CN111212706A - 陶瓷结合剂超硬磨料砂轮 - Google Patents

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Abstract

这种陶瓷结合剂超硬磨料砂轮具有芯部以及设置在芯部上的超硬磨粒层，其中：超硬磨粒层包含多个超硬磨粒和将多个超硬磨粒结合在一起的陶瓷结合剂；陶瓷结合剂包含多个结合剂桥，该结合剂桥位于多个超硬磨粒之间以将多个超硬磨粒结合在一起；至少80％的多个超硬磨粒通过结合剂桥结合到相邻的超硬磨粒上；并且在穿过超硬磨粒层的截面中，至少90％的多个结合剂桥的厚度最大为超硬磨粒的平均粒径，并且长度大于该厚度。

Description

陶瓷结合剂超硬磨料砂轮
技术领域
本发明涉及陶瓷结合剂超硬磨料砂轮。本申请要求基于在2017年10月11日提交的日本专利申请No.2017-197407的优先权。该日本专利申请的全部内容通过引用方式并入本文。
背景技术
此前，在(例如)日本专利特开No.2002-224963(专利文献1)中公开了陶瓷结合剂超硬磨料砂轮。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利特开No.2002-224963
发明内容
根据本发明的一种陶瓷结合剂超硬磨料砂轮包括：芯部；以及设置在芯部上的超硬磨粒层，其中超硬磨粒层包含多个超硬磨粒和结合多个超硬磨粒的陶瓷结合剂，并且陶瓷结合剂具有多个结合剂桥，结合剂桥位于多个超硬磨粒之间以结合多个超硬磨粒，80％以上的多个超硬磨粒通过结合剂桥结合到与其相邻的超硬磨粒上，并且在超硬磨粒层的截面中，90％以上的多个结合剂桥的厚度为超硬磨粒的平均粒径以下，并且长度大于该厚度。
附图说明
图1为根据第一实施方案的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的超硬磨粒层的示意图。
图2为根据第二实施方案的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的超硬磨粒层的示意图。
图3为根据第二实施方案的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的超硬磨粒层的示意图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
在常规技术中，存在诸如寿命短的问题。因此，作出了本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种具有长寿命的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮。
[实施方案的描述]
将描述本发明的实施方案。根据本发明的一个实施方案的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮包括：芯部；以及设置在芯部上的超硬磨粒层，其中超硬磨粒层包含多个超硬磨粒和结合多个超硬磨粒的陶瓷结合剂，并且陶瓷结合剂具有多个结合剂桥，结合剂桥位于多个超硬磨粒之间以结合多个超硬磨粒，80％以上的多个超硬磨粒通过结合剂桥结合到与其相邻的超硬磨粒上，并且在超硬磨粒层的截面中，90％以上的多个结合剂桥的厚度为超硬磨粒的平均粒径以下，并且长度大于该厚度。
超硬磨粒层可以包含20体积％以上60体积％以下的超硬磨粒。通过将超硬磨粒的比率设定在该范围内，可以进一步提高锐度。
在超硬磨粒层中，陶瓷结合剂、超硬磨粒和孔合计的体积比为99％以上。当体积比在该范围内时，杂质的量小，并且可以进一步延长超硬磨粒层的寿命。上述体积比优选为99.5％以上，并且更优选为99.9％以上。最优选地，超硬磨粒层仅由陶瓷结合剂、超硬磨粒、孔和不可避免的杂质组成。
