CN111136589B

CN111136589B - 一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法

Info

Publication number: CN111136589B
Application number: CN201911388705.4A
Authority: CN
Inventors: 吴柯; 周立波; 袁巨龙
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111136589A

Abstract

本发明公开了一种磨粒晶界结合固着磨具及其制备方法，特点是其由质量分数为100%的磨粒通过晶界面结合而成；优点是通过本方法制备得到的固着磨具，其全部由磨粒组成，不存在传统固着磨具中的树脂结合剂和添加剂，使得磨具在磨削时的磨损稳定，可防止砂轮因磨削力在短时间内急剧增大而损坏，同时也增大了磨粒与工件之间的接触面积，提高了磨削时的有效磨粒数，较好地改善了磨具的自锐性和磨损稳定性，提高了对工件表面的加工质量和加工效率；此外，由于该固着磨具的制备方法所需的原料仅为磨粒，使得磨具的强度可控，且成本较低，工艺简单。

Description

一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法

技术领域

本发明涉及用于工件磨削加工的磨具，尤其涉及一种磨粒晶界结合固着磨具及其制备方法。

背景技术

磨具主要用于工件表面的磨削加工，提高工件的表面质量和面型精度。在某些特殊领域，如超大规模集成电路、光电器件、射频器件、功率器件等所使用的基础元件——硬脆半导体衬底晶片，其表面质量和面型精度决定了外延生长薄膜的质量，进而影响半导体器件的工作效率和寿命。

目前市场上用于对晶片等产品进行表面磨削加工的固着磨具主要由磨粒、树脂结合剂和添加剂组成。虽然树脂结合剂和添加剂在固着磨具中的质量占比较少，但在体积分数上所占比重较大。因此，在晶片的加工过程中，现有固着磨具的磨损较不稳定，会导致磨削力在短时间内急剧增大，进而导致砂轮损坏。同时，由于树脂结合剂和添加剂的影响，磨粒和晶片的接触面积较小，有效磨粒数较少，影响晶片的加工效率和加工质量。此外，现有固着磨具的强度不易控制，对其的应用范围产生了一定的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磨粒晶界结合固着磨具及其制备方法，其磨损稳定、磨具强度可控，成本低，制备工艺简单，且使用该磨具可有效提高工件表面的加工质量和加工效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种磨粒晶界结合固着磨具，其由质量分数为100％的磨粒通过晶界面结合而成。

进一步地，所述的磨粒的材质为三氧化二铬或二氧化硅。

进一步地，所述的三氧化二铬磨粒和所述的二氧化硅磨粒的平均粒径均为1～50um，且磨粒的粒径分布均匀。

进一步地，所述的磨粒为球状。

一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)、将磨粒置于干燥器中，加热除湿；

(2)、将干燥后的磨粒注入磨具中，压制成胚；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，使磨粒间形成晶界面，磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具。

进一步地，所述的步骤(2)中，将磨粒在液等静压机中压制成胚，并控制液等静压机的压强为100～300MPa，保压时间为5～10min。

进一步地，所述的步骤(3)中，控制真空烧结炉内的烧结温度为500～700℃，并在该烧结温度下保温1～3h，升温/降温速率为20℃/min。

进一步地，所述的磨粒的材质为三氧化二铬或二氧化硅。

进一步地，所述的三氧化二铬磨粒的平均粒径为3um，所述的二氧化硅磨粒的平均粒径为5um。

与现有技术相比，本发明的优点是通过本方法制备得到的固着磨具，其全部由磨粒组成，不存在传统固着磨具中的树脂结合剂和添加剂，使得磨具在磨削时的磨损稳定，可防止砂轮因磨削力在短时间内急剧增大而损坏，同时也增大了磨粒与工件之间的接触面积，提高了磨削时的有效磨粒数，较好地改善了磨具的自锐性和磨损稳定性，提高了对工件表面的加工质量和加工效率；此外，由于该固着磨具的制备方法所需的原料仅为磨粒，使得磨具的强度可控，且成本较低，工艺简单。

