CN102337084B

CN102337084B - Led衬底加工用研磨液及其制备方法

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Publication number: CN102337084B
Application number: CN201110207947.6A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 方伟
Original assignee: Zhengzhou Sanmo Superhard Material Co ltd; Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Sanmo Superhard Material Co ltd; Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN102337084A

Abstract

一种LED衬底加工用研磨液，包括溶剂、添加剂和研磨剂，研磨剂由金刚石微粉及非金刚石纳米级抛光材料组成；金刚石微粉，纯度为99%以上，粒度为：W0.5~W20；非金刚石纳米级抛光材料为氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬中的任意一种或任意几种的混合物，粒度为10~100nm，纯度为99%以上。本发明在采用微米级金刚石作为磨料的同时，复合加入非金刚石纳米级抛光材料，既能保证研磨速率，又能很好的保证工件表面的加工质量。

Description

LED衬底加工用研磨液及其制备方法

技术领域

本发明属于精密研磨加工领域，具体应用于光电行业LED制造中硅、碳化硅、蓝宝石等衬底的精密高效研磨抛光。

背景技术

LED产品具有小型化、省电、低发热、耐震、使用寿命长、光电转换效能高、单色发光及反应速度快等优点，广泛见于日常生活中，如家用电器的指示灯，汽车后防雾灯、LED显示屏等。LED通常采用硅、碳化硅、蓝宝石作为衬底制造。LED制造过程中，必须对其衬底表面进行极其精密的研磨抛光，加工质量要求非常高，如表面粗糙度值Ra须达到纳米级且表面无微小划痕等，为了达到这种要求通常采用研磨液研磨的方法。

根据具体使用要求的不同，研磨液可以选取水性和油性溶剂做为研磨分散介质，针对要解决的技术问题，设计相对应的技术方案。

例如，北京国瑞升提出的中国专利申请200710177815.7揭示了一种水性金刚石研磨液及其制备方法，根据该专利申请，采用单一的金刚石作为磨料加工LED衬底、光学仪器、玻璃、陶瓷、宝石等硬脆材料。河北工业大学刘玉玲等提出的专利申请 200610013981.9揭示了一种蓝宝石衬底材料的抛光液，该专利申请应用硅溶胶作为磨料对蓝宝石衬底进行研磨抛光。

众所周知，金刚石是世界上硬度最高的物质，用其作为磨料研磨LED衬底可以实现高效的研磨抛光，但是往往会造成较高的表面粗糙度，表面出现细小划痕和微裂纹。在研磨加工过程中，一部分磨粒在研磨压力的作用下用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另—部分磨粒则产生滚轧效果。由于微米级金刚石硬度比LED衬底硬度值高，从而使得衬底表面在研磨加工过程中易产生脆性崩碎形成切屑，从而导致表面加工质量不高。

非金刚石纳米级抛光材料，如：氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬等，粒度细，且硬度值低，对工件表面的作用力很小，可以有效的减少金刚石在加工过程中所产生的加工缺陷问题，但加工效率却差强人意。因此，为了满足LED衬底的加工要求，还有必要寻求新的解决途径。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种研磨液及其制备方法，通过在金刚石微粉中复合加入硬度比金刚石低的非金刚石纳米级抛光材料，实现微米级金刚石和非金刚石纳米级抛光材料在加工LED衬底材料方面的优势互补，从而解决目前微米级金刚石在加工LED衬底片过程中出现的工件表面粗糙度值较高、有细小划痕与微裂纹等表面加工缺陷，同时也解决仅应用非金刚石纳米级抛光材料作为磨料在加工LED衬底片过程中出现的材料去除速率低的问题。

为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种LED衬底加工用研磨液，包括溶剂、添加剂和研磨剂，研磨剂由金刚石微粉及非金刚石纳米级抛光材料组成；金刚石微粉，纯度为99%以上，粒度为：W0.5~ W20；非金刚石纳米级抛光材料为氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬中的任意一种或任意几种的混合物，粒度为10~100nm，纯度为99%以上。

一种水性研磨液由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1～2份、润湿剂0.01～2份、分散剂1～6份、悬浮剂0.2～10份、非金刚石纳米级抛光材料0.5~5份、去离子水75～99份。

制备方法如下：1）按重量份选取原料备用；2）取润湿剂加入金刚石微粉中，搅拌并超声20～30min，充分润湿金刚石微粉颗粒表面；3）取去离子水、分散剂混合，并与润湿后的金刚石微粉混合，并用超声波分散10～30min；4）取上述金刚石混合液体，加入悬浮剂，搅拌并超声分散15～20min；5）取上述分散均匀的液体，加入所述的非金刚石纳米级抛光材料，并用超声波细胞粉碎机分散混合液体10～30min后即制备成水性研磨液。