陶瓷结合剂可以包含30质量％以上60质量％以下的SiO2、2质量％以上20质量％以下的Al2O3、10质量％以上40质量％以下的B2O3、1质量％以上10质量％以下的RO(RO为选自CaO、MgO和BaO中的至少一种氧化物)以及2质量％以上5质量％以下的R2O(R2O为选自Li2O、Na2O和K2O中的至少一种氧化物)。
陶瓷结合剂超硬磨料砂轮除了用于切削和加工由诸如SiC、GaN或蓝宝石之类的硬质脆性材料制成的晶圆以外，还用于切削和加工由诸如硅或LT(钽酸锂)之类的脆性材料制成的晶圆。
陶瓷结合剂砂轮通常用于磨削半导体晶圆等。
在陶瓷结合剂超硬磨料砂轮中，通过主要由二氧化硅等组成的陶瓷结合剂材料结合磨粒，因此，磨粒保持力强，并且能够进行长时间的磨削。然而，因为磨粒保持力高并且自锐作用不足，所以随着磨削的持续，磨削阻力值变高。因此，磨削阻力值可能不稳定。
在专利文献1中公开的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮中，控制了孔径并且使用了具有特定组成的陶瓷结合剂。因此，在磨削诸如PCD(多晶金刚石)之类的难磨削材料时，可牢固地保持磨粒，并且可将脱落的磨粒保持在孔部分中，从而防止在加工表面上形成条纹。在加工诸如PCD之类的难磨削材料时，为了维持优异的锐度，在磨削的同时进行超硬磨粒层的修整。
在半导体晶圆等的加工中，在安装有砂轮的机器上进行修整后，要求在不修整的情况下长时间维持优异的锐度，并且要求砂轮具有长寿命。
为了能够使陶瓷结合剂超硬磨料砂轮能够进行长时间磨削，本发明人进行了深入研究。结果本发明人发现，陶瓷结合剂的分散状态会影响陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的性能。
在常规的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮中，由陶瓷结合剂牢固地保持超硬磨粒。然而，超硬磨粒和陶瓷结合剂的分散状态存在较大的变化。当这种砂轮用于磨削半导体晶圆等时，自锐作用不能很好地持续，这可能导致锐度的劣化，或者超硬磨粒和陶瓷结合剂的块体脱落，这可能导致砂轮的寿命缩短。
本发明人发现，通过解决上述问题，可以提供这样的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，其可以实现长时间持续的优异锐度和长寿命。具体而言，通过使超硬磨粒和陶瓷结合剂的分布尽可能地均匀，并且使结合超硬磨粒的陶瓷结合剂的厚度减小以便在不产生过高结合力的情况下适当地进行自锐作用，从而可以提供能够实现优异的锐度以及长寿命的超硬磨粒层。
图1为根据第一实施方案的超硬磨粒层的截面图。在图1中，在两个超硬磨粒11和12之间存在单个结合剂桥21。将相邻的两个超硬磨粒11和12之间的最短距离(箭头101的长度)定义为“厚度”。将在厚度的中间点处在结合剂桥21中延伸的厚度的法线的长度(箭头102的长度)定义为“长度”。陶瓷结合剂20具有结合剂桥21。在超硬磨粒层1中不仅存在图1所示的结合剂桥21，而且还存在多个结合剂桥21。
图2为根据第二实施方案的超硬磨粒层的截面图。在图2中，当多个结合剂桥21一体化时，对于各超硬磨粒，限定结合剂桥21的厚度和长度。在超硬磨粒11和超硬磨粒12之间，虚线31表示连接超硬磨粒11和12的一侧的最外周的外接直线，并且虚线32表示连接超硬磨粒11和12的另一侧的最外周的外接直线。将超硬磨粒11和12之间的最短距离(箭头101的长度)定义为结合剂桥21的厚度，并且将在厚度的中间点处在虚线31和32之间延伸的厚度的法线的长度(箭头102的长度)定义为结合剂桥21的长度。将由虚线31和32包围的区域视为结合剂桥21。
图3为根据第二实施方案的超硬磨粒层的截面图。在超硬磨粒13和超硬磨粒12之间，虚线31表示连接超硬磨粒11和12的一侧的最外周的外接直线，并且虚线32表示连接超硬磨粒13和12的另一侧的最外周的外接直线。将超硬磨粒13和12之间的最短距离(箭头101的长度)定义为结合剂桥21的厚度，并且将在厚度的中间点处在虚线31和32之间延伸的厚度的法线的长度(箭头102的长度)定义为结合剂桥21的长度。将由虚线31和32包围的区域视为结合剂桥21。
