆金屬(如銅、鈦、鎳或鉻，涂覆1-10微米)的金剛石需要確保具有合適的金剛石濕潤性并能有效地將金剛石粘結(jié)至金屬絲上。合適的涂覆的金剛石可購自Tomei Dia(如50重量％(約2微米)涂覆銅的IRM-CPS金剛石)。用于這種目的的銅焊組合物中使用的活性元素在焊接溫度下不發(fā)生反應，因此在焊料組合物中不起改進磨粒保留性的作用。
用于制造金屬絲鋸的合適的焊料組合物包括接近低共熔的錫和銀，它們在221℃流動。較好的焊料組合物包括這種錫-銀合金(銀占合金的4重量％)和1-2重量％銅以及10重量％TiB2作為硬填料。合適的焊料組合物可包括銀、錫、銅、鋅、鎘和鉛，更好的組合物包括硬的錫基焊料焊料，如低共熔的錫和鉛。
在銅焊前用活性金屬涂覆磨粒的技術(shù)可用于本發(fā)明。在鎳基合金銅焊的情況下，較好使用一層形成碳化物的活性金屬(如鈦、鎢和鋯)?？墒褂靡阎姆椒?如物理氣相沉積和化學氣相沉積)將金屬置于磨料上。如美國專利A-5,855,314所述(在此引為參考)，近來將某些優(yōu)點歸因于用第一活性組分的機械束縛層(boundlayer)并用含第二活性組分的銅/錫合金銅焊組合物預涂覆超級磨粒。更具體地說，形成的銅焊組合物中活性組分的總含量遠低于僅將一種活性組分加入銅焊組合物中形成的粘結(jié)所需的活性組分的量。這種方法產(chǎn)生強的與超級磨料的粘結(jié)，同時把用于形成金屬間組成的活性組分的量減至最小。
一般來說，粘結(jié)材料的組分是以粉末狀提供的。粉末的粒徑不是關(guān)鍵的，但是粉末的粒徑較好小于約325目(粒徑44微米)。粘結(jié)材料是將組分混合至各組分形成均勻的濃度而制得的。
可將干粉粘結(jié)材料與低粘度、暫時的液態(tài)粘結(jié)劑混合在一起。該粘結(jié)劑在所述粉末組分中的加入比例足以形成粘性的糊漿。在糊漿狀態(tài)，粘結(jié)材料可精確地施涂(dispense)并粘結(jié)在金屬絲和磨粒的表面上。根據(jù)用于將糊漿施涂在金屬絲上的方法，糊漿的粘度可在一個大范圍內(nèi)變化。粘結(jié)材料糊漿較好應具有牙膏的稠度。
術(shù)語“暫時的”是指該粘結(jié)劑應具有足夠的揮發(fā)性，從而在銅焊過程中基本完全蒸發(fā)和/或熱解，不殘留會影響粘結(jié)功能的殘余物。該粘結(jié)劑較好在低于約400℃的溫度蒸發(fā)。但是，該粘結(jié)劑的揮發(fā)性應低得足以在室溫使糊漿在合理的時間(干燥時間)內(nèi)保持液態(tài)和粘性，從而能將粘結(jié)材料和磨粒施涂在金屬絲上。在室溫干燥時間較好約為1-2小時。能滿足新粘結(jié)材料要求的合適的液態(tài)粘結(jié)劑可從市場上購得。適用于本發(fā)明的代表性形成糊漿粘結(jié)劑包括購自Vitta Company的BrazTM-Binder Gel；購自Wall Colmonoy Corporation，Madison，Heights，Michigan的“S”粘結(jié)劑和購自Wesgo，Belmont，California的Cusil-ABA、Cusin-ABA和Incusil-ABA的糊漿。含有與金屬銅焊組合物組分預混的粘結(jié)劑的活性金屬銅焊組合物糊漿可以LucanexTM(如Lucanex 721)的商品名購自Lucas-Millane Company，Cudahy，Wisconsin。
可使用本領(lǐng)域已知的許多方法(如高剪切混合)將粘結(jié)劑與粉末摻混在一起。混合粉末和液態(tài)粘結(jié)劑的次序不是關(guān)鍵的。可使用本領(lǐng)域已知的任何技術(shù)(如刷涂、噴涂、刮涂或?qū)⒔饘俳z工具浸在糊漿中)將糊漿涂覆在金屬絲上。
可使用一種連續(xù)的方法十分有效地制得新的金屬絲鋸。金屬絲可方便地纏繞在線筒上。拖拉金屬絲使之開卷通過一個沉積磨料和粘結(jié)劑前體的區(qū)。任選地還可對金屬絲進行預處理，例如機械或化學地清洗其表面，除去氧化物或使表面粗糙，以便更好地粘附施涂的磨料和粘結(jié)材料。
在一個實例中，依次施涂粘結(jié)劑前體和磨粒。也就是說，在將金屬絲連續(xù)地拖拉經(jīng)過沉積區(qū)的同時，先將銅焊糊漿組合物涂覆在金屬絲的表面上。糊漿層構(gòu)成一個接納磨粒的床。隨后，將磨粒沉積在糊漿床中。
