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一种连续生产金刚石线的方法与流程

admin 人造钻石 2020年08月02日

  本发明涉及一种利用电镀方法,制备用于切割蓝宝石晶体棒的金刚石线的连续生产方法和装置,属于金刚石线制造领域。

  蓝宝石单晶是一种由铝元素和氧元素组成的氧化物。它的硬度很大,光学透光率优异。它已被应用于个人消费电子产品,如手机,I pad等电子设备的屏幕,同时它是微电子和光电子产业极为重要的基底材料,可以用作为LED灯的基底材料。随着个人消费电子产品需求的增长和节约能源的需要,蓝宝石晶体片的需求越来越大。蓝宝石晶体片是由晶体棒被金刚石线锯切割而得,金刚石线的需求也呈现上升的趋势。

  目前,金刚石线的生产一般由两种方法: 第一种方法是埋沙法,是指将钢丝线埋入砂槽内部,用金刚石磨料埋住钢丝,砂堆又完全泡在电镀液中,通电后,在电沉积的作用下,和钢丝体接触的金刚石磨料粘在基体表面上,从而完成金刚石线的生产。这种方法的弊端是钢丝线上下两面的压力不同,表面砂的摩擦力也不同,必然使得线的上下面金刚石的颗粒数有很大区别,使得钢丝线在切割中容易出现跑偏的现象。另外,由于钢丝线在砂堆中穿行,容易将新固定的金刚石颗粒被阻挡下来,造成不钢丝线表面金刚石颗粒不均一。另一种方法是落砂法,是指利用金刚石微粉直接加入电解液,并悬浮在电镀液体中,在微粉自身的重力下落到钢丝体上,再进行电镀固定金刚石微粉。这种方法也会导致钢丝线上部和下部的金刚石数目不均衡,不利于切片的过程。因此,需要一种设备简单,连续生产镀层均一的金刚石线的方法和设备。

  本发明是针对上述的金刚石线生产方法的不足,提出一种本发明可以连续生产金刚石线的连续生产金刚石线的方法。

  本发明的目的是怎样实现的:首先利用金刚石微粉与镍的电镀液混合形成预电镀溶液,再由一个由蠕动泵或其它机械式泵形成一个液滴,使得这个液滴进入钢丝线和环形镍阳极,钢丝线与电源的负极相连;开启电源通过电流,电流经过环形镍阳极,均匀地到达阴极钢丝线;同时,阳极镍溶解,形成镍离子进入电解液。电解液中的镍离子在钢丝线阴极表面还原,形成电镀镍层,同时液滴中的金刚石微粉被固定在钢丝线上,这是预电镀的过程;表面固定了金刚石微粉的钢丝线,再一次进入电镀槽进行电镀,这个电镀槽的电镀液内没有金刚石微粉,仅能电镀镍层;钢丝线上固定的金刚石微粉周围的镍层逐渐加厚,金刚石颗粒被进一步深埋入镍层固定;这个过程不断反复,即含有金刚石和镍离子的电解液不断滴下,预电镀过程不断进行,镍层增厚过程也不断进行,金刚石线也被连续生产出来, 经过去离子水洗净后干燥,进入退火炉退火,消除镀层内的应力。

  本发明的具体实施步骤为:首先配制金刚石与镍离子的混合电镀液。每升电镀液包括: 10 ~ 25 g金刚石,100 ~ 260 g的NiSO4, 40 ~ 110 g NiCl2, 40 ~ 60 g硼酸, 预电镀利用以上的混合电镀液。增厚电镀则不含金刚石微粒,其余成分不变。将混合电镀液放置于喷液装置中,这个装置有个喷嘴,喷嘴直径是300 ~ 600 µm,喷嘴由一根橡皮导管和一个盛由电镀混合液的容器相连,喷嘴液滴形成的驱动力由一个蠕动泵或其它机械式泵提供。将环形的镍金属阳极穿过钢丝线,在镍环的上部滴下一滴混合电解液,使得电解液浸没阳极环和钢丝线,同时恒流电源施加电流。阳极镍溶解的同时,溶液中的镍离子电沉积在钢丝线表面。金刚石颗粒也被一层较薄的镍薄膜固定在钢丝表面,这是预电镀的过程。钢丝移动的速率与溶液滴下速率相互配合,保证每次组成电子回路时,都有新鲜的电解液在钢丝线周围,即每次电镀都有足够的镍离子和金刚石颗粒沉积在钢丝表面。电镀完成后,利用不含金刚石微粒的电镀液,进行镍层的增厚电镀,将金刚石包裹在镍层中。完成电镀后,去离子水洗涤后干燥。再将金刚石线在加热炉中退火一定时间,消除镀层的内部应力。

  1) 为了保证钢丝线上电镀的均一性,钢丝线的行进速率较低,一般在50 cm ~ 200 cm/h, 行进速度均一。

  2) 预电镀的电解液,被加热到40 ~ 50oC, 同时有超声搅拌,保证金刚石微粉分布均一且不团聚。

  4) 阳极镍有溶解过程,应该及时更换,保持环形阳极的内圆直径比钢丝直径大0.5 ~ 1 mm。

  本发明可以连续生产金刚石线。虽然仍是电镀法,但与埋砂法和落砂法有本质不同,不同之处在于电镀液或金刚石微粉的供给方式。本发明是将含有金刚石微粉的电解液,通过蠕动泵以液滴的形式提供给电解体系。这种操作的好处如下:

  第一,避免了埋砂法的上下压力不均衡的现象。一个液滴周围的压力差,可以近似忽略不计。

  第二,避免了落砂法的金刚石微粉浓度的不均一。这是因为落砂法中,金刚石微粉处于溶液中的悬浮状态,扩散到钢丝线周围的时间不均一,可能造成钢丝线上金刚石微粉的浓度不均一。一个液滴内,金刚石微粉的扩散差异,可以忽略不计。

  第三,液体表面有张力,液滴有表面收缩的趋势。这个收缩的趋势可以使得金刚石微粉被限制在钢丝线周围,有利于电镀过程。

  第四,电流采用恒流方式供给,从环形的阳极,可以均匀地到达钢丝线阴极,镍离子接受电子还原成镍原子的过程速率均一,可以保证电镀层的均一。

  第五,电解液是以液滴的形式供给,且正负极间距很短,液滴滴下后,电解液中的金刚石微粉,大都固定在钢丝线表面。电解液的废液总量比其它两种方法相比大幅度减少,有利于环境的保护。

  结合图1-2,本实施例装置包括泵1、钢丝线的负极相连。开启电源通过电流。电流经过环形镍阳极5,均匀地到达阴极钢丝线。同时,阳极镍溶解,形成镍离子进入电解液。电解液中的镍离子在钢丝线阴极表面还原,形成电镀镍层,同时液滴中的金刚石微粉被固定在钢丝线上,这是预电镀的过程。表面固定了金刚石微粉的钢丝线,再一次进入电镀槽进行电镀,这个电镀槽的电镀液内没有金刚石微粉,仅能电镀镍层。钢丝线上固定的金刚石微粉周围的镍层逐渐加厚,金刚石颗粒被进一步深埋入镍镀层6固定。这个过程不断反复,即含有金刚石和镍离子的电解液3不断滴下,预电镀过程不断进行,镍层增厚过程也不断进行,金刚石线也被连续生产出来, 经过去离子水洗净后干燥,进入退火炉退火,消除镀层内的应力。

  将要固定金刚石和镍层的钢丝线进行酸洗,主要去除钢丝线的氧化层。然后再以此用丙酮、乙醇和去离子水清洗,去除钢丝线表面的有机物层,让钢丝线露出新鲜的表面以备电镀。用天平分别称取15 g金刚石微粉、150 g NiSO4、50 g NiCl2、50 g硼酸,加入 1 kg去离子水,制备预电镀液。将环形的镍阳极穿入钢丝线并固定。将预镀液加热至45oC, 并加超声振动。开动蠕动泵吸取加热的预镀液,待液滴的滴下速率稳定后,将喷头放置于环形电极上方,混合液滴滴入环形电极内,滴速稳定后,开启恒流电源进行电镀工艺操作,电流保持在0.1 A。金刚石固定在镍层上的同时,钢丝线 cm/h的速率移动。然后,金刚石线再进行电镀镍操作,所用电镀液的镍离子浓度与预镀液相同,电镀阳极利用环状镍电极,电镀电流加倍,电镀时间为10 分钟,加厚金刚石周围的镍层,包裹固定金刚石。用去离子水清洗残存在镀层或金刚石上的镍离子、硼酸分子和氯离子,并干燥一小时后,金刚石线 h,退火消除镀层间的应力。实施例2

  如果要制备金刚石厚度较厚的金刚石线,有两种方法可以得到: 第一,可以增加预镀液中的金刚石浓度,这种方法虽然简单,但是由于喷嘴的直径有限,不可能把金刚石浓度大幅度增加,这样可以加剧喷嘴堵塞的可能性。这种状况下,可以利用双喷头联合电镀的方法。同上实施例,称取相同质量的金刚石微粉、镍盐和硼酸,加入相同质量的去离子水,配成预电镀液。将预镀液加热至45

  C, 并加超声振动。将两个喷嘴分别联入预电镀液容器,开动两台蠕动泵后等双喷嘴分别进入稳定状态。将两只镍环阳极穿过钢丝线,两只镍环并联接恒流电源的正极。两只镍阳极的距离保持一定,分别在电极上滴加电解液滴,流速恒定后再开启电源。为了得到较厚的金刚石镀层,可以利用大电流增加金刚石的厚度,本例利用0.5 A电流。金刚石固定在镍层上的同时,钢丝线 cm/h的较慢的速率移动。然后,金刚石线再进行电镀镍操作,所用电镀液的镍离子浓度与预镀液相同,电镀阳极利用环状镍电极,电镀电流加倍,电镀时间为10 mins,加厚金刚石周围的镍层,包裹固定金刚石。用去离子水清洗残存在镀层或金刚石上的镍离子、硼酸分子和氯离子,并干燥一小时后,金刚石线 h,退火消除镀层间的应力,可得到金刚石镀层厚的金刚石线,即本方法可以条件金刚石层的厚度,以适应市场或应用需求。


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