CN108527174B - 一种碳化硅衬底倒角用砂轮及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳化硅衬底加工技术领域，具体涉及一种用于2英寸及以上规格碳化硅衬底的倒角用砂轮及其制备方法。所述碳化硅衬底倒角用砂轮，包括基体和磨料层，所述磨料层包括以下重量份的原料：磨料20‑30份，金属结合剂56‑95份，添加剂1‑7份；所述添加剂是氯化钠、氯化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种任意比例混合物。本发明的砂轮配方、加工工艺简单，操作简便；可对2英寸及以上尺寸的碳化硅衬底进行倒角加工，加工效果好，工件在高亮白光下目测无锯齿和崩口现象。

Description

一种碳化硅衬底倒角用砂轮及其制备方法
技术领域
本发明属于碳化硅衬底加工技术领域，具体涉及一种用于2英寸及以上规格碳化硅衬底的倒角用砂轮。
背景技术
目前半导体照明主要有三条技术路线，分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线，以美国CREE为代表的碳化硅衬底LED技术路线，以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。碳化硅作为新型半导体材料，具有非常优异的材料性能。碳化硅衬底的热导率比蓝宝石高10倍以上，是硅的3倍，其最高工作温度上限可以到600℃，因此可以制作面积较大的大功率器件，弥补了大功率芯片的空档；使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以直接通过电极导出，因此不需要电流扩散层，这样光不会被电流扩散层的材料吸收，间接的提高了出光效率。
碳化硅衬底的加工工艺流程是：长晶→晶棒磨圆→切片→倒角→研磨→抛光→清洗→包装；其中的倒角工序也叫圆边，指将切割成的晶片的锐利边缘修正成圆弧形，防止碳化硅衬底边缘破裂及晶格缺陷产生。
碳化硅衬底硬度较大，莫氏硬度为9.25，仅次于金刚石。碳化硅衬底具有高硬、高脆、耐磨性好、化学性质极其稳定的特点，使得碳化硅衬底的精密加工非常困难，普通的砂轮无法在加工寿命和加工效率上满足碳化硅衬底倒角加工的要求。
中国专利公开号CN105583743A，公布日期是2016年5月18日，名称为“一种金刚石砂轮及其制备方法”的发明专利，公开的一种金刚石砂轮及其制备方法，应用于碳化硅陶瓷材料密封环的倒角磨削。该发明用于碳化硅材料的密封环的倒角磨削，其制备工艺简单，磨料层与基体结合力好，对碳化硅陶瓷材料密封环进行倒角加工时，可兼顾磨削效率和加工精度。但是，关于碳化硅衬底倒角用砂轮并未有相关报道，所以，还有进一步研究的必要。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种碳化硅衬底倒角用砂轮及其制备方法。该倒角用砂轮可用于2英寸及以上规格的碳化硅衬底，加工效果好，工件在高亮白光下目测无锯齿和崩口现象。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种碳化硅衬底倒角用砂轮，包括基体和磨料层，所述磨料层包括以下重量份的原料：磨料20-30份，金属结合剂56-95份，添加剂1-7份；所述添加剂是氯化钠、氯化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种任意比例混合物。
优选的，所述金属结合剂由以下重量份数的原料组成：铜粉30-50份，锡粉25-40份，铝粉1-5份，进一步优选的，所述添加剂的粒径≤100μm。
优选的，所述磨料为金刚石，进一步优选的，金刚石目数是500-1500目。
优选的，所述基体的制备材料为铝合金。
一种上述碳化硅衬底倒角用砂轮的制备方法，其包括如下步骤：
1) 按比例取磨料层各原料，加入到充满保护性气氛的混料罐内并密封，混料均匀，所述保护性气氛为氮气；
2) 将步骤1) 所得的混合料加入到模具中，进行压制，得到坯料；
3) 将步骤2) 坯料烧结，充入氢气作为保护气，升温至400-500℃并保温1-2h，保温结束后即得砂轮磨料层；
4) 将步骤3) 所得的砂轮磨料层粘接在砂轮基体上，即得砂轮毛坯；
5) 将步骤4) 所得的砂轮毛坯按照要求加工到需要的尺寸精度，制备砂轮半成品；
6) 将步骤5) 加工合格的砂轮半成品进行检验并做动平衡，达到精度要求后即为碳化硅