銅焊糊漿層的厚度一般應約為磨粒平均粒徑的100-200％。該厚度由這樣一些因素控制，如磨粒濃度和用于制造具有所需性能的糊漿的粘結(jié)劑的比例?？墒褂萌魏畏椒ǔ练e磨粒，例如單個放置、涂覆(dusting)或噴灑。這些技術(shù)能以預定的表面分布將磨粒置于基材上。磨粒的表面分布可以是連續(xù)的或間斷的。間斷的表面分布的特征在于在金屬絲的含磨粒區(qū)之間具有不含磨粒的區(qū)域。間斷的表面分布能降低施加在金屬絲上的力，促進有效地除去碎屑。連續(xù)的表面分布可以是沿金屬絲鋸的長度方向為均勻的或者為不均勻的。磨粒不均勻的連續(xù)分布的性能與間斷的表面分布的性能大致相同。任選地還可加入已知用于磨具的任何填料組分，以稀釋其它組分。一般來說，這些填料組分對銅焊過程是惰性的。也就是說，它們不會與銅焊組合物的組分、磨?；蚪饘俳z明顯發(fā)生反應。
具體的制造方法包括將金屬絲水平地拉過沉積區(qū)，同時將磨粒垂直地灑落在涂覆的金屬絲上。這種方法的特點在于能控制磨粒在金屬絲上的表面分布。也就是說，通過改變在移動的、涂覆的金屬絲上灑落松散的磨粒的速率以獲得所需的表面分布，可容易地調(diào)節(jié)用單位金屬絲表面上磨粒的數(shù)目、體積或重量表示的表面分布。另外，灑落的幅度可以是脈動的或以其它方式周期性地改變的，以便使表面沉積沿長度方向周期性地發(fā)生變化?；蛘?，使金屬絲通過磨粒在載氣中的流化床。
涂覆沉積步驟的進一步特征還在于能基本以單顆粒厚度層沉積磨粒。由于銅焊前磨粒通過與金屬絲接觸的層中的糊漿的粘性而臨時定位，因此不可能形成多層磨粒。作為一個任選的步驟，可輕輕地振搖金屬絲以除去過量的或松散承載的磨粒。另外，可將金屬絲再次拉過沉積區(qū)段，以提高總的表面分布，或者提高稀疏區(qū)的磨粒分布。
預計垂直地沉積在水平金屬絲上的磨粒不與下層金屬絲接觸。為了均勻地涂覆金屬絲的表面，推薦將金屬絲繞其縱向軸以預定的旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動。隨后，將經(jīng)轉(zhuǎn)動的金屬絲再次拉過沉積區(qū)，使磨粒灑落在金屬絲新轉(zhuǎn)上來的部分上。
另一種技術(shù)是將磨粒一次沉積在金屬絲的表面上。這種技術(shù)包括用銅焊糊漿涂覆金屬絲的周邊。隨后將涂覆的金屬絲向上拉過位于裝有松散磨粒的錐形儲器底部的小孔。該小孔的形狀和大小可選為稍大于金屬絲的形狀和大小。較好的是，小孔和金屬絲之間的間隙小于磨粒的平均粒徑，以防止磨粒從小孔落出。當金屬絲拉過小孔后，磨粒粘附在粘性表面上并與金屬絲一起拉出該儲器。儲器的圓錐形形狀推動新的磨粒緊密接觸從下面拉出的金屬絲?？烧饎踊蛴闷渌椒〝嚢柙搱A錐形儲器，以促進磨粒均勻分布在該小孔的周圍。
在另一個實例中，同時施涂糊漿和磨粒。也就是說，將磨粒與銅焊糊漿預先混合。隨后將帶磨粒的糊漿施涂在裸金屬絲上。較好的是，磨粒應均勻地分散在糊漿中。隨后用常規(guī)的金屬絲涂覆方法將糊漿涂覆在金屬絲上。較好除去過厚的帶磨粒的糊漿，以確保僅單顆粒厚度層的磨粒保留在金屬絲上。
可以很好理解多顆粒厚度的磨粒層能提供長的磨料壽命，有時這是非常重要的。在可容許多顆粒厚度金屬絲鋸的寬切口的粗切割用途中，尤其希望長的使用壽命。因此，本發(fā)明預混的磨粒/銅焊糊漿實例也能用于提供多顆粒厚度的磨料層。這種磨料層可通過一次形成適當厚度的預混磨粒/銅焊糊漿層或者通過多次重復沉積厚層和銅焊薄層而制得。單次方法是較好的，因為它能減少將金屬絲暴露在會損傷金屬絲的高溫下的時間。
上述施涂銅焊糊漿和磨粒的方法不是限制性的。對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的制造金屬絲、用于銅焊的銅焊金屬粘結(jié)劑組合物和磨粒的復合物的其它變化均包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。
在銅焊金屬粘結(jié)劑組合物和磨粒定位于金屬絲上以后，對粘結(jié)劑組合物進行熱處理，將磨粒最終牢固地銅焊在金屬絲上。金屬絲/粘結(jié)劑組合物/磨粒復合物應在中間溫度(通常遠低于銅焊溫度)保持足夠的時間，以揮發(fā)液態(tài)粘結(jié)劑的暫時的組分。隨后，可提高溫度以熔融粘結(jié)劑組分?？墒挂苿拥慕饘俳z通過保持在適當選定條件的加工區(qū)而連續(xù)進行這種加工。這種加工結(jié)束后，可將金屬絲纏繞在線筒上儲存。
