金刚石：“急急如律令，破！”

金刚石，其晶体中碳原子以SP3杂化轨道形成了共价键，构成了极其稳定的正四面体结构，这赋予了其极高的硬度，其莫氏硬度达到了10，是自然界中最硬的物质，更是成为衡量其他物质硬度的标准。

如此高的硬度使得金刚石成为了加工领域的“王者”。金刚石面前，无所不破，即使面对硬质合金、陶瓷等这些坚硬的难加工材料时，金刚石工具及材料同样展现出极高的“破坏力”。

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随着新能源汽车、光伏、半导体等新兴产业迅速发展，日益苛刻的机械加工要求逐渐成为刚需，拥有超高的硬度和耐磨性的金刚石工具或材料正成为精密加工领域的首选。

金刚石在机械加工中的核心角色

作为切削刀具

金刚石作为切削刀具的优点是高硬度、高耐磨性，能够加工超硬材料。由于金刚石本身的硬度非常大，可以获得高精度的刀尖圆弧半径，提高加工质量，因而广泛用于精加工、半精加工。金刚石刀具能够直接对淬硬工件进行加工，可以实现“以车代磨”、“以车代铣”等，从而减少工序，缩短工艺流程，降低加工成本，提高劳动生产率。而且金刚石对铝合金、铜合金、钛合金等有色金属进行切削加工时，由于摩擦系数低、导热率高，可实现对其进行高速度、高精度、高效率、高质量的加工。金刚石刀具的切削速度远高于硬质合金刀具，用金刚石的车刀车削铝合金切削速度可达到5000m/min，而且刀具耐用度也可较硬质合金刀具提高几十倍乃至上百倍。

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用于磨具及磨料

磨削作为目前获得高精度、高表面质量最常用的主要加工方法，其磨料的选择尤为重要。由于金刚石为最硬的磨料，能够长时间保持锋利性，不易磨钝，磨削效率高。而且摩擦系数小，较少产生粘结磨损，再加上导热系数大，不易发生磨削烧伤。因此，金刚石作为磨料得到了极大的重视和广泛的应用。

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金刚石涂层刀具

CVD、PVD等技术的发展，是切削工具领域中的一次重大革命，从而涂层刀具得到大规模应用。涂层刀具既有表层的高硬度，又保持了原基体的韧性，是理想的切削工具。近年来，金刚石涂层正得到全面推广。应用较广的是钨硬质合金切削刀具的“薄膜”CVD金刚石镀层，其金刚石涂层厚度不宜超过10μm。现在又有一种“厚膜金刚石”，它是纯度非常高、非粘接剂的整体金刚石。典型厚度为150~1000μm，硬度更高，不同于天然金刚石的是，它各向同性，作为刀具磨损均匀。而且随着科技的进步，金刚石涂层的许多技术难题将得到更好的解决，其市场前景广阔。

修整刀具

金刚石作为修整刀具主要用于磨削砂轮。砂轮在使用一段时间后，其磨削刃因磨损而变钝，磨粒之间的气孔容易被工件磨屑糊塞，从而使磨削效率降低，且容易发生磨削烧伤。因此，要对砂轮表面进行修整，对于硬度较大的砂轮，尤为重要。砂轮常用磨料为刚玉和碳化硅，它们硬度都非常高，一般材料难以对其修整。而硬度更高的金刚石足以胜任，能从磨削砂轮表面去除磨钝的磨料颗粒。

半导体制造：金刚石的高端舞台

半导体的加工技术是芯片制造的基础，也是国家高端装备和先进制造技术水平的重要标志之一。半导体加工是从晶棒到单个芯片的过程，金刚石工具在这一过程中起着至关重要的作用，如晶棒剪裁、晶圆减薄、划片等。

半导体硅晶圆加工应用的金刚石工具

金刚石线锯

金刚石线锯是在基体上固结金刚石磨料的一种切割工具，因其切缝小于0.5mm的特点可以加工普通硬脆材料，适用于蓝宝石、水晶、太阳能级多晶硅等硬脆材料的切割。

随着大尺寸硅片和蓝宝石片的应用和发展，金刚石线锯成为了新一代硅片和蓝宝石片的切割工具，其加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅／蓝宝石锭，省材料、效益高，产量大，效率高，这一系列无可比拟的优点将受到硅片和蓝宝石加工企业的高度重视。

金刚石超薄划片

超薄划片由金刚石和粘结剂组成一个圆环薄片状，厚度在0.015～0.3ｍｍ之间，可分为金属结合剂刀片和树脂结合剂刀片两种。其中金属结合剂电镀刀片的厚度为0.015ｍｍ～0.1ｍｍ，金属结合剂热压刀片和树脂结合剂刀片的厚度为0.1ｍｍ～0.3ｍｍ。超薄划片广泛应用于电子工业对各种硬脆材料进行切割或开槽加工，如硅、锗、磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、光学陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割缝窄、使用寿命长等特点。

高精密金刚石砂轮

金刚石砂轮在晶硅和蓝宝石等硬脆材料加工过程中的应用最为广泛，从晶棒的处理到晶片的粗加工进而到精加工等步骤，均要用到不同种类的金刚石砂轮；主要包括晶棒滚圆砂轮、平面研磨砂轮、减薄砂轮以及抛光砂轮等，金刚石粒度从250＃到8000＃均有涉及，胎体材料包括金属基、树脂基和陶瓷基。

高精度套料钻头

套料钻头加工对象为蓝宝石等较为贵重的硬脆材料，主要用于表壳、光学玻璃、LED衬底的加工，钻头的精度要求非常高，具有极高的附加值。套料钻头制造技术包括超薄环状刀头制造技术、高精度焊接技术以及钻头后续修磨技术；其中超薄环状刀头的质量对产品的最终使用性能起决定性的影响。

CMP修整器

修整盘又叫修整器、钻石碟，一般是在表面涂布镀镍金刚石颗粒的圆盘。金刚石颗粒以一定的图形排列而成，根据不同的技术要求，辅助以不同的凹凸图案，提升再生效果。

在CMP（化学机械抛光）工艺中，抛光垫本身不断被抛光而变得光滑，使用过的抛光液以及在抛光过程中产生的废弃物会沉积在抛光垫的表面，这就需要使用修整盘对抛光垫进行修整再生，重新塑造抛光垫的表面粗糙度，恢复使用性能。修整可以清除堵塞小孔的碎屑和微粒，去除抛光垫的釉面，使抛光垫得到重生，获得所需的粗糙度和多孔性。此外，修整还可以减少更换抛光垫的次数，节省使用新抛光垫所需的重新调整校正到稳定的步骤和时间，从而大大提高CMP工艺的稳定性。

CMP磨料

CMP主要是依靠磨料的机械作用以及化学成分的的化学作用协同作用，磨料在CMP抛光中起到了至关重要的作用。随着碳化硅、氮化镓、金刚石等新一代半导体的兴起，面对这些硬质半导体材料，以往的氧化铈、氧化铝、氧化硅等磨料在加工性能及效率方面渐渐力不从心，而金刚石作为CMP磨料正被看好。

小结

当前，金刚石正在众多的新兴工业材料加工领域体现其超卓的性能，越来越多地体现其“工业牙齿”的作用，成为精密加工领域的首选。随着新兴领域的不断扩容以及技术迭代需求，金刚石工具及材料将迎来更大的舞台。

参考来源：

[1]徐良等.晶硅和蓝宝石加工用金刚石工具

[2]李程辉等.金刚石在机械加工中的应用

[3]刘一波等.新兴工业材料加工用金刚石工具

[4]轩闯等.半导体加工用金刚石工具现状

[5]中国粉体网