超硬磨粒11、12和13的平均粒径各自优选为0.1μm至100μm。超硬磨粒11、12和13各自为金刚石或CBN。
[陶瓷结合剂的成分]
陶瓷结合剂20的成分没有特别地限制。例如，陶瓷结合剂20包含30质量％以上60质量％以下的SiO2、2质量％以上20质量％以下的Al2O3、10质量％以上40质量％以下的B2O3、1质量％以上10质量％以下的RO(RO为选自CaO、MgO和BaO中的至少一种氧化物)以及2质量％以上5质量％以下的R2O(R2O为选自Li2O、Na2O和K2O中的至少一种氧化物)。
[测定结合剂桥的方法]
当测定结合剂桥21时，在超硬磨粒层1的截面中选择具有包括大约100个超硬磨粒11、12和13的尺寸的正方形范围。
如上述第一和第二实施方案中所述对结合剂桥21的尺寸进行定义。用金刚石刀具切割超硬磨粒层1，以使得切割面露出的方式填充环氧树脂以包围超硬磨粒层1，并且使用离子铣削法对切割面进行研磨。使用SEM(扫描电子显微镜)观察研磨表面并且拍摄研磨表面的图像。在拍摄的照片中，超硬磨粒11、12和13看起来为灰色，陶瓷结合剂20看起来为接近白色的灰色，并且孔看起来为接近黑色的灰色。将透明片放置在拍摄的照片上，并且观察者在透明片上描绘超硬磨粒11、12和13以及陶瓷结合剂20。观察者还绘制了虚线31和32。此外，观察者确定结合剂桥21的厚度和长度。
[测定体积比的方法]
将新的透明片置于使用上述SEM观察并拍摄的照片上，并且观察者仅描绘对应于超硬磨粒的部分，并将该部分涂为黑色。使用图像分析软件以二值化为黑色部分和其他部分，并且图像分析软件确定了黑色部分的面积比。将该面积比定义为超硬磨粒的面积比。
将新的透明片置于使用上述SEM观察并拍摄的照片上，并且观察者仅描绘对应于陶瓷结合剂的部分，并将该部分涂为黑色。使用图像分析软件以二值化为黑色部分和其他部分，并且图像分析软件确定了黑色部分的面积比。将该面积比定义为陶瓷结合剂的面积比。
将新的透明片置于使用上述SEM观察并拍摄的照片上，并且观察者仅描绘对应于孔的部分，并将该部分涂为黑色。使用图像分析软件以二值化为黑色部分和其他部分，并且图像分析软件确定了黑色部分的面积比。将该面积比定义为孔的面积比。
将确定的面积比视为超硬磨粒、陶瓷结合剂和孔的体积比。
[测量超硬磨粒的平均粒径的方法]
为了测量陶瓷结合剂超硬磨料砂轮中包含的超硬磨粒的平均粒径，将超硬磨粒层的全部结合剂用酸等溶解，以提取超硬磨粒。当超硬磨料砂轮较大时，仅切割出规定体积(例如0.5cm3)的超硬磨粒层，用酸等溶解陶瓷结合剂材料以提取超硬磨粒，并且使用激光衍射型粒径分布测定装置(例如，由Shimadzu公司制造的SALD系列)测量平均粒径。
[制造陶瓷结合剂超硬磨料砂轮的方法]
按照以下步骤制造陶瓷结合剂超硬磨料砂轮。
(1)将超硬磨粒和陶瓷结合剂混合并且烧结。将烧结温度设定为700℃至900℃。
(2)将超硬磨粒与陶瓷结合剂的烧结体放入球磨机中并且粉碎。
(3)将粉碎的烧结体与陶瓷结合剂的颗粒混合，并且再次成形和烧结。
通过调整(1)中的超硬磨粒和陶瓷结合剂之间的混合比率，或者通过调整(2)中的粉碎时间等，可以控制粉碎期间超硬磨粒上附着的陶瓷结合剂的量。
因为超硬磨粒的结合力不是非常高，所以可以长时间稳定地保持锐度。此外，超硬磨粒和陶瓷结合剂的块体的脱落也显著减少，这使寿命得以延长。其结果是，虽然表面粗糙度等于常规砂轮的表面粗糙度，但是可实现低负荷和低磨损的磨削。
因为超硬磨粒层中不包含填料，所以防止了结合力变得过高，并且超硬磨粒适当地脱落，并进行自锐作用，因此，长时间地维持了优异的锐度。如果包含填料，那么填料和陶瓷结合剂之间的结合力高，并且填料周围的超硬磨粒变得难以自我脱落。此外，填料周围的结合力高于不包含填料的部分中的超硬磨粒的结合力。因此，出现了填料、超硬磨粒和陶瓷结合剂的块体脱落的现象，因此超硬磨粒层的磨损可能增加，这导致了砂轮的寿命缩短。
