一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密和超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤。
【背景技術(shù)】
[0002]藍(lán)寶石因其優(yōu)良的性能，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械和光電信息領(lǐng)域中:具有透波、多光譜共用等光學(xué)特性，并能承受惡劣環(huán)境，使其在軍事上成為艦載、機(jī)載和星載武器或設(shè)備的大尺寸窗口材料，在民用上正成為手機(jī)、平板電腦的新型面板材料；具有良好的電絕緣性、光透過率和匹配的晶格排列特性，使其成為LED中第三代半導(dǎo)體材料(GaN)外延生長的主要襯底材料。
[0003]藍(lán)寶石單晶(α-Α1203)屬于典型的硬、脆、難加工材料，硬度極高(莫氏硬度9)。目前，藍(lán)寶石晶片加工技術(shù)及設(shè)備基本套用單晶硅片的加工工藝及設(shè)備，缺乏對(duì)其加工各階段工藝的優(yōu)化，使得整體加工效率低，成品率低。藍(lán)寶石晶片大批量生產(chǎn)所采用的典型加工工藝流程:切片(多線切割)、平整(磨削、粗研磨、精研磨)，表面光整(粗拋光、精拋光)等工序。其中，藍(lán)寶石晶片精研磨工序采用紫銅盤或錫盤作磨盤，以金剛石磨料為磨粒、和堿性研磨液的游離磨粒加工工藝。
[0004]傳統(tǒng)加工方法中“切-磨-拋”成本占藍(lán)寶石晶片生產(chǎn)總成本的30% -50%，尤其因研磨工藝所造成的藍(lán)寶石晶片表面損傷層(表面殘余應(yīng)力、應(yīng)變、劃痕和位錯(cuò)等)過深，在拋光階段往往需3?5小時(shí)或更長時(shí)間才能去除這些表面殘留缺陷，并且還有20%左右的藍(lán)寶石晶片拋光后需要返工，甚至偏薄而報(bào)廢，極大地增加了加工成本，成為制約藍(lán)寶石晶片大量應(yīng)用的瓶頸。
[0005]藍(lán)寶石晶片精研磨工序采用紫銅盤作為加工盤，紫銅盤彈性模量和表面硬度較高，雖然工件材料去除率高，但易在晶片表面和亞表面造成劃痕、微裂紋、晶格位錯(cuò)等損傷。錫盤彈性模量和表面硬度比紫銅盤低，加工時(shí)，工件材料裂紋等表面缺陷和亞表面損傷較少，但去除率低。紫銅盤和錫盤為單一材質(zhì)材料，其彈性模量、磨盤材料表面硬度不可調(diào)控，無法同時(shí)滿足藍(lán)寶石晶片高效率去除和低損傷加工要求。因此，如果能通過改變磨盤材料的機(jī)械和物理性能，達(dá)到藍(lán)寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡，進(jìn)而有效減少后續(xù)拋光工序所需加工時(shí)間，提高整體加工效率，降低生產(chǎn)成本。
[0006]因此，研發(fā)一種應(yīng)用于藍(lán)寶石晶片低表面損傷高效率的超精密加工方法尤為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種能實(shí)現(xiàn)低表面損傷、高加工效率的藍(lán)寶石晶片超精密加工磨盤。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，所述的基于彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤包括以下組份:按質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料為純紫銅粉，70?85% ;結(jié)合劑10?15%，彌散強(qiáng)化顆粒材料2?15% ;所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為可與的藍(lán)寶石晶片材料發(fā)生固相反應(yīng)的材料。
[0010]進(jìn)一步，所述的結(jié)合劑為熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括以下一種或兩種及兩種以上組合:熱固性樹脂，包括:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺一甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺。
[0011]再進(jìn)一步，所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為以下一種或兩種及兩種以上組合:氧化鈰、
氧化硅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鉻、氧化鋁或碳化硅。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:彌散強(qiáng)化是材料學(xué)近年研宄的一種復(fù)合材料新方法，在基體金屬中加入穩(wěn)定性高、呈彌散分布的第二相顆粒，以阻礙基體顆粒位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)化基體目的。彌散顆粒加入量與基體體積分?jǐn)?shù)比小，不影響基體金屬固有的物理化學(xué)性質(zhì)。采用純紫銅粉、結(jié)合劑、彌散強(qiáng)化顆粒，以彌散強(qiáng)化原理制作的銅基磨盤為復(fù)合材料磨盤，其彈性模量、磨盤材料表面硬度可調(diào)控，加工性能介于純銅盤和錫盤加工性能之間，達(dá)到藍(lán)寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡，進(jìn)而有效減少后續(xù)拋光工序所需加工時(shí)間，提高整體加工效率，降低生產(chǎn)成本。