衬底倒角用砂轮。
优选的，步骤1) 的混料时间为5-20h，进一步优选的，混料时间是10h；步骤2) 压制压力为1000-2500kg/cm2。
一种上述碳化硅衬底倒角用砂轮在半导体加工中的应用，用于碳化硅衬底倒角加工用。
优选的，所述碳化硅衬底的尺寸是2英寸及以上。
和现有技术相比，本发明的有益效果是：1. 本发明的砂轮配方、加工工艺简单，操作简便；2.通过新型结合剂的设计，引入几种具有高孔隙率的化学添加剂，在不降低工件磨削质量的前提下提高了结合剂的自锐性，该砂轮可对2英寸及以上尺寸的碳化硅衬底进行倒角加工，加工效果好，工件在高亮白光下目测无锯齿和崩口现象；3. 在工艺设计中，使用较大成型压力在保护气氛中进行成型，增大了砂轮使用的耐磨性，在满足碳化硅衬底加工质量的前提下提高了磨削工件的良品率，其良品率可达到90%以上，单槽倒角2英寸工件500件以上。
附图说明
图1为实施例中砂轮的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为图2中B处的局部放大图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
下述实施例所制备砂轮型号是1FF1V/n，本申请所提供砂轮结构示意图如图1~3所示，具体型号为：1FF1V/n D202T20H30X3，其中：两个“1”表示砂轮的磨料层与基体在同一水平面上，FF表示砂轮的槽底有过渡圆弧，V表示槽开口有角度，n表示砂轮槽的数目，砂轮用于2英寸碳化硅衬底倒角加工时的n值为9，用于4英寸碳化硅衬底倒角加工时的n值为6；
D表示砂轮的直径（即图1中ΦD所示），T表示砂轮厚度（即图1中T所示），H表示砂轮内孔的直径（即图1中ΦH所示），X表示磨料层厚度（即图1中X所示），Pn（如图2中P1、P2所示）表示基准面到第n道槽中心距离，C表示槽深度（即图3中C所示），θ表示槽开口夹角（即图3中θ所示），R表示槽底过渡圆弧半径值（即图3中R所示），t表示槽底宽度值（即图3中t所示），V表示槽开口处宽度值（即图3中V所示）；上述长度单位均为mm。
实施例1
一种碳化硅衬底倒角用砂轮，包括基体和磨料层，磨料层由以下重量份的原料制成：铜50份，锡28份，铝1份，氯化钾1份，金刚石20份。
所述金刚石目数为500，所述基体为铝合金。
上述碳化硅衬底倒角用砂轮的制备方法包括如下步骤：
1) 按比例取磨料层各原料，加入到充满氮气的混料罐内并密封，将密封好的混料罐装入三维混料机中混料5h，然后释放氮气得混合料；
2) 将步骤1) 所得的混合料加入到耐热钢模具中，刮平，置于油压机上以1000kg/cm2的压力进行压制，得到带坯料的耐热钢模具；
3) 将步骤2) 所得带坯料的耐热钢模具放置在双体热压烧结炉中，充入氢气作为保护气，之后以100℃/h的速率升温至400℃并保温1h，保温结束后，将磨料层从耐热钢模具中卸出，即得砂轮磨料层；
4) 将步骤3) 所得的砂轮磨料层粘接在砂轮基体上，即得砂轮毛坯；
5) 将步骤4) 所得的砂轮毛坯按照要求加工到需要的尺寸精度，制备砂轮半成品；
6) 将步骤5) 加工合格的砂轮半成品进行检验并做动平衡，达到精度要求后即为碳化硅衬底倒角用砂轮。
用本实施例的方法分别制作型号为1FF1V/6和1FF1V/9的砂轮。
实施例2
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜33份，锡25份，铝5份，氯化钾2份，碳酸钾5份，金刚石30份；
所述金刚石目数为1500。
与实施例1制备方法相比，调整部分制备参数如下：
步骤1) 磨料层在三维混料机中混料时间为20h，步骤2) 混合料在耐热钢模具中以2500
kg/cm2的压力进行压制，步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至500℃并保温2h。
实施例3
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜40份，锡28份，铝3份，氯化钠2份，碳酸钠2份，金刚石25份；
所述金刚石目数为1000。
与实施例1制备方法相比，调整部分制备参数如下：
步骤1) 磨料层在三维混料机中混料时间为10h，步骤2) 混合料在耐热钢模具中以2000
kg/cm2的压力进行压制，步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至450℃并保温1.5h。