当在平面图中观察超硬磨粒层的截面时，大部分的超硬磨粒，即80％以上的超硬磨粒通过陶瓷结合剂结合，因此，超硬磨粒不太可能单独脱落。因为陶瓷结合剂的结合剂桥的厚度不大，所以结合力是适当的并且不太高，因此，也可以抑制超硬磨粒和陶瓷结合剂的块体的脱落。虽然当在三维中观察时，所有超硬磨粒都通过结合剂桥结合，但是当在二维中观察时，一些超硬磨粒看起来似乎并未结合。当在截面中80％以上的超硬磨粒具有结合剂桥并且通过结合剂桥结合时，单独脱落的超硬磨粒的数量非常小，并且超硬磨粒层的磨损减少。高结合力部分和低结合力部分之间的差异小，并且整个超硬磨粒层具有十分均衡的结合力，因此实现了均匀磨损。在超硬磨粒层的截面中，更优选为90％以上、并且进一步优选为95％以上的多个超硬磨粒通过结合剂桥结合至与其相邻的超硬磨粒。
在超硬磨粒层的截面中，90％以上的多个结合剂桥的厚度为超硬磨粒的平均粒径以下，并且长度大于该厚度。因此，在超硬磨粒层中更可能发生自锐。由此，锐度提高，并且可以减小用于使工具旋转的负载电流值。
在专利文献1中，超硬磨粒和玻璃的分散状态不均匀，并且存在类似玻璃块体的部分。因此，结合的程度高并且块体可能脱落。
在本实施方案的发明中，陶瓷结合剂尽可能均匀地薄薄地分散在超硬磨粒层中，并且超硬磨粒的结合力不显著提高，且结合力的变化减小，从而实现均匀的磨损。
[本发明实施方案的细节]
(实施例1)
准备包含43.5质量％的SiO2、15.5质量％的Al2O3、32.0质量％的B2O3、4.0质量％的RO(RO为选自CaO、MgO和BaO中的至少一种氧化物)和5质量％的R2O(R2O为选自Li2O、Na2O和K2O中的至少一种氧化物)的陶瓷结合剂。陶瓷结合剂的平均粒径为5μm。
准备金刚石作为超硬磨粒。金刚石的平均粒径为7μm。
通过混合器将陶瓷结合剂和金刚石混合，并且在800℃的温度进行烧结。通过球磨机将烧结体粉碎2小时。经过两小时后，粉碎的材料的平均粒径超过20μm。因此，继续粉碎，直到粉碎的材料的平均粒径达到约20μm。
将粉碎的材料和陶瓷结合剂混合，并且再次成形和烧结，从而形成超硬磨粒层。溶解超硬磨粒层，并且测量金刚石的平均粒径。切割并且分析超硬磨粒层。结果示于表1。
[表1]
Figure BDA0002443785460000081
(实施例2)
在实施例2中，使用与实施例1相同的原料，并且改变制造方法中通过球磨机粉碎烧结体的时间，从而制造超硬磨粒层。溶解超硬磨粒层，并且测量金刚石的平均粒径。切割并且分析超硬磨粒层。结果示于表2。
[表2]
Figure BDA0002443785460000091
(实施例3)
在实施例3中，使用与实施例1相同的原料，并且改变制造方法中陶瓷结合剂的比率，从而制造超硬磨粒层。溶解超硬磨粒层，并且测量金刚石的平均粒径。切割并且分析超硬磨粒层。结果示于表3。
[表3]
Figure BDA0002443785460000101
(比较例1)
在比较例1中，使用与实施例1相同的原料，并且将制造方法改变为这样的方法，该方法在一次烧结中制作超硬磨粒层而不粉碎超硬磨粒和陶瓷结合剂的烧结体，从而制造超硬磨粒层。溶解超硬磨粒层，并且测量金刚石的平均粒径。切割并且分析超硬磨粒层。结果示于表4。
[表4]
Figure BDA0002443785460000111
通过使用接着剂，将由实施例1至3和比较例1中的各超硬磨粒层形成的芯片(chip)结合到由铝合金制成的芯部上，然后使用常规磨石进行修整，从而完成陶瓷结合剂超硬磨料砂轮。
该砂轮是外径为200mm的分段式杯形砂轮(JIS B4131 6A7S型)，并且包括径向宽度为4mm且厚度为5mm的超硬磨粒层。
将这些陶瓷结合剂超硬磨料砂轮安装在立式旋转台型表面磨削机上，并且磨削直径6英寸(15.24cm)的SiC晶圆，从而确认寿命和锐度的效果。