所述的润湿剂、分散剂、悬浮剂为分析纯；所述的润湿剂为柠檬酸、草酸、丙三醇、琥珀酸二异辛酯磺酸钠、N，N-二甲基十二烷基胺丙基磺酸内铵盐中的任意一种或任意几种的混合物；所述的分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、六偏磷酸钠、1，2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、聚乙二醇、硅烷偶联剂、烷基酚与环氧乙烷的缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚中的任意一种或任意几种的混合物；所述的悬浮剂为黄原胶、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、多聚磷酸钠中的任意一种或任意几种的混合物。

一种油性研磨液由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1~3份、表面活性剂0.1~2份、非金刚石纳米级抛光材料0.2~3份、分散剂0.8~5份、低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油87~99份。

制备方法如下：1）按重量份选取原料备用；2）在金刚石微粉中加入表面活性剂，超声搅拌10~30min使金刚石微粉表面充分润湿；3）将上述润湿好的金刚石微粉中加入低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油，充分搅拌并超声分散20~30min；4）将上述分散后液体中加入非金刚石纳米级抛光材料，充分搅拌并用超声波细胞粉碎机分散20~30min；5）将上述分散好的油性液体中加入分散剂，充分搅拌并用超声波细胞粉碎机超声分散15~20min后，即制备成油性研磨液。

所述表面活性剂为失水山梨醇单油酸脂、失水山梨醇单硬脂酸脂、聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯、油酸三乙醇胺、聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯中的任意一种；所述分散剂为壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚中的任意一种。

本发明在采用微米级金刚石作为磨料的同时，复合加入非金刚石纳米级抛光材料，由于非金刚石纳米级抛光材料硬度比金刚石低，且粒度在纳米范围内具有纳米尺寸效应，因此非金刚石纳米级抛光材料在研磨抛光过程中能有效的降低表面粗糙度、减少表面划痕与微裂纹，实现很好的加工表面质量。通过在金刚石微粉中复合加入非金刚石纳米级抛光材料，实现了很好的表面加工质量。因此本发明既能保证研磨速率，又能很好的保证工件表面的加工质量。

本发明通过对复合加入非金刚石纳米级抛光材料的研磨液与不加入非金刚石纳米级抛光材料的研磨液加工表面质量对比分析，得出加入非金刚石纳米级抛光材料的研磨液加工表面质量如：表面粗糙度Ra值达到5~30nm，应用光学显微镜放大800倍观察，工件表面无明显细小划痕与微裂纹，表面质量大大提高；而不加入非金刚石纳米级抛光材料的研磨液加工表面：粗糙度Ra值为15~60nm，应用光学显微镜放大800倍观察，工件表面有明显细小划痕，严重的甚至有微裂纹。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体事例进一步阐述本发明内容。

实施例1：一种水性研磨液，包括溶剂、添加剂和研磨剂，研磨剂由金刚石微粉及纳米级抛光材料组成；金刚石微粉，纯度为99%以上，粒度为：W0.5~ W20；纳米级抛光材料，粒度为10~100nm，纯度为99%以上。

溶剂为去离子水，添加剂为润湿剂、分散剂、悬浮剂。

其制备方法，包括如下步骤：

1）各原料按重量份选取，金刚石微粉0.4份、润湿剂0.01份、分散剂3份、悬浮剂1份、非金刚石纳米级抛光材料2份、去离子水94份。所述金刚石微粉纯度99%以上，粒度W0.5；所取润湿剂为草酸，柠檬酸，各占0.005份；分散剂为：1，2-丙二醇、乙二醇、烷基酚聚氧乙烯醚各占1份；所取悬浮剂为：黄原胶、聚乙烯醇各占0.5份；所述非金刚石纳米级抛光材料为氧化硅，粒度分布为：10~100nm。所述的润湿剂、分散剂、悬浮剂为分析纯。

2）取含有上述润湿剂溶液加入金刚石微粉中，搅拌并超声20min，将金刚石表面充分润湿。

3）取去离子水、分散剂，加入上述润湿后的金刚石微粉中，搅拌并超声20min，制备成金刚石混合液体。

4）取上述金刚石混合液体，加入上述悬浮剂，搅拌并超声分散15min。

5）取上述分散均匀的液体，加入上述氧化硅，并用超声波细胞粉碎机分散混合液体20min后，即可制得水性研磨液。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到6nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

所述的润湿剂还可为柠檬酸、草酸、丙三醇、琥珀酸二异辛酯磺酸钠、N，N-二甲基十二烷基胺丙基磺酸内铵盐中中的任意一种或任意几种的混合物；所述的分散剂还可以为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、六偏磷酸钠、1，2-丙二醇、二甘醇、乙二醇、聚乙二醇、硅烷偶联剂、烷基酚与环氧乙烷的缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚中的任意一种或任意几种的混合物；所述的悬浮剂还可以为黄原胶、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、多聚磷酸钠中的任意一种或任意几种的混合物；所述的纳米级抛光材料还可以为氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬中的任意一种或任意几种的混合物。

