CN102152247B - 一种用于化学机械磨削Al2O3陶瓷的磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于硬脆材料超精密加工技术领域，公开了一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削的用磨具及其制备方法。其特征是采用能与Al₂O₃陶瓷发生固相化学反应的二氧化硅软磨料作为磨具的主要磨料，加入适量的金刚石磨料作为辅助磨料制成磨具，解决了目前软磨料砂轮磨损严重和加工效率低的问题。在100℃左右的温度条件下，借助化学和机械复合作用即可实现Al₂O₃陶瓷表面材料的化学机械去除。此外，还通过添加适量的碳酸氢钠、氧化钙、高锰酸钾等添加剂以提高磨具的磨削性能。本发明的效果和益处是所制备的化学机械磨削用磨具具有磨削效率高、磨损小、磨削表面质量好等优点，能够在正常的磨削条件下实现Al₂O₃陶瓷超精密低损伤磨削。

Description

一种用于化学机械磨削Al2O3陶瓷的磨具及其制备方法

技术领域

本发明属于硬脆材料超精密加工技术领域，特别涉及一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削的磨具及其制备方法。

背景技术

Al₂O₃陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性强、热膨胀系数小，热导率大等优良特性。目前Al₂O₃陶瓷材料主要用于制备高精密加工设备中刀具的切削刃，高温、高压及强腐蚀性环境中的密封部件等，陶瓷材料因其良好的物理化学性能，在石油、化工、机械、航天、核能、生物医学等领域发挥着越来越重要的作用。随着陶瓷材料制备工艺的不断完善，陶瓷材料的质量获得了极大的提高，为在航天、核能等高精尖领域应用打下了良好的基础。Al₂O₃陶瓷分为高纯型与普通型两种，其中高纯Al₂O₃陶瓷是指以含量在99.5％以上的α-Al₂O₃粉为主要原料，经各种烧结工艺制成的晶粒尺寸小于6μm且以α-Al₂O₃为主晶相的Al₂O₃陶瓷，该种陶瓷除了能在1000℃以上的高温下保持高强度以及在高温富氧的条件下能长期工作，且其导热性能也非常好，室温下的导热率达35W/m·K，是最好的高频绝缘材料之一。普通型Al₂O₃陶瓷则按Al₂O₃含量的不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种。陶瓷材料的制备一般采用烧结或热压成型的工艺，其表面粗糙度一般在几微米到几十微米，因此必须采用精密加工方法将表面粗糙度降低到纳米量级，并达到一定的面型精度，才能投入使用，尤其在高新技术领域，对材料的表面粗糙度、面型精度和表面及亚表面的完整性提出了更高的要求。目前Al₂O₃陶瓷超精密低损伤磨削加工技术的相对滞后，尤其是大尺寸Al₂O₃陶瓷的超精密低损伤磨削技术已成为Al₂O₃陶瓷在高新技术领域得到广泛应用的瓶颈问题。

由于Al₂O₃陶瓷具有很高的硬度(莫氏硬度为9)，属于典型的硬脆难加工材料，使得现有的磨削加工技术很难实现大尺寸Al₂O₃陶瓷的超精密低损伤表面加工。例如，采用传统的金刚石砂轮磨削方法对其进行加工时，磨削表面存在严重的表面和亚表面损伤，另外还必须采用后续的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除损伤层，而CMP工艺存在加工效率低、成本高、碱性或酸性抛光液后续处理困难以及对加工表面造成污染等问题；采用在线电解修锐砂轮技术虽然可以获得较好的表面质量，但必须解决好超细粒度砂轮的金刚石脱落快、砂轮极易磨损，寿命短，磨削陶瓷面型比普通磨削差，磨削效率低等技术障碍，以及所采用的专用电解质磨削液和砂轮的金属结合剂对工件表面的污染问题；采用延性域磨削技术虽然能够使得磨削后材料表面及亚表面没有裂纹产生，有效降低了表面损伤，但实现真正意义上的延性域磨削以消除损伤还有很大的差距，且加工效率低。化学机械磨削(CMG)技术作为一种基于化学与机械复合作用原理的超精密加工技术，是目前实现大尺寸硅片超光滑无损伤表面加工的最理想的加工方法，在IC制造领域得到广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削的磨具及其制备方法，解决目前Al₂O₃陶瓷在磨削过程中由于采用以金刚石砂轮而存在严重的表面和亚表面损伤以及后续CMP抛光工艺产生的加工效率低、成本高、碱性或酸性抛光液处理困难等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削的磨具，其特征在于：它包括软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂、气孔，各原料所占体积百分比为：