实施例4
本实施例所提供砂轮，与实施例3相比，调整磨料层中添加剂配方如下：
磨料层添加剂为：碳酸钠2份，碳酸钾2份；
制备方法与实施例3相同。
实施例5
本实施例所提供砂轮，与实施例3相比，调整磨料层中添加剂配方如下：
磨料层添加剂为：氯化钠1份，碳酸钠2份，碳酸钾1份；
制备方法与实施例3相同。
实施例6
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料组成：铜36份，锡40份，铝3份，碳酸钠1份，金刚石20份；制备方法与实施例1相比，调整部分制备参数如下：
步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至500℃并保温1h。
实施例7
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜40份，锡28份，铝5份，氯化钾2份，碳酸钾5份；
与实施例1制备方法相比，调整部分制备参数如下：
步骤1) 磨料层在三维混料机中混料时间为10h，步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至480℃并保温1h。
实施例8
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜30份，锡30份，铝3份，氯化钠3份，碳酸钠4份，金刚石30份；
与实施例1制备方法相比，调整部分制备参数如下：
制备方法，步骤1) 磨料层在三维混料机中混料时间为10h，步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至500℃并保温1.5h。
实施例9
本实施例所提供砂轮，与实施例1相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜30份，锡30份，铝3份，氯化钾2份，碳酸钾2份，碳酸钠3份，金刚石30份；
与实施例1制备方法相比，调整部分制备参数如下：
步骤1) 磨料层在三维混料机中混料时间为10h，步骤3) 坯料在双体热压烧结炉中以100℃/h的速率升温至420℃并保温2h。
对比例1
本实施例所提供砂轮，与实施例3相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜43份，锡29份，铝3份，金刚石25份；
所述金刚石目数为1000。
制备方法与实例3相同。
对比例2
本实施例所提供砂轮，与实施例6相比，调整磨料层配方如下：
磨料层由以下重量份的原料制成：铜39份，锡40份，碳酸钠1份，金刚石20份；
所述金刚石目数为1000。
制备方法与实例6相同。
检测方法：
1) 将本发明实施例1-9制作的砂轮分别装在东精精密W-GM-4200倒角机上进行倒角测试，砂轮转速2400转/分钟，工件转速1.5转/分钟，磨削进给量为0.1毫米，使用纯水作为冷却液。
2) 将实施例1-9中制作的型号为1FF1V/9的砂轮对2英寸的碳化硅衬底进行倒角磨削，记录良品率和砂轮的寿命，即单槽报废时的工件数，同样将型号为1FF1V/6的砂轮对4英寸的碳化硅衬底进行倒角磨削，并记录良品率和砂轮的寿命，结果见表1所示：
表1 实施例1-9倒角用砂轮的测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE001
通过磨削测试发现，本发明的实施例1-9所述倒角用砂轮加工效果好，磨出边细腻、平滑，工件在高亮白光下目测无锯齿和崩口现象，实施例9制备的砂轮使用寿命长。
对比例1是实施例3的对比例，对比例2是实施例6的对比例。通过表1中的数据发现，添加剂对于砂轮的使用寿命和工件良品率影响很大，加入添加剂能够大幅度提高砂轮的使用效果；金属结合剂中金属的选取也会对砂轮性能有影响，铜、锡、铝共同使用制备的砂轮性能优于仅含铜和锡所制备的砂轮。

Claims (9)

1.一种碳化硅衬底倒角用砂轮，包括基体和磨料层，其特征在于：所述砂轮用于2英寸和4英寸的碳化硅衬底倒角加工，所述磨料层由以下重量份的原料组成：磨料20-30份，金属结合剂56-95份，添加剂1-7份；所述添加剂是氯化钠、氯化钾、碳酸钠、碳酸钾中的一种或几种任意比例混合物；所述添加剂的粒径≤100μm；
所述金属结合剂由以下重量份数的原料组成：铜粉30-50份，锡粉25-40份，铝粉1-5份；
所述磨料为金刚石，金刚石目数是500-1500目；
