CN110052917A - 一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法 - Google Patents

一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，涉及材料加工方法，本发明提供的抛光加工方法包括Cr2O3固结抛光垫的制备和抛光加工方法，其中使用的Cr2O3固结抛光垫包括氧化铬磨粒微粉40％～60％、粘结剂30％～50％、固化剂10％～20％、其余为去离子水，固结抛光垫上的Cr2O3微粒通过和蓝宝石表面发生固相反应，在蓝宝石表面生产软化层，再经过后续的抛光去除，最终达到蓝宝石抛光的效果，本发明能够提高蓝宝石加工效率和表面质量，同时也大大降低了蓝宝石因为机械抛光而产生的亚表面损伤。

Description

一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法
技术领域
本发明涉及材料加工方法技术领域，特别是指一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法。
背景技术
蓝宝石，由氧化铝单晶组成，具有诸多优良的化学物理性质，例如，高硬度(莫氏硬度9级)，耐腐蚀性和高透光性等，因此在工业上得到了广泛的应用，其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的光学性能使蓝宝石晶体成为半导体照明(LED)、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等理想的衬底材料。同时，其作为屏幕材料被广泛应用于智能设备、红外军事装备、卫星空间技术、高强度激光窗口等领域。根据统计，近三年来，LED衬底材料应用占蓝宝石需求量的80％以上，而非LED应用约占蓝宝石需求量的20％，非LED应用主要体现在消费电子产品需求上，如：智能手机的摄像镜头保护玻璃、Home键、蓝宝石表镜等。
蓝宝石属于超硬脆性材料，在工业生产中加工难度相当大，传统机械抛光如利用金刚石作为固结磨料可以获得良好的抛光速率和几何精度，但是传统机械抛光容易造成蓝宝石晶片缺陷，如划痕，凹坑，亚表面损伤等，针对这些问题，已经有一种以游离SiO2胶体为磨料的化学机械抛光加工工艺被提出，这种加工工艺可以使加工的蓝宝石晶片具有良好的表面粗糙度和较低的亚表面损伤，可以达到加工超光滑蓝宝石表面的效果。
但申请人发现，上述加工方法还存在许多不足，如材料的去除速率较低，难以保证工业上的大批量生产需求；当加工的蓝宝石晶片尺寸较大时，这种加工方法难以保证加工工件表面的几何精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，以解决现有技术中全部或者部分不足之处。
基于上述目的本发明提供的一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，包括如下步骤：
Cr2O3固结抛光垫的制备：在去离子水中加入固化剂，充分搅拌使其完全溶解，然后加入结合剂、Cr2O3微粉，搅拌混合均匀；将搅拌混合均匀的配料在模具中热压成形，脱模，并对得到的固结抛光垫上下端面进行修整，保证固结抛光垫上下端面的平整度和平行度，得Cr2O3固结抛光垫；
抛光加工方法：将Cr2O3固结抛光垫利用双面胶粘结在抛光盘上，并将固结抛光盘装入抛光机的底座紧固，然后将待加工的蓝宝石晶片放置在抛光机载样盘内，并夹紧固定，进行抛光加工，其中，抛光盘的转速为500～700r/min，载样盘的转速为80～150r/min，抛光压力为45～80KPa。
可选的，所述抛光加工方法中，在压力和相对速度的作用下，蓝宝石晶片和Cr2O3磨料之间先发生固相反应生成软质层，然后再利用Cr2O3磨料的摩擦，去除生成软质层，从而实现蓝宝石晶片的抛光。
可选的，所述Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉40％～60％、结合剂30％～50％、固化剂10％～20％、水余量。
可选的，所述Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉45％、结合剂35％、固化剂15％、水5％。
可选的，所述结合剂为氧化镁。
可选的，所述固化剂为氯化镁或酚醛-环氧树脂。
可选的，所述Cr2O3微粉的颗粒为3～5μm。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，以Cr2O3为磨粒的固结抛光垫，在进行蓝宝石加工时，固结抛光垫表面的Cr2O3磨粒和蓝宝石晶片表面发生固相反应，在蓝宝石表面生成一层硬度较低的化合物，这让后续蓝宝石的去除难度降低，从而实现蓝宝石晶片的抛光；使用Cr2O3为固结磨料的蓝宝石抛光工艺可以很好的避免表面抛光缺陷的产生；另外由于Cr2O3和蓝宝石的晶体结构相似，这让蓝宝石和Cr2O3之间的固相反应更加容易发生，相比于以SiO2胶体结合化学机械抛光加工工艺，本工艺方法的固相反应更加容易进行，能够更加快速的产生软质层，这为后续的磨料去除提供保障，极大地提高了加工速率；同时，由于所采用的Cr2O3磨料本身的硬度也较高(莫氏硬度8.5～9级)，降低了软质层化合物去除的难度，这也使本工艺方案比采用软质磨粒的蓝宝石加工方案的去除速率高，从而提高加工效率和表面质量，同时也大大降低了蓝宝石因为机械抛光而产生的亚表面损伤。本发明提供的工艺流程简单、易清洗、成本低、效率高，因采用的是干式抛光，不采用任何抛光液辅助加工，无化学废液产生，环保无污染；方法操作难度小，加工效率高，具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例Cr2O3固结抛光垫剖面示意图；