软磨料：35～50％；

金刚石磨料：5～20％；

结合剂：20～35％；

添加剂：5～15％；

气孔：0～5％；各原料体积百分比之和为100％；

所述的软磨料以及金刚石磨料纯度为99％～100％；粒度分布为2μm～5μm。

所述的软磨料为二氧化硅磨料；

所述的金刚石磨料为粒度分布为2μm～5μm的磨料；

所述的结合剂为939P酚醛树脂，该结合剂制成的磨具具有良好的自锐性，易于修整且制备工艺简单。

所述的添加剂为碳酸氢钠、氧化钙、高锰酸钾中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。

上述化学机械磨削用磨具的制备方法，包括如下步骤：

1)选取软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料备用，各原料所占体积百分比为：软磨料：35～50％；金刚石磨料：5～20％；结合剂：20～35％；添加剂：5～15％；气孔：0～5％；各原料体积百分比之和为100％；

2)按上述体积百分比将软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按照磨具理论投料量150％进行称重；

3)将按照磨具理论投料量的150％进行称重后的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料同直径为15mm钢球混合放入球磨混料机中进行球磨混合，球磨转速为160rpm/min，持续时间12小时，以使各种软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料充分混合均匀；

4)将混好的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论填料量的120％称量并填入软磨料磨具的成型模具中，补偿填料过程中洒落或损失的部分。在填料过程中，让粉末均匀的落入模腔中，需一边搅拌一边将填入的粉末压实；

5)将填好料的成型模具放置在平板硫化机上进行热压成型，热压烧结温度为190℃，热压烧结时间为45min。

本发明的效果和益处是：本发明采用比Al₂O₃陶瓷的硬度低很多且能在100℃左右的条件下与之发生固相化学反应的软磨料作为磨具的主要磨料，在磨削过程中软磨料与Al₂O₃陶瓷通过摩擦在接触表面产生一层固相化学反应膜，随后通过金刚石磨料的机械划擦作用去除这层反应膜，有效地解决金刚石砂轮磨削后存在严重的表面及亚表面损伤的问题，提高了Al₂O₃陶瓷的面型精度和表面质量，磨削后Al₂O₃陶瓷的表面粗糙度可达纳米级。磨具中加入适量的金刚石磨料，有效地解决了目前软磨料磨具加工效率低、加工磨损严重等问题。此外，通过采用碳酸氢钠、高锰酸钾、氧化钙等添加剂，提高了化学机械磨削用磨具的磨削性能。

附图说明

图1是磨削前Al₂O₃陶瓷的3D表面轮廓照片。

图2是磨削后Al₂O₃陶瓷的3D表面轮廓照片。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本发明的方法中所使用的结合剂、添加剂等药品均为常见药品。本发明的方法所用的设备均为常用的已知设备。

实施例1：

一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削用磨具的制备方法，它包括如下步骤：

1)按各原料所占体积百分比为：软磨料：35％、金刚石磨料：20％、结合剂：25％；添加剂：15％；气孔：5％；选取软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料备用；

所述的软磨料为二氧化硅，纯度为99％，粒度为2μm；所述的金刚石磨料的纯度为99％，粒度为2μm；所述的结合剂为939P酚醛树脂；所述的添加剂为碳酸氢钠、高锰酸钾、氧化钙的均匀配比。

2)按上述体积百分比将软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按照磨具理论投料量150％进行称重；

3)将按照磨具理论投料量的150％进行称重后的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料同直径为15mm钢球混合放入球磨混料机中进行球磨混合，球磨转速为160rpm/min，持续时间12小时，以使各种软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料充分混合均匀；

4)将混好的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论填料量的120％称量并填入化学机械磨削用磨具的成型模具中，补偿填料过程中洒落或损失的部分。在填料过程中，让粉末均匀的落入模腔中，需一边搅拌一边将填入的粉末压实；

5)将填好料的成型模具放置在平板硫化机上进行热压成型，热压烧结温度为190℃，热压烧结时间为45min。

实施例2：

一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削用磨具的制备方法，它包括如下步骤：

1)按各原料所占体积百分比为：软磨料：45％、金刚石磨料：10％、结合剂：25％；添加剂：15％；气孔：5％；选取软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料备用；

