CN101412207B - 金刚石砂轮及其刀头制造方法 - Google Patents

金刚石砂轮及其刀头制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于硅材料表面精密抛光的金刚石砂轮及其刀头的制造方法，该砂轮抛出来的硅片表面粗糙度Ra低于0.03，Ry低于0.27，Rz低于0.29。金刚石砂轮包括钢基体和嵌箍于钢基体上的刀头，刀头按如下步骤制成：将混合料投入到模具的模腔中；对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；混合料的制法是：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为20％-40％酚醛树脂、12.5％-25％金刚石、10％-15％Fe2O3、10％-15％CeO2、5％-10％AL2O3、5％-10％Cu粉，然后在粉料中加入粉料质量20-50％的造孔剂。

Description

金刚石砂轮及其刀头制造方法
技术领域
本发明涉及金刚石砂轮及其刀头的制造方法，具体地说，是一种用于硅材料表面精密抛光的树脂结合剂金刚石砂轮及其刀头的制造方法。
背景技术
随着半导体工业的迅猛发展，芯片使用的日趋广泛，硅片加工的品质要求不断多样化，为了降低加工成本，许多专门用于制造低档芯片(如节能灯用芯片)的硅片的抛光工序已经不再用传统的散粒磨料研磨的方法了，而采用固着金刚石精密抛光砂轮在减薄机上直接抛光而成。这种抛光法可以提高抛光效率近十倍，可以更好地保证硅片的各道外形尺寸，提高抛光的成品率(研磨抛光法的成品率越在96％，新工艺成品率在99％)。但是原有的金刚石精密抛光砂轮加工的硅片表面粗糙度Ra一般为0.05。
金刚石砂轮包括钢基体和嵌箍于钢基体上刀头，所述刀头制造包括如下具体步骤是：(1)将混合料投入到模具预留的模腔中；(2)对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；(3)把模具冷却至室温时，将刀头取出。将刀头固定在钢基体上即得金刚石砂轮。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于硅材料表面精密抛光的金刚石砂轮的制造方法，该砂轮抛出来的硅片表面粗糙度Ra低于0.03，Ry低于0.27，Rz低于0.29。
该金刚石砂轮的制造方法，包括钢基体和嵌箍于钢基体上的刀头，所述刀头按如下步骤制成：(1)将混合料投入到模具的模腔中；(2)对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；混合料的制法是：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为25％-40％酚醛树脂、15％-25％金刚石、10％-15％Fe2O3、10％-15％CeO2、5％-10％AL2O3、5％-10％Cu粉，然后在粉料中加入粉料质量20-50％的造孔剂。
本发明同时提供了金刚石砂轮中刀头制造方法，包括如下步骤：(1)将混合料投入到模具的模腔中；(2)对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；混合料的制法是：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为25％-40％酚醛树脂、15％-25％金刚石、10％-15％Fe2O3、10％-15％CeO2、5％-10％AL2O3、5％-10％Cu粉，然后在粉料中加入粉料质量20-50％的造孔剂。
本发明的创新在于混合料的组成，其中酚醛树脂是粘接材料，由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂，具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。粉料中酚醛树脂的含量一般为20-40％，过高则会使砂轮太脆太硬，过低则会结合不牢，出现掉砂现象。
金刚石有一定韧性，但脆性相对较大，因易沿八面体完全解理方向破裂，自锐性较高。因而，耐磨性强，磨削性能好。耐热性良好，在无氧化条件下加热1000℃无变化。化学性质稳定，与酸碱物质不起反应。粉料中金刚石的含量一般为12.5-25％，过高则使料混不开，出现结团，使加工表面出现划伤现象，同时切削效率降低；过低则出现损耗过快，无法保证砂轮的寿命。
氧化铈及其复合氧化物具有优良的抛光性能。常用于各类光学元件(透镜、棱镜等)、人工晶体的高精密加工；超薄平板玻璃基片的平坦化加工；玻壳、镜片、表门的高速抛光；大理石、水晶玻璃饰品的表面加工。粉料中的氧化铈含量一般为10-15％，过高则会降低砂轮的切削能力，过低则起不到辅助抛光的效果。
氧化铁(Fe2O3)呈深棕红色，俗称红粉、铁丹。性质稳定，不溶于水，但溶液于盐酸。粉状粒度一般在0.25～0.75μm，细腻均匀。Fe2O3的含量一般为10-15％，过高则会使结合剂过硬，使金刚石不易出刃，降低切削效率，过低则不能起到骨架作用，在压制过程中会造成树脂的“过流动”，使树脂流失。
刚玉(Al203)硬度高，韧性较大，切削力强，但自锐性相对较低。适于磨削韧性较大的材料，粉料中的刚玉含量一般为5-10％，过高则会降低切削能力，同时会造成划伤，过低则起不到骨架和辅助抛光的效果。
通过在混合料中加入造孔剂，并通过后续的加热使得造孔剂气化，形成蜂窝状结构，使得金刚石砂轮中有气孔，以提高砂轮的自锐能力，并扩大砂轮的容屑空间，从而提高了这类砂轮的使用性能。造孔剂的加入量一般为粉料质量20-50％，过高则会使结合剂的组织过于疏松，没有强度，使砂轮的寿命降低，过低则会使结合剂组织过于密实，没有足够的孔洞，起不到提高砂轮的自锐能力，并扩大砂轮的容屑空间的作用。