銅焊是在高溫下進行的，溫度的選擇需考慮多個系統(tǒng)參數(shù)，如銅焊金屬粘結(jié)劑組合物的固-液溫度范圍、金屬絲的結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料以及磨粒的物理性能。例如，在空氣中高于約1000℃的溫度下或者在真空或惰性氣氛中在高于約1200℃的溫度下金剛石可石墨化。當然，金剛石石墨化的溫度還與放置時間有關(guān)。
還如上所述的那樣，在高溫下放置會不利地影響金屬絲的強度。因此，通常希望在可能最低的溫度下進行銅焊。應選擇金屬銅焊組合物以便較好在約800-1150℃，更好在約850-950℃的溫度下進行銅焊。
熱處理應在惰性氣氛下進行，以防止銅焊組分不良的氧化。惰性氣氛可用惰性氣體(如氮氣或氬氣)或高真空(也就是低于約0.001mmHg絕對壓力)達到。
加熱可在烘箱中進行。其它合適的加熱方法包括電阻加熱和局部加熱方法(如感應加熱方法、激光加熱、紅外加熱和電子束加熱以及這些方法的混合方法)。局部加熱方法降低了由于在高溫下過度放置而導致金屬絲受損的可能性。局部加熱法還存在形成間斷磨料涂層(銅焊金屬粘結(jié)劑和磨料在金屬絲上具有精確圖案)的機會。在這種情況下，可例如通過刷除、搖去或空氣噴射金屬絲來除去未銅焊的材料。除去的材料可回收以循環(huán)利用。
當使用焊料制造金屬絲鋸時，金屬焊料不能與水性粘合劑體系一起施涂，因為有效焊接所需的烴焊劑與水性粘結(jié)劑體系不相容。取而代之的是以烴基糊漿的形式施涂焊料組合物的金屬。合適的烴是凡士林。還可使用石蠟油和蠟。
在一種特別好的制造新金屬絲鋸的方法中，從供料線筒中拉出圓形橫截面的金屬絲并向下沿垂直的中心軸通過一個圓柱形糊漿室。金屬絲從糊漿室蓋子上密封的小孔進入該室。糊漿室中裝有超級磨粒、銅焊或焊料金屬粘結(jié)劑組合物分別與暫時的液態(tài)粘結(jié)劑或烴的糊漿的均勻混合物。金屬絲從糊漿室底部的圓形小孔(其內(nèi)徑大于金屬絲的直徑)中穿出。任選地可例如通過將新的磨粒/銅焊糊漿的混合物泵入糊漿室，或者用活塞壓縮該混合物來向該混合物施加壓力。從而使離開小孔的金屬絲涂覆嵌入金屬糊漿中的磨粒。選擇小孔的直徑以確保金屬絲上的磨粒層具有單顆粒厚度或多顆粒厚度。
接著涂覆的金屬絲落入垂直烘箱的多溫度區(qū)中。金屬絲最先到達的烘箱最上部被控制在約250—500℃的中間高溫下。當在該區(qū)金屬絲的溫度上升時，粘結(jié)劑的暫時的液態(tài)組分揮發(fā)。
如果存在有活性金屬組分(如氫化鈦)，它還會反應以沉積銅焊組合物中的活性金屬。烘箱的下部的一個或多個區(qū)單獨地控制在較高的溫度，高達銅焊溫度。烘箱區(qū)的高度、各區(qū)的溫度和金屬絲通過烘箱的線速度決定在各溫度下的放置時間。烘箱可密閉以便與環(huán)境大氣隔絕。烘箱的底部入口和頂部出口用于用惰性氣體吹掃烘箱內(nèi)部。
熱的銅焊金屬絲通過底部的中央孔離開烘箱。它是用一個轉(zhuǎn)向滑輪拉出烘箱的，該滑輪將金屬絲方向變至水平擺動的纏繞線筒。該轉(zhuǎn)向滑輪可位于低溫液冷浴中，在纏繞前對金屬絲淬火。該滑輪還使金屬絲受到張力，從而使之通過小孔和烘箱的中央。
如上所述，本發(fā)明金屬絲鋸很適用于從工件上切割薄的陶瓷晶片。陶瓷工件的形狀不是關(guān)鍵的。通常它是圓柱形坯料，直徑高達約8英寸(20cm)。金屬絲鋸可包括單個金屬絲刀(形狀與帶鋸相似)，例如如Egglhuber的美國專利5,616,065(在此引為參考)所述，每次從工件上切割一塊晶片或者一次切割多塊晶片。如上述美國專利5,438,973的圖4所示，還可以將一系列單個金屬絲刀串聯(lián)在一起以便從工件上同時切割多塊晶片。由于將小的均勻尺寸的磨粒單層直接附著在小橫截面尺寸的金屬絲上，因此新的金屬絲鋸能切割薄的晶片(即薄至約300微米)而很少浪費工件材料。當在陶瓷切割試驗中使用下列實施例所述的金屬絲時，可觀察到最少的浪費和高的切割效率。
下面將通過實施例說明本發(fā)明。除非另有說明，否則所有份、比例和百分數(shù)均是以重量計算的。所有重量單位和最初得到的非SI單位值均已換算成SI單位。
