CN111300289A - 一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮及制备方法，砂轮磨削层包括以下重量百分比的组分：主磨料15‑25%，辅助磨料10‑15%，主粘接剂25‑45%，辅助粘接剂5‑17.5%，炭黑5‑10%，二硫化钼3‑8%，石墨烯3.5‑7%，微晶蜡1‑5%。本发明根据碳化硅晶体容易出现的问题，通过寻找匹配的不常应用于超硬材料砂轮行业的一些配方材料，如微晶蜡，石墨烯，改性酚醛树脂等，组成最优选的配方和成型工艺，发明了一种能够高效率加工碳化硅晶体的超硬金刚石砂轮，且加工出的光洁度最终精磨达到镜面效果（Ra＜0.1），加工过程中砂轮不必修整。

Description

一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮及制备方法

技术领域

本发明涉及超硬材料及精密磨削领域，具体涉及一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮及制备方法。

背景技术

随着半导体材料与技术的发展，碳化硅晶体的应用越来越广泛。碳化硅晶体具有优异的电子和化学性能，导热系数好，带隙宽，其禁宽度是硅的3倍，导热性好，导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅材料的8倍，且硬度高，耐高温。可广泛应用于高压、高温、高功率和高频率电子领域，如大功率器件，光电器件，微波射频器等。

目前碳化硅晶体的制造加工流程图见图4。

上述碳化硅晶体的应用领域要求其具有超光滑，无损伤，高表面质量的加工表面，而同时碳化硅晶体具有仅次于金刚石的硬度，且脆性较大，高硬度和良好的化学惰性为其获得高的材料去除率和表面质量都带来了极大的困难，且碳化硅晶体长晶成本非常高，不适当的加工方式会造成碳化硅晶体出现表面损伤，晶棒断裂，出现微裂纹等，直接造成晶体报废。鉴于以上因素，其应用受到了极大的限制。

因此发明一种砂轮进行磨削加工，能够对碳化硅晶体进行高效材料去除，且能够100%保证产品良率（晶体无微裂纹，无断裂，表面光滑无划痕等），是碳化硅晶体后加工中的核心工序。

发明内容

本发明提出了一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮及制备方法，能够对碳化硅晶棒外圆进行研磨，且满足粗磨大进给量磨削，半精磨和精磨高表面质量磨削，无划痕。粗磨半精磨和精磨的磨削效果都能达到碳化硅晶体磨削表面无微裂纹，无断裂，良品率达到100%，且所有粗磨、半精磨、精磨砂轮达到免修整。

本发明关键点在于根据碳化硅晶体高硬度，高耐磨性，脆性大，不易加工，或者现有砂轮加工效率极低（单次进给量低于0.01mm），且存在晶棒断裂，表面出现微裂纹等问题，通过寻找匹配的不常应用于超硬材料砂轮行业的一些配方材料，如微晶蜡，石墨烯，改性酚醛树脂等，组成最优选的配方和成型工艺，发明了一种能够高效率加工碳化硅晶体的超硬金刚石砂轮，且加工出的光洁度最终精磨达到镜面效果（Ra＜0.1），加工过程中砂轮不必修整。

实现本发明的技术方案是：

一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，由砂轮磨削层和基体组成，其磨削层的配方和工艺制备是本发明的关键部分，基体可以是铝合金，热处理钢，酚醛铝等其中的一种。其中基体作用是支撑磨削层且安装在磨削工具（磨床）上进行磨削。

一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，砂轮磨削层包括以下重量百分比的组分：主磨料15-25%，辅助磨料10-15%，主粘接剂25-45%，辅助粘接剂5-17.5%，炭黑5-10%，二硫化钼3-8%，石墨烯3.5-7%，微晶蜡1-5%。

所述主磨料为单晶镀镍金刚石或者单晶镀铜金刚石，粒径范围为60#-1000#（粗磨，半精磨，精磨），生产厂家为河南黄河旋风股份有限公司，其作用为单晶金刚石本身较多晶金刚石强度和硬度高，镀镍或者铜后，与粘接剂的粘接作用更强，粘接剂对其有大的把持力，这样在对碳化硅晶体进行磨削时，刃口锋利度，强度高，能够高速高效锋利的对晶体材料进行去除。

所述辅助磨料为绿碳化硅、单晶刚玉或六方氮化硼中的一种，粒度为80#-800#，生产厂家为台州市日红研磨材料厂，其作用有两点，一是其单颗粒强度低于单晶镀镍和镀铜金刚石，但其仍可以参与磨削，因为主磨料磨削后，去除了碳化硅晶体大部分余量后，晶体表面会有微裂纹和小部分余量未被去除，此时辅助磨料可以参与小余量磨削去除，消除剩余的微小余量和微裂纹，并且能够保证碳化硅晶体表面的磨削质量。