优选地，所述造孔剂的质量百分比组成为：65-75％的NaHCO3，其余为(NH4)2CO3。本造孔剂在加温的过程中逐渐分解，到70°C时挥发完，此时树脂刚刚开始软化，可以很好地将气泡包容住，最后形成孔隙，而其他造孔剂的分解温度偏高，挥发时树脂已经在固化过程中，很难造成真正均匀的孔隙。经过多次试验，当造孔剂组分是“65-75％的NaHCO3，其余为(NH4)2CO3”时，效果最好。
对所述混合料加热加压时，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持20-30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持20-30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度；最后在压力0.1t/CM2、温度为185-190度下保持60-70min。在这个过程中，120度前，我们加压在0.1-0.2t/CM2，主要是排除粉料在投料时带入的空气，从而避免空隙的过多，在120-150度时，我们选用的该种树脂软化程度最好，流动性也最好，这时采用0.3t/CM2的压力，可使树脂与金刚石及其他填料充分浸润，使把持效果最好。150度以后，树脂会迅速固化，如果压力过大，会明显破坏结合剂的整体强度(类似于压碎的情况)，所以必须将压力下降至0.1t/CM2。温度升高到185-190度下再保持60-70min，因为本酚醛树脂的固化温度是185-190度，此时保温60-70min是为了让树脂充分固化，以达到一定的强度，事实上在常规工艺中，树脂到达固化温度时，要保温8-10小时，才能使树脂充分固化，但我们经过大量试验，本配方中，如果让树脂固化时间超过70min，就会使结合剂的强度过高，无法满足使用要求。
附图说明
图1为金刚石砂轮主视图
图2是制造刀头的示意图
图3是对所述混合料加压的具体工艺示意图
图4是对所述混合料加温的具体工艺示意图
具体实施方式
实施例1
金刚石砂轮的制造方法
(1)制备混合料：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为25％酚醛树脂、25％金刚石、15％Fe2O3、15％CeO2、10％AL2O3、10％Cu粉。金刚石的粒度为8000#(直径在0.1-0.3微米之间)。Cu粉的粒度为400#(直径在40-50微米之间)。
然后在粉料中加入粉料质量20％的造孔剂。造孔剂的质量百分比组成为：70％的NaHCO3，其余为(NH4)2CO3。
(2)参见图2，将混合料投入到模具1预留的模腔中。
(3)对所述混合料通过固定在加热板3上的压环4加热加压，使得混合料2(参见图2)被压至所需尺寸；对所述混合料加热加压时，在6min内压力从0.1t/CM2逐渐升高到0.3t/CM2、温度从90度升高到150度，然后将压力下降至0.1t/CM2、温度升高到180-190度下再保持60min。
(4)把模具冷却至室温时，将刀头取出。
(5)将刀头5固定在钢基体6上即得金刚石砂轮。
实施例2-5
将实施例1中的造孔剂加入量分别改为粉料质量30％、40％、50％，其他同实施例1，得到实施例2-5。
实施例6-10
将实施例1中的粉料中下述组分体积百分比改变为：30％酚醛树脂、20％金刚石，其他同实施例1，得到实施例6。
将实施例1中的粉料中下述组分体积百分比改变为：40％酚醛树脂、15％金刚石、10％Fe2O3。其他同实施例1，得到实施例7。
将实施例1中的粉料中下述组分体积百分比改变为：35％酚醛树脂、25％金刚石、10％Fe2O3、10％CeO2。其他同实施例1，得到实施例8。
将实施例1中的粉料中下述组分体积百分比改变为：40％酚醛树脂、25％金刚石、10％Fe2O3、15％CeO2、5％AL2O3、5％Cu粉。其他同实施例1，得到实施例9。
将实施例1中的粉料中下述组分体积百分比改变为：30％酚醛树脂、25％金刚石、15％Fe2O3、15％CeO2、5％AL2O3、10％Cu粉。其他同实施例1，得到实施例10。
实施例11
将实施例1中对所述混合料加热加压的具体工艺参数改变为：参见图3、4，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度保持10min；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min；其它同实施例1，得到实施例11。
实施例12
将实施例3中对所述混合料加热加压的具体工艺参数改变为：参见图3、4，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度保持10min；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min；其它同实施例3，得到实施例12。
实施例13
将实施例6中对所述混合料加热加压的具体工艺参数改变为：参见图3、4，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度保持10min；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min；其它同实施例6，得到实施例13。
实施例14
将实施例7中对所述混合料加热加压的具体工艺参数改变为：参见图3、4，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度保持10min；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min；其它同实施例7，得到实施例14。
本发明通过加入上述造孔剂，上述造孔剂在温度达到60—70℃时大量气化，使砂轮工作层内部呈蜂窝状，经测试表明各实施例的气孔率保持在30％-60％之间。
把上述各实施例所得砂轮用于硅材料表面精密抛光，该砂轮抛出来的硅片表面粗糙度Ra为0.02-0.03，Ry为0.25-0.27，Rz为0.27-0.29。