图2为本发明实施例加工原理示意图；
图3为本发明实施例抛光装置示意图；
图4为本发明实施例样品表面粗糙度变化图；
图5为本发明实施例样品光洁度比对图。
11-Cr2O3微粉，12-气孔，13-结合剂和固结剂等混合物基体，21-蓝宝石工件，22-Cr2O3固结抛光垫，23-软质层，31-载样盘，32-抛光盘；A-现有技术中的抛光后的表面，B-本发明抛光后的表面。
具体实施方式
为下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明实施例的目的是针对现有的传统机械抛光容易造成蓝宝石晶片表面划痕，凹坑，亚表面损伤和以SiO2胶体结合化学机械抛光加工工艺的低去除速率和低几何精度等一系列问题，提供的一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，包括如下步骤：
Cr2O3固结抛光垫的制备：在去离子水中加入固化剂，充分搅拌使其完全溶解，然后加入结合剂、Cr2O3微粉，搅拌混合均匀；将搅拌混合均匀的配料在模具中热压成形，脱模，并对得到的固结抛光垫上下端面进行修整，保证固结抛光垫上下端面的平整度和平行度，得Cr2O3固结抛光垫；
抛光加工方法：将Cr2O3固结抛光垫利用双面胶粘结在抛光盘上，并将固结抛光盘装入抛光机的底座紧固，然后将待加工的蓝宝石晶片放置在抛光机载样盘内，并夹紧固定，进行抛光加工，其中，抛光盘的转速为500～700r/min，载样盘的转速为80～150r/min，抛光压力为45～80KPa。
其中，Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉40％～60％、结合剂30％～50％、固化剂10％～20％、水余量。
基于Cr2O3蓝宝石表面发生固相反应，产生软化层，而且加工过程中只需要一种粒径的磨粒就可以达到蓝宝石表面抛光的效果，从而提高加工效率和表面质量，同时也大大降低了蓝宝石因为机械抛光而产生的亚表面损伤。
另外由于Cr2O3和蓝宝石的晶体结构相似，这让蓝宝石和Cr2O3之间的固相反应更加容易发生，相比于以SiO2胶体结合化学机械抛光加工工艺，本工艺方法的固相反应更加容易进行，能够更加快速的产生软质层，这为后续的磨料去除提供保障，极大地提高了加工速率。
本发明实施例提供的一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，包括如下步骤：
Cr2O3固结抛光垫原料配比为：Cr2O3微粉45％、结合剂35％、固化剂15％、去离子水5％。
Cr2O3固结抛光垫的制备：按上述配方准备各原料，在去离子水中加入酚醛-环氧树脂固化剂，加热充分搅拌使其完全溶解，然后加入氧化镁结合剂、粒径3～5μm的Cr2O3微粉，搅拌混合均匀；将搅拌混合均匀的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对得到的固结抛光垫上下端面进行修整，保证固结抛光垫上下端面的平整度和平行度，得Cr2O3固结抛光垫，如图1所示，制备出的Cr2O3固结抛光垫，Cr2O3微粉11分散在结合剂和固结剂等混合物基体13中，由于前期的搅拌混合，混合配料中含有大量的空气，在热压成形过程中会有部分空气没有排除干净，制备的Cr2O3固结抛光垫中有气孔12存在。
抛光加工方法：将Cr2O3固结抛光垫利用双面胶粘结在抛光盘上，并将固结抛光盘装入抛光机的底座紧固，设置抛光盘转速为600r/min，然后将待加工的蓝宝石晶片放置在抛光机载样盘内，使用夹紧装置固定，设置载样盘转速为100r/min，抛光时对宝石晶片工件施加60KPa的抛光压力，进行抛光加工，抛光装置见图3，装有Cr2O3固结抛光垫22的抛光盘32，在电动轴的带动下转动，同时，固定有蓝宝石晶片的载样盘31，将需要抛光的蓝宝石晶片与Cr2O3固结抛光垫22进行接触，并由电动轴带动载样盘31，进行转速低于抛光盘32，且转向与抛光盘32相反的转动运动。
如图2所示，在施加的抛光压力的作用下，Cr2O3固结抛光垫22中的Cr2O3微粉11先与蓝宝石工件21表面发生固相反应，在蓝宝石工件21表面生成一层硬度较低的软质层23，这大大降低了去除的难度，同时，可以有效的减少因硬接触而造成的蓝宝石工件表面的损伤和亚表面损伤，然后再利于Cr2O3微粉11对软质层23进行抛光去除，最终达到蓝宝石晶片表面抛光的效果。
进一步，因为Cr2O3和蓝宝石具有相似的晶体结构，这使Cr2O3具有更高的活性和蓝宝石之间发生固相反应，另外，抛光过程中会产生大量的热能，也极大地促进了两者之间化学反应的进行。同时此抛光方式，采用干式环境进行蓝宝石抛光，不仅有利于提高化学反应的进行，也有利于磨屑的排除。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品1。
为了更准备的说明本申请的目的，本发明实施例另外提供了一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法同上述实施例，不同的是本发明实施例中Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉40％％、结合剂30％、固化剂10％、水20％；
抛光盘的转速为500r/min，载样盘的转速为80r/min，抛光压力为45KPa。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品2。