所述主粘接剂为改性酚醛树脂，粒径为20-50μm，厂家为东莞市嘉迈塑胶有限公司，型号为PR-50099，其作用为主粘接剂，在一定的压力和温度下发生交联固化反应，能够很好的把持主磨料，进行磨削。

辅助粘接剂为糠醛树脂粒径为20-50μm，厂家可以自选。环氧树脂粒径为10-30μm，厂家型号为河南汇能树脂有限公司CYD014U型号，辅助粘接剂的耐热性和粘接强度低于主粘接剂，本发明利用此性质，加入辅助粘接剂一方面对于磨料特别是辅助磨料有一定的把持力，在磨削时保证其具有一定的磨削去除作用，另一方面其耐热性和强度在磨削温度升高和磨削热聚集时，力学性能会降低，特别是出现脆性断裂，甚至部分碳化，这样在和主粘接剂处于共混状态下，整体粘接剂强度也会降低，参与磨削的磨料当刃口出现磨平需要露出新的磨料时，结合剂正好出现脆性断裂，很好的增加了整体粘接剂的自锐性，保证了磨削层持续锋利的进行磨削。

功能填料技术参数如下：

所述的砂轮的制备方法，步骤如下：

（1）将各组分在滚筒混料机中混合均匀后，过60-180目筛网后作为成型混合料；

（2）将步骤（1）成型混合料和基体放入模具中，进一步来讲，模具是根据所要制造砂轮大小匹配，在热压机上进行加热加压，由于是定模成型，热压压力不做规定，直接压平即可，压平得到砂轮半成品，精加工后得到砂轮。

所述步骤（2）中热压温度为150℃-195℃，热压时间为10-60min，保压时间为60-300min。本发明能够达到的效果见下表1：

表1 碳化硅晶棒磨削砂轮技术性能指标

本发明的有益效果是：

（1）本发明中单晶镀镍或镀铜金刚石的应用，本身具有高硬度，刃口锋利，同时镀镍或者镀铜后表面形成的凸凹不平的表面增加了铜粘接剂的结合强度，在对于高硬度碳化硅晶体磨削时，不仅能够在机械上快速高效的进行磨削，同时铜和镍也可以增加磨削热量的传导，保证砂轮整体热量分布，均匀消耗；

（2）本发明辅助磨料的应用，本身强度和硬度低于单晶镀铜金刚石，但本身具有多点刃口，能够起到对于碳化硅晶体的二次磨削，对于主磨料磨削后产生的二次微裂纹，微断裂等具有极好的消除作用；

（3）本发明辅助粘接剂的应用，本身粘接强度和耐热性低于主粘接剂，在磨削热量和温度的作用下，发生脆性断裂，增加整个粘接剂体系的自锐性，能够进行免修整持续锋利的进行磨削；

（4）本发明炭黑和石墨烯的应用，炭黑和石墨烯具有极好的润滑性，能够增加粘接剂在成型温度和成型压力下的流动性，使粘接剂能够极其均匀的亲润包裹到体系中的每一颗磨料，增加了整体砂轮磨削层的磨削消耗一致性；

（5）本发明微晶蜡的应用，微晶蜡在60-90℃温度下，能够快速的亲润整个磨削层体系，且能够在150-180℃的成型温度下促进低分子有机无机填料快速分散到整个磨削体系中，促进磨削体系的各物料的均匀分布和反应；

（6）鉴于以上各物质的作用，本发明所得砂轮有益效果是粗磨可以大进给量对碳化硅晶体进行磨削，半精磨和精磨也可以高效的对碳化硅晶体进行磨削，且粗磨半精磨精磨磨削结果无断裂，无划痕，良品率能够达到100%。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为1A1形砂轮；

图2为3A1形砂轮；

图3为14A1形砂轮。

图4为目前碳化硅晶体的制造加工流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制作1A1-400×30×127×5 粒度为80#的外圆磨粗磨砂轮，见图1。

一、配方：按照下表：

1A1-400×30×127×5 粒度80#外圆磨粗磨砂轮配方

二、制作工艺

2.1 称量好上述配方比例的物料，总重量4500g，放入滚筒式混料机，为了物理混合更加均匀，混料机中放入450g钢制回形针，混合2小时，过60#筛网后得到成型料；

2.2把上述混合料和相应尺寸的铝基体同时放入模具中，在热压机上进行加热加压，热压温度为195℃，压力由2Mpa开始施压，15分钟压平模具，压平后保持压平的压力和温度180分钟，卸模，即得到此砂轮的半成品，再按照精度要求进行精加工得到此最终成品砂轮；