Claims (8)

1.金刚石砂轮制造方法，所述金刚石砂轮包括钢基体和嵌箍于钢基体上的刀头，所述刀头按如下步骤制成：(1)将混合料投入到模具的模腔中；(2)对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；其特征是：混合料的制法是：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为25％-40％酚醛树脂、15％-25％金刚石、10％-15％Fe2O3、10％-15％CeO2、5％-10％AL2O3、5％-10％Cu粉，然后在粉料中加入粉料质量20-50％的造孔剂；
所述造孔剂的质量百分比组成为：65-75％的NaHCO3，其余为(NH4)2CO3。
2.根据权利要求1所述金刚石砂轮制造方法，其特征是：对所述混合料加热加压时，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持20-30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持20-30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度；最后在压力0.1t/CM2、温度为185-190度下保持60-70min。
3.根据权利要求1所述金刚石砂轮制造方法，其特征是：对所述混合料加热加压时，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持20-30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持20-30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min。
4.根据权利要求1所述金刚石砂轮制造方法，其特征是：金刚石的粒度为0.1-0.3微米。
5.根据权利要求1所述金刚石砂轮制造方法，其特征是：Cu粉的粒度为40-50微米。
6.金刚石砂轮中刀头制造方法，包括如下步骤：(1)将混合料投入到模具的模腔中；(2)对所述混合料加热加压，使得混合料被压至所需尺寸；其特征是：混合料的制法是：把下述组分按体积百分比配成粉料：体积百分比为25％-40％酚醛树脂、15％-25％金刚石、10％-15％Fe2O3、10％-15％CeO2、5％-10％AL2O3、5％-10％Cu粉，然后在粉料中加入粉料质量20-50％的造孔剂。
所述造孔剂的质量百分比组成为：65-75％的NaHCO3，其余为(NH4)2CO3。
7.根据权利要求6所述刀头制造方法，其特征是：对所述混合料加热加压时，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持20-30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持20-30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度；最后在压力0.1t/CM2、温度为185-190度下保持60-70min。
8.根据权利要求6所述刀头制造方法，其特征是：对所述混合料加热加压时，在压力0.1t/CM2、温度为90度下保持20-30min；然后在压力0.2t/CM2、温度为120度下保持20-30min；接着在压力0.3t/CM2下升温到150度；最后在压力0.1t/CM2、温度为185度下保持60min。
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