实施例2：一种水性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.6份、润湿剂0.03份、分散剂3份、悬浮剂3份、氧化铝2份、去离子水92份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，金刚石微粉纯度为99%以上，粒度W1.5；所述润湿剂为草酸；所述分散剂为二甘醇、聚乙二醇各占1.5份；所述悬浮剂为聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠各占1.5份；所述氧化铝粒度为10~100nm，纯度99%以上。

其他同实施例1。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到8nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例3：一种水性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1.0份、润湿剂0.20份、分散剂4份、悬浮剂6份、氧化铈3份、去离子水87份。

其制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，金刚石微粉纯度为99%以上，粒度W7；所述润湿剂为草酸；所述分散剂为十二烷基磺酸钠、六偏磷酸钠各占2份；所述悬浮剂为明胶、聚乙烯醇占3份；所述氧化铈粒度为10~100nm，纯度99%以上。

其他同实施例1。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到16nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例4：一种水性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1.2份、润湿剂1份、分散剂5份、悬浮剂7份、氧化铬3份、去离子水83份。

其制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，金刚石微粉纯度为99%以上，粒度W10；所述润湿剂为草酸；所述分散剂为烷基酚与环氧乙烷的缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚各占2.5份；所述悬浮剂为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠各占3.5份；所述氧化铬粒度为10~100nm，纯度99%以上。

2）取含有上述润湿剂溶液加入金刚石微粉中，搅拌并超声30min，将金刚石表面充分润湿。

3）取去离子水、分散剂，加入上述润湿后的金刚石微粉中，搅拌并超声30min，并用细胞粉碎机分散混合液体15min，制备成金刚石混合液体。

4）取上述金刚石混合液体，加入上述悬浮剂，搅拌并超声分散15min，并用细胞粉碎机分散混合液体20min。

5）取上述分散均匀的液体，加入上述氧化铬，分三次等量加入，每次加入纳米氧化铬后，并用超声波细胞粉碎机分散混合液体5min，共计15min，即可制得水性研磨液。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到20nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例5：一种水性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1.5份、润湿剂1.5份、分散剂6份、悬浮剂8份、氧化铬4份、去离子水79份。

其制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，金刚石微粉纯度为99%以上，粒度W14；所述润湿剂为草酸；所述分散剂为烷基酚与环氧乙烷的缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚各占3份；所述悬浮剂为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠各占4份；所述氧化铬粒度为10~100nm，纯度99%以上。

其他同实施例4。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到26nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例6：一种水性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉2份、润湿剂2份、分散剂6份、悬浮剂10份、氧化铝5份、去离子水75份。

其制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，金刚石微粉纯度为99%以上，粒度W20；所述润湿剂为草酸；所述分散剂为烷基酚与环氧乙烷的缩合物、烷基酚聚氧乙烯醚各占3份；所述悬浮剂为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠各占5份；所述氧化铝粒度为10~100nm，纯度99%以上。

其他同实施例4。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到30nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例7：一种油性研磨液，包括溶剂、添加剂和研磨剂，研磨剂由金刚石微粉及纳米级抛光材料组成；金刚石微粉，纯度为99%以上，粒度为：W0.5；纳米级抛光材料，粒度为10~100nm，纯度为99%以上。溶剂为低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油，添加剂为表面活性剂、分散剂。

由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1份、表面活性剂0.1份、非金刚石纳米抛光材料0.5份、分散剂0.8份、轻质矿物油98.5份。

其制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为W0.5，纯度为99%以上；所述的非金刚石纳米抛光材料为氧化硅，颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上；所述表面活性剂为聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯；所述分散剂为如壬基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为10#白油。

2）取上述表面活性剂加入金刚石微粉中，搅拌并超声15min使金刚石表面充分润湿。

3）将上述润湿好的金刚石微粉加入10#白油中充分搅拌并超声分散20min。

4）在分散好的油性液体中加入纳米氧化硅，搅拌并用超声波细胞粉碎机强力分散20min。

5）将上述分散好的液体加入分散剂壬基酚聚氧乙烯醚，搅拌并超声分散20min，制备成油性研磨液。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到5nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

所述表面活性剂还可以为失水山梨醇单油酸脂、失水山梨醇硬脂酸脂、聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯、油酸三乙醇胺、聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯中的任意一种；所述分散剂还可以为壬基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚中的任意一种；所述的非金刚石纳米级抛光材料还可以为氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬中的任意一种；所述的轻质矿物油还可以由低碳链烃类溶剂油代替，所述低碳链烃类溶剂油为6＃、120＃、200＃溶剂油。