[0013]同時(shí)，彌散強(qiáng)化原理的磨盤中使用的所述彌散強(qiáng)化顆粒(如氧化鈰、氧化硅等)在加工過程中會(huì)與藍(lán)寶石工件產(chǎn)生固相反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工件材料高效去除。這是因?yàn)楣ぜ?藍(lán)寶石晶片)表面存在面缺陷，工件表面的原子結(jié)合能呈一定分布。當(dāng)彌散強(qiáng)化顆粒在藍(lán)寶石晶片表面劃過，因機(jī)械和熱的作用，彌散強(qiáng)化顆粒和藍(lán)寶石晶片表面的原子相互擴(kuò)散，有些彌散強(qiáng)化顆粒原子擠入藍(lán)寶石晶片材料表層，更降低了藍(lán)寶石晶片材料表面的結(jié)合能；當(dāng)下一個(gè)彌散強(qiáng)化顆粒劃過藍(lán)寶石晶片表面時(shí)，由于藍(lán)寶石晶片表層原子結(jié)合能的降低，材料很容易被去除。因此，依靠彌散強(qiáng)化顆粒和藍(lán)寶石晶片材料之間產(chǎn)生的化學(xué)機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)材料的去除，促進(jìn)藍(lán)寶石晶片尚效超精密加工。
[0014]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:1.采用彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤為復(fù)合材料磨盤，解決原藍(lán)寶石晶片精研階段采用純銅盤和錫盤，單一材料的磨盤，其機(jī)械和物理性能不可調(diào)，實(shí)現(xiàn)銅基磨盤彈性模量、磨盤材料表面硬度等性能可調(diào)控，使彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤加工性能介于純銅盤和錫盤加工性能之間，達(dá)到藍(lán)寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡；2.彌散強(qiáng)化原理的磨盤中使用的所述彌散強(qiáng)化顆粒(如氧化鈰、氧化硅等)在加工過程中會(huì)與藍(lán)寶石工件產(chǎn)生固相反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工件材料有效去除，促進(jìn)藍(lán)寶石晶片高效超精密加工；3.彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤的材料成本低于傳統(tǒng)的純銅盤和錫盤，制作方便，降低了加工成本。
【附圖說明】
[0015]圖1是基體中彌散強(qiáng)化原理示意圖
[0016]圖2是彌散強(qiáng)化原理的磨盤研磨加工示意圖
[0017]圖3實(shí)現(xiàn)該方法的加工裝置示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0019]一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，所述的基于彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤包括以下組份:按質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料為純紫銅粉，70?85% ;結(jié)合劑10?15%，彌散強(qiáng)化顆粒材料2?15% ;所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為可與的藍(lán)寶石晶片材料發(fā)生固相反應(yīng)的材料。
[0020]進(jìn)一步，所述的結(jié)合劑為熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括以下一種或兩種及兩種以上組合:熱固性樹脂，包括:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺一甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺。
[0021]再進(jìn)一步，所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為以下一種或兩種及兩種以上組合:氧化鈰、
氧化硅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鉻、氧化鋁或碳化硅。
[0022]本實(shí)施例中，實(shí)例1:所述的基于彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤包括以下組份:按質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料為純紫銅粉，70% ;結(jié)合劑15%，彌散強(qiáng)化顆粒材料15% ;實(shí)例2:基體材料為純紫銅粉，75% ;結(jié)合劑12%，彌散強(qiáng)化顆粒材料13% ;實(shí)例3:基體材料為純紫銅粉，:85% ;結(jié)合劑13%，彌散強(qiáng)化顆粒材料2% ;實(shí)例4:基體材料為純紫銅粉，80% ;結(jié)合劑10 %，彌散強(qiáng)化顆粒材料10 %。