實施例1將14.823g預合金的23％Sn/73％Cu粉末(粒徑小于44微米)、1.467g氫化鈦粉末(粒徑小于44微米)和3.480g 10/20微米的金剛石顆粒摻混在一起制得干混合物。這種混合物中金剛石占33體積％。將20重量份Vitta Braze-Gel(VittaCorporation)與50重量份蒸餾水混合在一起單獨制得暫時的液態(tài)粘結(jié)劑。將該粘結(jié)劑加入干混合物中并在玻璃燒杯中用刮刀手工攪拌至得到均勻的糊漿。
將約2m經(jīng)鉛浴淬火的高碳鋼制成的直徑為0.008英寸(0.178mm)的專利金屬絲以約0.25m/s的速度拉過該糊漿，將糊漿涂覆在金屬絲上。涂覆的金屬絲經(jīng)空氣干燥后在真空(＜1μmHg)下在880℃的烘箱中銅焊30分鐘。如此制得銅焊金屬粘結(jié)的金剛石磨粒的金屬絲。
實施例2將99.9g預合金的23％Sn/73％Cu粉末(粒徑小于44微米)、和9.1g氫化鈦粉末(粒徑小于44微米)摻混在一起制得干混合物。隨后以75體積％金屬對25體積％金剛石的比例加入平均粒徑為20微米的天然金剛石。將85重量份VittaBraze-Gel(Vitta Corporation)與15重量份聚丙二醇混合在一起單獨制得暫時的液態(tài)粘結(jié)劑。將該粘結(jié)劑加入干混合物中并在玻璃燒杯中用刮刀手工攪拌至得到40重量％粘結(jié)劑混合物的均勻糊漿。隨后將一根250微米直徑的Inconel 718金屬絲以1m/min的速率拉過該糊漿并進入一管式爐(流動氬氣，氧氣小于1ppm)，該管式爐的高加熱區(qū)設(shè)定在915℃。制得銅焊的涂覆金剛石的金屬絲，它具有足夠的機械強度和足夠的磨粒涂層以切割陶瓷晶片。
實施例3將99g預合金的96％Sn/4％Ag粉末(粒徑小于44微米)、和1g銅粉(粒徑小于44微米)摻混在一起制得干混合物。隨后以75體積％金屬對25體積％有鍍層的金剛石的比例加入平均粒徑為20微米并帶有薄的銅鍍層的天然金剛石。將該干混合物加至含2重量％氯化鋅焊劑的凡士林混合物中，并在玻璃燒杯中用刮刀手工攪拌至得到含75重量％固體混合物的均勻糊漿。隨后將一根250微米直徑的Inconel 718金屬絲以1m/min的速率拉過該糊漿并進入一管式爐，該管式爐的高加熱區(qū)設(shè)定在350℃。制得焊接的涂覆金剛石的金屬絲，它具有足夠的機械強度和足夠的磨粒涂層以切割陶瓷晶片。
實施例4在Laser Technology West Inc.制造的實驗室金屬絲鋸機上，從25mm立方體的多晶硅上切片，試驗實施例2和實施例3的金屬絲。金屬絲上使用的張力為10N，金屬絲的平均速度為2-3m/s，并且使用的切割負荷為440g。兩種金屬絲的初始切割速度在1.5-2.1mm/min之間，使用乙二醇作為冷卻劑滴入切口中。經(jīng)10次切割后，實施例2的金屬絲的切割速率不變，而實施例3的金屬絲的切割速率降至小于1mm/min。
盡管在實施例中選擇本發(fā)明的特殊形式進行了說明，并為了說明本發(fā)明的這些形式而使用了特殊的術(shù)語，但是這些描述對本發(fā)明范圍不構(gòu)成限制，本發(fā)明范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種金屬絲鋸，它包括金屬絲和磨料層，所述磨料層中的磨粒通過選自銅焊金屬粘結(jié)劑和焊接金屬粘結(jié)劑的金屬粘結(jié)劑直接固定在金屬絲上，所述磨粒包括超級磨粒。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，其特征在于所述磨料層是以單顆粒厚度層的形式存在的。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬絲鋸，其特征在于所述磨料以預定的表面分布存在于金屬絲上。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬絲鋸，其特征在于所述表面分布是連續(xù)的。
5.如權(quán)利要求4所述的金屬絲鋸，其特征在于所述連續(xù)的表面分布是均勻的。
6.如權(quán)利要求3所述的金屬絲鋸，其特征在于所述表面分布是間斷的。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，其特征在于所述磨粒全部是超級磨粒，并且選自金剛石、立方氮化硼或其混合物。