实施例8：一种油性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1份、表面活性剂1.2份、氧化铝：0.8份；分散剂2.5份、轻质矿物油94.5份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为W1.5，纯度为99%以上；所述的氧化铝粉颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上：所述表面活性剂为聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯；所述分散剂为如壬基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为石脑油。

其他同实施例7。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到7nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例9：一种油性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1.2份、表面活性剂2份、氧化铈1.5份、分散剂3份、轻质矿物油92份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为W7，纯度为99%以上；所述的氧化铈颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上；所述表面活性剂为聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯；所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为7#白油。

其他同实施例7。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到14nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例10：一种油性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉1.5份、表面活性剂2份、氧化铬2份、分散剂4份、轻质矿物油90.5份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为W10，纯度为99%以上；所述的氧化铬颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上；所述表面活性剂为脂肪酸聚乙二醇酯；所述分散剂为辛基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为石脑油。

3）将上述润湿好的金刚石微粉加入石脑油中充分搅拌并超声分散25min。

4）在分散好的油性液体中分三次等量加入纳米氧化铬，每次加入后搅拌并用超声波细胞粉碎机超声分散10min，共计30 min。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到18nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例11：一种油性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉2 份、表面活性剂2份、氧化硅2.5份、分散剂5份、轻质矿物油88.5份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为：W14，纯度为99%以上；所述的氧化硅颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上。所述表面活性剂为脂肪酸聚乙二醇酯；所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为10#白油。

其他同实施例10。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到23nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例12：一种油性研磨液，由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉3 份、表面活性剂2份、氧化铬3份、分散剂5份、轻质矿物油87份。

制备方法包括如下步骤：1）各原料按重量份选取，所述的金刚石颗粒尺寸为W20，纯度为99%以上；所述的氧化铬颗粒尺寸为10~100nm，纯度为99%以上；所述表面活性剂为：脂肪酸聚乙二醇酯；所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚；所述轻质矿物油为石脑油。

2）取上述表面活性剂加入金刚石微粉中，搅拌并超声20min使金刚石表面充分润湿。

3）将上述润湿好的金刚石微粉加入石油脑中充分搅拌并超声分散30min。

4）在分散好的油性液体中分三次加入纳米氧化铬，每次加入后搅拌并用超声波细胞粉碎机超声分散10min，共计30 min。

5）将上述分散好的液体加入分散剂烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌并超声分散20min，制备成金刚石油性研磨液。

使用该研磨液加工LED衬底表面粗糙度Ra值达到27nm，表面无明显细小划痕，无微裂纹。

实施例13：一种水性研磨液由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1～2份、润湿剂0.01～2份、分散剂1～6份、悬浮剂0.2～10份、纳米级抛光材料0.5~5份、去离子水75～99份。

制备方法如下：1）按重量份选取原料备用；2）取润湿剂加入金刚石微粉中，搅拌并超声20～30min，充分润湿金刚石微粉颗粒表面；3）取去离子水、分散剂混合，并与润湿后的金刚石微粉混合，并用超声波分散10～30min；4）取上述金刚石混合液体，加入悬浮剂，搅拌并超声分散15～20min；5）取上述分散均匀的液体，加入所述的非金刚石纳米级抛光材料，并用超声波细胞粉碎机分散混合液体10~30min后即制备成水性研磨液。

实施例14：一种油性研磨液由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1~3份、表面活性剂0.1~2份、非金刚石纳米级抛光材料0.2~3份、分散剂0.8~5份、低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油87~99份。

制备方法如下：1）按重量份选取原料备用；2）在金刚石微粉中加入表面活性剂，超声分散10~30min使金刚石微粉表面充分润湿；3）将上述润湿好的金刚石微粉中加入低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油，充分搅拌并超声分散20~30min；4）将上述分散后液体中加入非金刚石纳米级抛光材料，充分搅拌并用超声波细胞粉碎机分散20~30min；5）将上述分散好的油性液体中加入分散剂，充分搅拌并用超声波细胞粉碎机超声分散15~20min后，即制备成油性研磨液。

Claims

1.一种LED衬底加工用油性研磨液，其特征是由以下原料按重量比制备而成：金刚石微粉0.1~3份、表面活性剂0.1~2份、非金刚石纳米级抛光材料0.2~3份、分散剂0.8~5份、低碳链烃类溶剂油或轻质矿物油87~99份；其中，金刚石微粉纯度为99%以上、粒度为：W0.5~ W20，非金刚石纳米级抛光材料为氧化铝、氧化硅、氧化铈、氧化铬中的任意一种或任意几种的混合物，粒度为10~100nm，纯度为99%以上；

2.根据权利要求1所述的LED衬底加工用油性研磨液，其特征是：所述表面活性剂为失水山梨醇单油酸脂、失水山梨醇单硬脂酸脂、聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯、油酸三乙醇胺、聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯中的任意一种；所述分散剂为壬基酚聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚中的任意一种。