附图说明

图1为本发明的固着磨具的结构示意图；

图2为带有固着磨具的砂轮的正视图；

图3为图2的剖视图；

图4为本发明的固着磨具的磨削示意图；

图5为使用本发明实施例二的固着磨具磨削加工后蓝宝石衬底晶片的表面形貌图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种磨粒晶界结合固着磨具，其由质量分数为100％的磨粒通过晶界面结合而成。其中：磨粒的材质可为三氧化二铬或二氧化硅，且三氧化二铬磨粒和二氧化硅磨粒的平均粒径可在1～50um的范围选择，且磨粒的粒径分布均匀；此外，磨粒的形状首选为球状。

实施例一：一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)、将平均粒径为3um的三氧化二铬磨粒置于干燥器中，加热除湿；

(2)、将干燥后的三氧化二铬磨粒注入磨具中，并通过液等静压机压制成胚，其中控制液等静压机的压强为300MPa，保压时间为10min；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，控制真空烧结炉内的烧结温度为500℃，并在500℃的烧结温度下保温3h，升温/降温速率为20℃/min，使三氧化二铬磨粒间形成晶界面，三氧化二铬磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具1。

对上述实施例一得到的固着磨具1进行弯曲强度测试，结果为145kPa，然后将60个该固着磨具1以环形排列粘贴到砂轮基台2上，得到砂轮，然后通过该砂轮对半导体衬底晶片3(衬底晶片3的材质为单晶C面蓝宝石)进行平坦化磨削加工实验，控制砂轮的转速为600rpm，衬底晶片3的转速为100rpm，加工压强为60kPa。与传统的由三氧化二铬磨粒、树脂结合剂以及添加剂结合而成的固着磨具砂轮在同等实验条件下进行对比实验，结果为：本实施例一的固着磨具1的加工效率为1.2μm/h，相比传统的三氧化二铬固着磨具，加工效率提高了约50％，加工后蓝宝石衬底晶片3的表面粗糙度均值约为Ra＝0.75nm，比传统的固着磨具的加工质量(Ra＝1.4nm)有明显提高，蓝宝石衬底晶片3的表面无明显损伤，且本实施例一的固着磨具1的磨损稳定，自锐性较好，但固着磨具1的磨损量为360μm/h，比传统固着磨具(150μm/h)大。

实施例二：一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，包括以下具体步骤：

(2)、将干燥后的三氧化二铬磨粒注入磨具中，并通过液等静压机压制成胚，其中控制液等静压机的压强为250MPa，保压时间为10min；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，控制真空烧结炉内的烧结温度为600℃，并在600℃的烧结温度下保温2h，升温/降温速率为20℃/min，使三氧化二铬磨粒间形成晶界面，三氧化二铬磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具1。

对上述实施例二得到的固着磨具1进行弯曲强度测试，结果为280kPa，然后将60个该固着磨具1以环形排列粘贴到砂轮基台2上，得到砂轮，然后通过该砂轮对半导体衬底晶片3(衬底晶片3的材质为单晶C面蓝宝石)进行平坦化磨削加工实验，控制砂轮的转速为600rpm，衬底晶片3的转速为100rpm，加工压强为60kPa。与传统的由三氧化二铬磨粒、树脂结合剂以及添加剂结合而成的固着磨具砂轮在同等实验条件下进行对比实验，结果为：本实施例二的固着磨具1的加工效率为0.95μm/h，相比传统的三氧化二铬固着磨具，加工效率提高了约20％，加工后蓝宝石衬底晶片3的表面粗糙度均值约为Ra＝0.81nm，比传统的固着磨具的加工质量(Ra＝1.4nm)有明显提高，蓝宝石衬底晶片3的表面无明显损伤，且本实施例二的固着磨具1的磨损稳定，自锐性较好，但固着磨具1的磨损量为220μm/h，磨损量比传统固着磨具大。

实施例三：一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)、将平均粒径为5um的二氧化硅磨粒置于干燥器中，加热除湿；

(2)、将干燥后的二氧化硅磨粒注入磨具中，并通过液等静压机压制成胚，其中控制液等静压机的压强为100MPa，保压时间为10min；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，控制真空烧结炉内的烧结温度为600℃，并在600℃的烧结温度下保温2h，升温/降温速率为20℃/min，使二氧化硅磨粒间形成晶界面，二氧化硅磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具1。