8.如權(quán)利要求7所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括選自金、銀、鎳、鋅、鉛、銅、錫、這些金屬的合金和這些金屬與磷、鎘或釩的合金的銅焊金屬。
9.如權(quán)利要求8所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括主要由10-30重量％錫和余量的銅組成的青銅合金。
10.如權(quán)利要求9所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑還包括少量選自鈦、鉭、鉻和鋯的活性金屬。
11.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲的金屬選自鐵、鎳、鈷、鉻、鎢、鉬和含任何這些金屬的合金。
12.如權(quán)利要求11所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲的金屬是鎢。
13.如權(quán)利要求11所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲的金屬是鋼。
14.如權(quán)利要求11所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲具有圓形橫截面。
15.如權(quán)利要求11所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲具有非圓形的橫截面。
16.如權(quán)利要求15所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲的橫截面是橢圓形的、矩形的、正方形的、梯形的或3-6邊的多邊形。
17.如權(quán)利要求15所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬絲的橫截面是平的。
18.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，其特征在于所述磨料層還包括填料組分。
19.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，它包括多根金屬絲，磨粒通過銅焊金屬粘結(jié)劑直接固定在這些金屬絲上。
20.如權(quán)利要求1所述的金屬絲鋸，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括選自銀、錫、銅、鋅、鎘和鉛，這些金屬的合金以及這些金屬和合金與至少一種填料組分的混合物的焊接金屬。
21.如權(quán)利要求20所述的金屬絲鋸，其特征在于所述焊接金屬包括錫和銀的合金。
22.一種金屬絲鋸的制造方法，它包括(a)提供包括金屬粘結(jié)劑組合物的糊漿，所述組合物選自金屬銅焊組合物和金屬焊料組合物；(b)在金屬絲表面上涂覆一層所述糊漿；(c)在所述糊漿層上沉積一層磨粒層；(d)在惰性氣氛中對所述金屬絲加熱，加熱溫度和時間足以使所述粘結(jié)組合物熔融；和(e)冷卻該金屬絲，從而將磨粒粘結(jié)在金屬絲上。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述磨粒沉積成基本單顆粒厚度層。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述步驟(d)的溫度最高約1150℃。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于通過將金屬絲拖拉過涂覆區(qū)、沉積區(qū)、加熱區(qū)和冷卻區(qū)而連續(xù)進行步驟(b)-(e)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于所述拖拉包括在沉積區(qū)水平地放置金屬絲并對該絲進行沉積，所述沉積包括將磨粒灑落在水平放置的金屬絲上。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，它還包括下列步驟(c1)在初始沉積磨粒后并在加熱前繞金屬絲的縱向軸旋轉(zhuǎn)金屬絲；和(c2)重復步驟(c)和(c1)，直至金屬絲的預定表面部分沉積有磨粒為止。