结果示于表5。
[表5]
Figure BDA0002443785460000112
关于寿命的评价，将加工100个晶圆后达到寿命的终点定义为1.0。例如，当可以加工300个晶圆时，寿命为3。
评价A表示寿命为3以上，评价B表示寿命为1.5以上且小于3，并且评价C表示寿命为0.5以上且小于1.5。
关于锐度的评价，将比较例1的磨削期间主轴电机的平均负载电流值定义为1，并且通过考虑相对于比较例1的磨削期间主轴电机的平均负载电流值，各实施例的磨削期间主轴电机的相对负载电流值(称为“相对电流值”，并且由(各实施例的磨削期间主轴电机的负载电流值)/(比较例1的磨削期间主轴电机的平均负载电流值)定义)以及加工晶圆的数量进行评价。
评价a表示相对电流值小于0.5，并且从开始到结束可以加工300个以上的晶圆。评价b表示相对电流值最初小于0.5，并且在加工了300个晶圆之后，相对电流值增加为0.5以上且小于0.7。评价c表示从开始起相对电流值就为0.7以上。
可以看出，与比较例1相比，在实施例1至3中改善了寿命和锐度。
认为这是因为在实施例1中，90％以上的超硬磨粒通过结合剂桥结合，从而可以减少磨损。因为90％以上的结合剂桥的厚度为超硬磨粒的平均粒径以下，并且长度大于该厚度，所以可能发生自锐，并且可以降低负载电流值。
在实施例2中，通过结合剂桥结合了比实施例1中更大量(95％以上)的超硬磨粒，并且各结合剂桥的厚度也是优选的。此外，存在更低负荷和更长寿命的趋势。
在实施例3中，相邻的超硬磨粒通过桥结合的比率为约80％，这比实施例1和2的比率略低，因此寿命更短。此外，关于锐度，电流值随着加工的进行而变大。
在比较例1中，玻璃偏析，并且具有强结合力的部分和具有弱结合力的部分被混合。因此，磨粒层的块体倾向于脱落。
应当理解，本文公开的实施方案和实施例在各个方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求的权项限定，而不是由上述实施方案限定，并且旨在包括在与权利要求的权项等同的范围和含义内的任何修改。
附图标记列表
1超硬磨粒层；11、12、13超硬磨粒；20陶瓷结合剂；21结合剂桥。

Claims (4)

1.一种陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，包括：
芯部；以及
设置在所述芯部上的超硬磨粒层，其中
所述超硬磨粒层包含多个超硬磨粒和结合所述多个超硬磨粒的陶瓷结合剂，并且所述陶瓷结合剂具有多个结合剂桥，所述结合剂桥位于所述多个超硬磨粒之间以结合所述多个超硬磨粒，
在所述超硬磨粒层的截面中，80％以上的所述多个超硬磨粒通过所述结合剂桥结合到与其相邻的所述超硬磨粒上，并且
在所述超硬磨粒层的截面中，90％以上的所述多个结合剂桥的厚度为所述超硬磨粒的平均粒径以下，并且长度大于所述厚度。
2.根据权利要求1所述的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，其中
所述超硬磨粒层包含20体积％以上60体积％以下的所述超硬磨粒。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，其中
在所述超硬磨粒层中，所述陶瓷结合剂、所述超硬磨粒和孔合计的体积比为99％以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，其中
所述陶瓷结合剂包含30质量％以上60质量％以下的SiO2、2质量％以上20质量％以下的Al2O3、10质量％以上40质量％以下的B2O3、1质量％以上10质量％以下的RO(RO为选自CaO、MgO和BaO中的至少一种氧化物)以及2质量％以上5质量％以下的R2O(R2O为选自Li2O、Na2O和K2O中的至少一种氧化物)。
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