所述的软磨料为二氧化硅，纯度为99％，粒度为2μm；所述的金刚石磨料的纯度为99％，粒度为2μm；所述的结合剂为939P酚醛树脂；所述的添加剂为碳酸氢钠、高锰酸钾、氧化钙的均匀配比。

2)按上述体积百分比将软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按照磨具理论投料量150％进行称重；

3)将按照磨具理论投料量的150％进行称重后的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料同直径为15mm钢球混合放入球磨混料机中进行球磨混合，球磨转速为160rpm/min，持续时间12小时，以使各种软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料充分混合均匀；

4)将混好的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论填料量的120％称量并填入化学机械磨削用磨具的成型模具中，补偿填料过程中洒落或损失的部分。在填料过程中，让粉末均匀的落入模腔中，需一边搅拌一边将填入的粉末压实；

5)将填好料的成型模具放置在平板硫化机上进行热压成型，热压烧结温度为190℃，热压烧结时间为45min。

实施例3：

一种用于Al₂O₃陶瓷化学机械磨削用磨具的制备方法，它包括如下步骤：

1)按各原料所占体积百分比为：软磨料：50％、金刚石磨料：5％、结合剂：25％；添加剂：15％；气孔：5％；选取软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料备用；

所述的软磨料为二氧化硅，纯度为99％，粒度为2μm；所述的金刚石磨料的纯度为99％，粒度为2μm；所述的结合剂为939P酚醛树脂；所述的添加剂为碳酸氢钠、高锰酸钾、氧化钙的均匀配比。

2)按上述体积百分比将软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按照磨具理论投料量150％进行称重；

3)将按照磨具理论投料量的150％进行称重后的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料同直径为15mm钢球混合放入球磨混料机中进行球磨混合，球磨转速为160rpm/min，持续时间12小时，以使各种软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料充分混合均匀；

4)将混好的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论填料量的120％称量并填入化学机械磨削用磨具的成型模具中，补偿填料过程中洒落或损失的部分。在填料过程中，让粉末均匀的落入模腔中，需一边搅拌一边将填入的粉末压实；

5)将填好料的成型模具放置在平板硫化机上进行热压成型，热压烧结温度为190℃，热压烧结时间为45min。

在CJK6145型数控车床上使用专门设计的恒压进给装置，采用按实施例1制备的化学机械磨削用磨具进行了磨削试验。图2为磨削后得到的Al₂O₃陶瓷表面形貌。图1是未磨削Al₂O₃陶瓷的表面形貌。

Claims (2)

1.一种用于化学机械磨削Al₂O₃陶瓷的磨具，其特征在于它包括软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂、气孔，各原料所占体积百分比为：

软磨料：35～50％；

金刚石磨料：5～20％；

结合剂：20～35％；

添加剂：5～15％；

气孔：0～5％；各原料体积百分比之和为100％；

所述的软磨料以及金刚石磨料纯度为99％～100％；粒度分布为2μm～5μm；

所述的软磨料为二氧化硅磨料；

所述的结合剂为939P酚醛树脂；

所述的添加剂为碳酸氢钠、氧化钙、高锰酸钾中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。

2.权利要求1所述用于化学机械磨削Al₂O₃陶瓷的磨具的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)选取软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料备用，各原料所占体积百分比为：软磨料：35～50％；金刚石磨料：5～20％；结合剂：20～35％；添加剂：5～15％；气孔：0～5％；各原料体积百分比之和为100％；

2)按上述体积百分比将软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论投料量150％进行称重；

3)按理论投料量的150％进行称重后的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料同直径为15mm钢球混合放入球磨混料机中进行球磨混合，球磨转速为160rpm/min，持续时间12小时，使软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料充分混合均匀；

4)将混好的软磨料、金刚石磨料、结合剂、添加剂原料按理论填料量的120％称量并填入化学机械磨削用磨具的成型模具中，补偿填料过程中洒落或损失的部分；在填料过程中，让粉末均匀的落入模腔中，一边搅拌一边将填入的粉末压实；

5)将填好料的成型模具放置在平板硫化机上进行热压成型，热压烧结温度为190℃，热压烧结时间为45min。

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