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述沉積步驟包括使金屬絲通過磨粒在載氣中的流化床。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于在用糊漿涂覆金屬絲以前將所述磨粒與糊漿混合到均勻的濃度，并且將含磨粒的糊漿施涂在金屬絲上，從而同時進行涂覆和沉積步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所述磨粒沉積成單顆粒厚度層。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所述磨粒沉積成多顆粒厚度層。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，它還包括向金屬銅焊組合物中加入填料組分的步驟。
33.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所述磨粒以預定的表面分布沉積在金屬絲上。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于所述預定的表面分布是連續(xù)的。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于所述連續(xù)的表面分布是均勻的。
36.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述預定的表面分布是間斷的。
37.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述加熱步驟包括選自感應加熱、激光加熱、紅外加熱和電子束加熱的局部加熱法。
38.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述磨粒是金剛石、立方氮化硼或其混合物。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述金屬絲的金屬選自鐵、鎢、鉬和含任何這些金屬的合金。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括選自金、銀、鎳、鋅、鉛、銅、錫、這些金屬的合金和這些金屬與磷、鎘或釩的合金的銅焊金屬。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括主要由10-30重量％錫和余量銅組成的青銅合金，還包括少量選自鈦、鉭、鉻和鋯的活性金屬。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑包括約69-73重量％銅、約19-21％錫和約8-10重量％鈦。
43.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于銅焊前，所述超級磨粒涂覆有一層形成碳化物的活性金屬。
44.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述金屬粘結(jié)劑組合物是金屬焊料組合物。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于所述步驟(d)是在低于400℃的溫度下進行的。
全文摘要
一種金屬絲鋸,包括小直徑的金屬絲和一層通過銅焊或焊接活性金屬粘結(jié)劑緊緊地固定在該金屬絲表面上的磨粒。磨粒較好形成單層。磨粒以預定的表面分布置于金屬絲的表面上。該金屬絲鋸可用完全連續(xù)的方法制得,包括用混有暫時的液態(tài)粘結(jié)劑組分的金屬粘結(jié)劑粉末組分的糊漿涂覆金屬絲。磨粒沉積在糊漿層中。隨后,在高溫下熔融粘結(jié)劑組合物,將磨粒銅焊在金屬絲上。磨?？砂ǔ壞チ２牧?如金剛石和立方氮化硼。因此,該新的金屬絲鋸適合以最小的工件浪費切割超薄晶片、陶瓷晶片。
文檔編號B28D5/04GK1332663SQ99803841
公開日2002年1月23日 申請日期1999年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月11日
發(fā)明者S·T·布爾儉, R·M·安德魯斯, E·G·吉爾里 申請人:諾頓公司