[0023]在制作所述的彌散強(qiáng)化磨盤時(shí)，首先將所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料與所述的結(jié)合劑充分均勻混合；然后將所述的純紫銅粉逐量分步驟加入到混合均勻的所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料與所述的結(jié)合劑混料中，過程采用振動(dòng)方式攪拌混合，實(shí)現(xiàn)純紫銅粉、彌散強(qiáng)化顆粒、結(jié)合劑混合均勻；將混合好的彌散強(qiáng)化磨盤制作材料均勻平鋪于磨盤模具型腔內(nèi)，將所述的磨盤模具置于熱燒結(jié)壓機(jī)中，壓制成型。
[0024]加工過程中，裝夾在夾具中的工件置于所述的銅基磨盤上；磨液從注入口進(jìn)入所述的銅基磨盤的加工區(qū)域；所述的工件上載荷、所述的銅基磨盤轉(zhuǎn)速、磨液磨料濃度和磨液流量，可精確控制。
[0025]圖1為磨盤的彌散強(qiáng)化原理示意圖。磨盤基體I在研磨加工過程中受剪切力過程中產(chǎn)生形變，增強(qiáng)顆粒(如S12顆粒)2彌散分布在磨盤中形成硬質(zhì)點(diǎn)，阻礙基體材料I的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到改變磨盤整體的彈性模量、表面硬度等性能參數(shù)的效果。
[0026]圖2為彌散強(qiáng)化原理的磨盤研磨加工示意圖。彌散強(qiáng)化磨盤以紫銅粉為基體1，增強(qiáng)顆粒2(如Si02微粉，硬度7，低于藍(lán)寶石但高于純銅)作為增強(qiáng)體，結(jié)合劑3對(duì)銅粉1、增強(qiáng)顆粒2起把持作用。增強(qiáng)顆粒2彌散分布在銅基體I中形成硬質(zhì)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加工時(shí)基于彌散強(qiáng)化原理的磨盤，其表面局部塑性優(yōu)于紫銅盤，可使磨液6中大的金剛石磨粒4易于陷入磨盤表面，避免其對(duì)工件5 (藍(lán)寶石晶片)表面產(chǎn)生大劃痕損傷；同時(shí)，基于彌散強(qiáng)化原理的磨盤，其整體剛性優(yōu)于錫盤，在一定載荷下，可保持較高的工件材料去除率。加工過程中，增強(qiáng)顆粒2與工件5，在機(jī)械和熱作用下，二者間產(chǎn)生固相反應(yīng)，促進(jìn)藍(lán)寶石晶片高效超精密加工。
[0027]圖3為采用彌散強(qiáng)化原理的磨盤加工藍(lán)寶石晶片示意圖。磨液輸送管12將磨液6輸送到彌散強(qiáng)化磨盤9盤面，彌散強(qiáng)化磨盤9置于基盤10上，工件(藍(lán)寶石晶片)5裝夾在夾具11上，加工過程中控制夾具11和彌散強(qiáng)化盤9的轉(zhuǎn)速、磨液6濃度和流量，實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶片超精密加工。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，其特征在于:所述的基于彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤包括以下組份:按質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料為純紫銅粉，70?85% ;結(jié)合劑10?15%，彌散強(qiáng)化顆粒材料2?15%;所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為可與的藍(lán)寶石晶片材料發(fā)生固相反應(yīng)的材料。2.如權(quán)利要求1所述的一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，其特征在于:所述的結(jié)合劑為熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括以下一種或兩種及兩種以上組合:熱固性樹脂，包括:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺一甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺。3.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，其特征在于:所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為以下一種或兩種及兩種以上組合:氧化鈰、氧化硅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鉻、氧化鋁或碳化硅。
【專利摘要】一種用于藍(lán)寶石晶片超精密加工的彌散強(qiáng)化磨盤，其特征在于：所述的基于彌散強(qiáng)化原理的銅基磨盤包括以下組份：按質(zhì)量百分比計(jì)，基體材料為純紫銅粉，70～85％；結(jié)合劑10～15％，彌散強(qiáng)化顆粒材料2～15％；所述的彌散強(qiáng)化顆粒材料為可與的藍(lán)寶石晶片材料發(fā)生固相反應(yīng)的材料。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶片低損傷高效率加工。
【IPC分類】B24B37/14
【公開號(hào)】CN104924200
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510324610
【發(fā)明人】郁煒, 周兆忠, 馮凱萍, 鄧乾發(fā), 呂冰海, 趙天晨, 袁巨龍
【申請(qǐng)人】衢州學(xué)院
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月12日