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
伞型齿轮
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]。
富扬 等：硬脆性材料线切割切削液的组成和发展
现阶段在Ga As、Ge等材料的线切割中还有相当一部分采用此类切削液。由于油基切削液的诸多不足，切削液材料的研究逐渐向水性化方面过渡。
水基切削液的研究是基于水的高比热容性，早期此类切削液含水量很大，其中还含有增稠剂、防锈剂、润滑剂等提高线切削液性能的成分，而增稠剂包括可溶性的有机物及水不溶性的无机硅藻土(斑脱土)等物质。
1984年美国的K.D.Walter等人公开专利用于硬脆性材料加工的切削液，指出了以体积分数为35%～65%的水、35%～65%的乙二醇和适量的硼酸化合物，可以有效抑制微生物的衰败，同时具有足够的润滑及冷却性能。1991年，日本专利公开了水基切削液主要含有质量分数为5%～90%的水、5%～90%的聚乙二醇(聚丙二醇)等基础物质，同时还含有0.01%～5%的聚乙二醇及高分子多糖等水溶性的增稠剂，此切削液可用于切割水晶、石英、Si等硬脆性材料，具有良好的分散及再分散性能，对提高加工效率、加工精度及作业性能上有显著优越性[26-27]。
1998年K.Inoue等人公开专利，提出了一种水基线切削液的配方，主要含有2%～30%的水，蒙脱土0.2%～2%,0.001%～0.2%的聚羧酸盐(酯),0～10%的非离子表面活性剂，并给出了其切割时液与砂的比例可以做到1∶(1.1～1.5)。S.Uemori等人公开了一种含有1%～20%的水，同时含有水保持剂、防锈剂、非金属腐蚀抑制剂、润滑剂、防沫剂、无机斑脱土，可以改善大直径晶片的翘曲度、TTV等问题。1998年日本的森和幸公开专利，指出了一种水基切削液，其含有0.001%～5%的水;90%～99.998%的(聚)乙二醇及其衍生物类有机物;0.001%～5%的黏度改良剂，其可以为有机、无机高分子化合物，如多糖、丙烯酸聚合物、蒙脱土等[28-30]。
近10年来，各国的研究者又对水性切削液的主要润滑成分及添加剂成分的作用进行了研究。
2002年日本的J.Hashiomoto与T.Hagihara及K.Nishimoto联合公开的专利切削液组合物，指出了以环
氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷等聚合的聚醚化合物[R1O(E O)m(AO)n R2]为主要成分，并其质量分数大于60%，另外还含有4%以下的水分,0.05%～3%的硅藻土及少量表面活性剂，此切削液具有优良的分散性及卓越的再分散特性，其晶片易于清洗，废水处理更加简单。这些切削液均以二醇类衍生物为主要成分的水基切削液，具有较好的润滑及冷却性能[31]。
2001年日本的K.Ito及S.Maemichi等人公开的专利水基切削液及硬脆性材料的切割工艺中，提出了一种包含胺值为20～200MgKOH/g的阳离子水溶性树脂及至少含有一种流变控制剂，此流变控制剂可以为有机(无机)蒙脱土、水溶性硅胶等，其使用量为阳离子水溶性树脂重量的0.1%～30%，此类切削液给研磨砂提供了优秀的分散能力，且在切割及操作过程中保持了黏度的稳定性，同时作为水溶性切割剂，具有良好的清洗能力。I.B.Ward及A.A.Heller在2003年公开了一种切割润滑剂，指出一种用于硬脆性材料切割的切削液，其主要由0～10%的含氟阴离子表面活性剂、80%～99%的非离子极性溶剂、适量有机电解质及0.5%～10%的水所组成，其提供了静电斥力和空间位阻作用，以分散悬浮剂颗粒，保持颗粒的悬浮而不形成硬饼，具有优良的润滑及传热性能，可以有效移走摩擦产生的热量，增加了线的工作寿命，提高了切割片的品质。2004年日本的T.Nabeshima、K.Sugiya ma、H.Shinike专利公开了不燃性水基切削液及其组分，提供了一种对研磨剂具有优良分散能力、不易引燃、具有防锈能力、易于清洗的切削液，其主要成分由丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸等形成的聚羧酸共聚物及其盐组成，还包括水溶性溶剂、润滑剂、黏度调节剂、防腐蚀剂、防沫剂等，而水溶性溶剂指聚乙二醇及
其衍生物、水等的混合物，黏度调节剂主要指蒙脱土、水基硅溶胶、碳甲基纤维素等[32-34]，注重改善这些切削液的应用性能，包括清洗、悬浮、分散的特性。
S.B.Leeb及E.C.Lupton在2006年公开的专利US7060663，提出了反相热流体的概念，指出此流体随着温度的升高，流体的黏度反而增加，这样的流体在切割过程中有利于热量的移走及微细粉末的移除[35]。日本东芝陶业公司研究了一种切削液主要成分为水及油，且以微胶囊的形态加入一种可以吸收或转移热的反应性材料加入，可以切割厚度一致、翘曲度小的晶片，特别适合切割单晶硅[36]。切削液的研究逐渐向理论性、专一性方向发展。
3 结语
国内硬脆性材料尤其是太阳能Si片的线切割近5年来发展迅速，而随着晶片向大直径、薄片方向发展，对切削液也提出了诸多的要求。
首先对切削液本身性质要求要具有无污染、低黏度、高带砂量、低杂质含量、对Si片的下游应用无不良影响的特点；再者要求切削液的应用性能具有切割后硅片无线痕、易于清洗、切割出片率高、成品合格率高的特点；还有切削液的专一化问题，现阶段国内Si片切割用切削液品种单一，无
富扬 等：硬脆性材料线切割切削液的组成和发展
论对于什么设备、多粗的钢线、多大粒径的砂、何种切割工艺基本就是同样的切削液，故产品针对性不强，造成切割过程的诸多问题，所以研究开发适应不同切割工艺的切削液是业界人士急待解决的问题。
对于如Ge、Ga As等的线切割国内还大多采用油基切削液，故研究适于此类硬脆性材料的切削液也是今后研究的课题。
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(收稿日期:2007-12-13
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作者简介:
富扬(1974—)，女，高级工程师，主要从事
表面活性剂的结构、性能及应用的研究。
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