此砂轮可以用于2寸，4寸，6寸等碳化硅晶棒外圆的粗磨磨削，磨削速率最大能达到单次手动进给0.1mm，晶体无裂纹，光洁度Ra＜1.0，良品率100%。

实施例2

制作3A1-400×20×203×10×10 粒度为180#的外圆磨半精磨砂轮，见图2。

一、配方：按照下表：

3A1-400×20×203×10×10 粒度180#外圆磨半精磨砂轮配方

二、制作工艺

2.1 称量好上述配方比例的物料，总重量3500g，放入滚筒式混料机，为了物理混合更加均匀，混料机中放入350g钢制回形针，混合1.5小时，过100#筛网后得到成型料；

2.2把上述混合料和相应尺寸的铝基体同时放入模具中，在热压机上进行加热加压，热压温度为195℃，压力由2Mpa开始施压，15分钟压平模具，压平后保持压平的压力和温度170分钟，卸模，即得到此砂轮的半成品，再按照精度要求进行精加工得到此最终成品砂轮。

此砂轮可以用于2寸，4寸，6寸等碳化硅晶棒外圆的半精磨磨削，磨削速率最大能达到单次手动进给0.07mm，晶体无裂纹，光洁度Ra＜0.5，良品率100%。

实施例3

制作14A1-350×40×127×30×5粒度为800#的外圆磨精磨砂轮，见图3。

一、配方：按照下表：

14A1-350×40×127×30×5 粒度800#外圆磨精磨砂轮配方

二、制作工艺

2.1 称量好上述配方比例的物料，总重量4000g，放入滚筒式混料机，为了物理混合更加均匀，混料机中放入400g钢制回形针，混合2.5小时，过140#筛网后得到成型料；

2.2把上述混合料和相应尺寸的铝基体同时放入模具中，在热压机上进行加热加压，热压温度为185℃，压力由2Mpa开始施压，15分钟压平模具，压平后保持压平的压力和温度240分钟，卸模，即得到此砂轮的半成品，再按照精度要求进行精加工得到此最终成品砂轮。

此砂轮可以用于2寸，4寸，6寸等碳化硅晶棒外圆的精磨磨削，磨削速率最大能达到单次手动进给0.02mm，晶体无裂纹，光洁度Ra＜0.1，良品率100%，在使用过程中无需修整。

实施例4

制作14A1-350×40×127×30×5粒度为800#的外圆磨精磨砂轮，见图3。

一、配方：按照下表：

14A1-350×40×127×30×5 粒度800#外圆磨精磨砂轮配方

二、制作工艺

2.1 称量好上述配方比例的物料，总重量4000g，放入滚筒式混料机，为了物理混合更加均匀，混料机中放入400g钢制回形针，混合2.5小时，过180#筛网后得到成型料；

2.2把上述混合料和相应尺寸的铝基体同时放入模具中，在热压机上进行加热加压，热压温度为150℃，压力由2Mpa开始施压，60分钟压平模具，压平后保持压平的压力和温度300分钟，卸模，即得到此砂轮的半成品，再按照精度要求进行精加工得到此最终成品砂轮。

此砂轮可以用于2寸，4寸，6寸等碳化硅晶棒外圆的精磨磨削。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，其特征在于，砂轮磨削层包括以下重量百分比的组分：主磨料15-25%，辅助磨料10-15%，主粘接剂25-45%，辅助粘接剂5-17.5%，炭黑5-10%，二硫化钼3-8%，石墨烯3.5-7%，微晶蜡1-5%。

2.根据权利要求1所述的应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，其特征在于：所述主磨料为单晶镀镍金刚石或者单晶镀铜金刚石，粒径范围为60#-1000#。

3.根据权利要求1所述的应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，其特征在于：所述辅助磨料为绿碳化硅、单晶刚玉或六方氮化硼中的一种，粒度为80#-800#。

4.根据权利要求1所述的应用于碳化硅晶棒外圆磨削的砂轮，其特征在于：所述主粘接剂为改性酚醛树脂，粒径为20-50μm；辅助粘接剂为糠醛树脂或环氧树脂，糠醛树脂的粒径为20-50μm，环氧树脂的粒径为10-30μm。

5.权利要求1-4任一项所述的砂轮的制备方法，其特征在于步骤如下：

（1）将各组分混合均匀，过60-180目筛网后作为成型混合料；

（2）将步骤（1）成型混合料和基体放入模具中，在热压机上进行加热加压，压平得到砂轮半成品，精加工后得到砂轮。

6.根据权利要求5所述的砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中热压温度为150℃-195℃，热压时间为10-60min，保压时间为60-300min。

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