所述基体的制备材料为铝合金；
所述碳化硅衬底倒角用砂轮的制备方法，包括如下步骤：
1) 按比例取磨料层各原料，加入到充满保护性气氛的混料罐内并密封，混料均匀；
2) 将步骤1) 所得的混合料加入到模具中，进行压制，压制压力为1000kg/cm2或2000kg/cm2或2500kg/cm2，得到坯料；
3) 将步骤2) 坯料烧结，充入氢气作为保护气，以100℃/h的速率升温至400-500℃并保温1-2h，保温结束后即得砂轮磨料层；
4) 将步骤3) 所得的砂轮磨料层粘接在砂轮基体上，即得砂轮毛坯；
5) 将步骤4) 所得的砂轮毛坯按照要求加工到需要的尺寸精度，制备砂轮半成品；
6) 将步骤5) 加工合格的砂轮半成品进行检验并做动平衡，达到精度要求后即为碳化硅衬底倒角用砂轮；
步骤1) 中所述保护性气氛为氮气。
2.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：铜50份，锡28份，铝1份，氯化钾1份，金刚石20份，所述金刚石目数为500；
步骤1) 磨料层混料时间为5h，步骤2) 压制压力为1000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至400℃并保温1h。
3.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：铜33份，锡25份，铝5份，氯化钾2份，碳酸钾5份，金刚石30份，所述金刚石目数为1500；
步骤1) 磨料层混料时间为20h，步骤2) 压制压力为2500kg/cm2；步骤3) 坯料升温至500℃并保温2h。
4.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：铜40份，锡28份，铝3份，氯化钠2份或碳酸钾2份或氯化钠、碳酸钾各1份，碳酸钠2份，金刚石25份，所述金刚石目数为1000；
步骤1) 磨料层混料时间为10h，步骤2) 压制压力为2000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至450℃并保温1.5h。
5.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：铜36份，锡40份，铝3份，碳酸钠1份，金刚石20份，所述金刚石目数为500；
步骤1) 磨料层混料时间为5h，步骤2) 压制压力为1000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至500℃并保温1h。
6.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：磨料层由以下重量份的原料制成：铜40份，锡28份，铝5份，氯化钾2份，碳酸钾5份，金刚石20份，所述金刚石目数为500；
步骤1) 磨料层混料时间为5h，步骤2) 压制压力为1000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至480℃并保温1h。
7.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：磨料层由以下重量份的原料制成：铜30份，锡30份，铝3份，氯化钠3份，碳酸钠4份，金刚石30份，所述金刚石目数为500；
步骤1) 磨料层混料时间为10h，步骤2) 压制压力为1000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至500℃并保温1h。
8.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，磨料层由以下重量份的原料制成：磨料层由以下重量份的原料制成：铜30份，锡30份，铝3份，氯化钾2份，碳酸钾3份，金刚石30份，所述金刚石目数为500；
步骤1) 磨料层混料时间为10h，步骤2) 压制压力为1000kg/cm2；步骤3) 坯料升温至420℃并保温2h。
9.根据权利要求1所述的碳化硅衬底倒角用砂轮，其特征在于，所述砂轮的型号为1FF1V/9或1FF1V/6；所述型号为1FF1V/9的砂轮用于2英寸碳化硅衬底的倒角加工，所述型号为1FF1V/6的砂轮用于4英寸碳化硅衬底的倒角加工。
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