为公开的充分性，在改变Cr2O3固结抛光垫原料含量和抛光工艺条件下，本发明实施例还提供了如下工艺参数的样品，
Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：Cr2O3微粉40％、结合剂50％、固化剂10％；
抛光盘的转速为700r/min，载样盘的转速为150r/min，抛光压力为80KPa。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品3。
Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：Cr2O3微粉60％、结合剂30％、固化剂10％；
抛光盘的转速为600r/min，载样盘的转速为100r/min，抛光压力为60KPa。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品4。
Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：Cr2O3微粉45％、结合剂35％、固化剂15％、水5％；
抛光盘的转速为700r/min，载样盘的转速为150r/min，抛光压力为80KPa。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品5。
Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：Cr2O3微粉45％、结合剂35％、氯化镁固化剂15％、水5％；
抛光盘的转速为600r/min，载样盘的转速为100r/min，抛光压力为60KPa。本发明实施例的抛光出的样品，记为样品6。
上述实施例采用蓝宝石晶片为常州中晶科技公司提供的单晶蓝宝石切片，加工面为{0001}晶面，样片直径为50.8mm，平均初始厚度为0.7mm，表面粗糙度Ra约为0.65μm。
对制备的样品1～6采用美国ZOYO激光平面干涉仪进行表面粗糙度的测量，测量时，每个样品采用9点法(在样品表面十字交叉均匀地取9个点)进行测量，然后将9个点的数据进行平均，得样品的粗糙度值Ra(nm)，同时采用现有技术中SiO2胶体抛光方法制备的样品作为对照组，测试结果如图4所示，所有样品在0～2h抛光时间内粗糙度的变化程度较为明显，尤其是在0～1h，随着时间的推移，表面粗糙度变化缓慢，SiO2胶体抛光方法的粗糙度变化率小于本发明实施例，当抛光时间为8h时，本发明实施例的样品表面粗糙度在1nm，而此时SiO2胶体抛光样品的表面粗糙度为4nm，且粗糙度变化率趋于0。从粗糙度的变化趋势图可以看出，本发明实施例的加工方法相较于现有技术，在达到相同表面粗糙度的情况下，能够缩短加工时长，提高加工效率。
分别取本发明实施例制备的样品和SiO2胶体抛光方法制备的样品，置于底层带有图案的底板上，肉眼观察两者的差别，如图5所示，本发明实施例制备蓝宝石表面透过的图案较为清晰，而现有技术制备的蓝宝石表面较为粗糙造成透过的图案较为模糊。
以Cr2O3为磨粒的固结抛光垫，在进行蓝宝石加工时，固结抛光垫表面的Cr2O3磨粒和蓝宝石晶片表面发生固相反应，在蓝宝石表面生成一层硬度较低的化合物-软质层，这让后续蓝宝石的去除难度降低，从而实现蓝宝石晶片的抛光；另外由于Cr2O3和蓝宝石的晶体结构相似，这让蓝宝石和Cr2O3之间的固相反应更加容易发生，可以很好的避免表面抛光缺陷的产生。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
Cr2O3固结抛光垫的制备：在去离子水中加入固化剂，充分搅拌使其完全溶解，然后加入结合剂、Cr2O3微粉，搅拌混合均匀；将搅拌混合均匀的配料在模具中热压成形，脱模，并对得到的固结抛光垫上下端面进行修整，保证固结抛光垫上下端面的平整度和平行度，得Cr2O3固结抛光垫；
抛光加工方法：将Cr2O3固结抛光垫利用双面胶粘结在抛光盘上，并将固结抛光盘装入抛光机的底座紧固，然后将待加工的蓝宝石晶片放置在抛光机载样盘内，并夹紧固定，进行抛光加工，其中，抛光盘的转速为500～700r/min，载样盘的转速为80～150r/min，抛光压力为45～80KPa。
2.根据权利要求1所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述抛光加工方法中，在压力和相对速度的作用下，蓝宝石晶片和Cr2O3磨料之间先发生固相反应生成软质层，然后再利用Cr2O3磨料的摩擦，去除生成软质层，从而实现蓝宝石晶片的抛光。
3.根据权利要求1所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉40％～60％、结合剂30％～50％、固化剂10％～20％、水余量。
4.根据权利要求3所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述Cr2O3固结抛光垫包括如下质量百分数成分：
Cr2O3微粉45％、结合剂35％、固化剂15％、水5％。
5.根据权利要求3所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述结合剂为氧化镁。
6.根据权利要求3所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述固化剂为氯化镁或酚醛-环氧树脂。
7.根据权利要求3所述的基于固结磨料技术的蓝宝石抛光加工方法，其特征在于，所述Cr2O3微粉的颗粒为3～5μm。
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