对上述实施例三得到的固着磨具1进行弯曲强度测试，结果为340kPa，然后将60个该固着磨具1以环形排列粘贴到砂轮基台2上，得到砂轮，然后通过该砂轮对半导体衬底晶片3(衬底晶片3的材质为单晶C面蓝宝石)进行平坦化磨削加工实验，控制砂轮的转速为600rpm，衬底晶片3的转速为100rpm，加工压强为60kPa。与传统的由二氧化硅磨粒、树脂结合剂以及添加剂结合而成的固着磨具砂轮在同等实验条件下进行对比实验，结果为：本实施例三的固着磨具1的加工效率为0.61μm/h，相比传统的二氧化硅固着磨具，加工效率提高了约50％，加工后衬底晶片3的表面粗糙度均值约为Ra＝0.68nm，比传统的固着磨具的加工质量(Ra＝1.2nm)有明显提高，衬底晶片3的表面无明显损伤，且本实施例三的固着磨具1的磨损稳定，自锐性较好，但固着磨具1的磨损量为200μm/h，磨损量比传统固着磨具大。

实施例四：一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，包括以下具体步骤：

(2)、将干燥后的二氧化硅磨粒注入磨具中，并通过液等静压机压制成胚，其中控制液等静压机的压强为200MPa，保压时间为5min；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，控制真空烧结炉内的烧结温度为700℃，并在700℃的烧结温度下保温1h，升温/降温速率为20℃/min，使二氧化硅磨粒间形成晶界面，二氧化硅磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具1。

对上述实施例四得到的固着磨具1进行弯曲强度测试，结果为540kPa，然后将60个该固着磨具1以环形排列粘贴到砂轮基台2上，得到砂轮，然后通过该砂轮对半导体衬底晶片3(衬底晶片3的材质为单晶C面蓝宝石)进行平坦化磨削加工实验，控制砂轮的转速为600rpm，衬底晶片3的转速为100rpm，加工压强为60kPa。与传统的由二氧化硅磨粒、树脂结合剂以及添加剂结合而成的固着磨具砂轮在同等实验条件下进行对比实验，结果为：本实施例四的固着磨具1的加工效率为0.53μm/h，相比传统的二氧化硅固着磨具，加工效率提高了约25％，加工后衬底晶片3的表面粗糙度均值约为Ra＝0.78nm，比传统的固着磨具的加工质量(Ra＝1.2nm)有明显提高，衬底晶片3的表面无明显损伤，且本实施例四的固着磨具1的磨损稳定，自锐性较好，但固着磨具1的磨损量为160μm/h，磨损量与传统固着磨具相当。

表1是本发明制备得到的三氧化二铬磨粒晶界结合固着磨具的弯曲强度测试结果：

表1

表2是本发明制备得到的二氧化硅磨粒晶界结合固着磨具的弯曲强度测试结果：

表2

从以上表1、表2可知，本发明的固着磨具的弯曲强度可根据磨削时的加工条件、加工要求等进行调控，只需在固着磨具制备时，控制不同的烧结温度和烧结保温时间就可得到具有不同弯曲强度的固着磨具。

此外，除上述实施例所描述的方案外，本制备方法还可控制不同的静压压强、保压时间以及烧结温度和保温时间来制备得到具有不同强度的固着磨具，可用于磨削不同材质的半导体衬底晶片，还可采用其它材质的磨粒，如三氧化二铝、二氧化铈、三氧化二铁等来制备固着磨具，用于磨削加工其它材质的工件，本制备方法的通用性较好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，其特征在于包括以下具体步骤：

(1)、将磨粒置于干燥器中，加热除湿；

(2)、将干燥后的磨粒注入磨具中，在液等静压机中压制成胚，并控制液等静压机的压强为100～300MPa，保压时间为5～10min；

(3)、将预压后的磨粒胚体放入真空烧结炉中烧结，控制真空烧结炉内的烧结温度为500～700℃，并在该烧结温度下保温1～3h，升温/降温速率为20℃/min，使磨粒间形成晶界面，磨粒之间通过晶界面相结合，得到固着磨具。

2.如权利要求1所述的一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，其特征在于：所述的磨粒的材质为三氧化二铬或二氧化硅。

3.如权利要求2所述的一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，其特征在于：所述的三氧化二铬磨粒和所述的二氧化硅磨粒的平均粒径均为1～50um，且磨粒的粒径分布均匀。

4.如权利要求3所述的一种磨粒晶界结合固着磨具的制备方法，其特征在于：所述的三氧化二铬磨粒的平均粒径为3um，所述的二氧化硅磨粒的平均粒径为5um。