CN111331525B - 一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用 - Google Patents

一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用，由以下重量百分比的原料制成：金刚石磨料15‑45%、预合金粉15‑60%、聚四氟乙烯20‑45%、氧化铈3‑15%、润湿剂0.5‑6%。本发明中所用合金体系为Ga‑Cu‑Sn，在合金体系中加入镓低熔点元素，合金粉成型温度低，解决了树脂金属结合剂异相成型的难题。镓金属的加入，发生共晶反应生成高富镓高脆性相β、δ，实现了传统合金体系由硬韧向高脆性的转变，提高结合剂体系自锐性。复合结合剂兼具二者优势，金属结合剂形成骨架提高强度和硬度，树脂粉的存在增加了磨具的弹性，降低磨削过程中的抗冲击性，提升碳化硅片的表面质量。

Description

一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及超硬磨料磨具领域，具体涉及一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用。
背景技术
以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料，有更高的饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频和抗辐照应用场合。世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。
区别于第一代半导体硅材料硬度低，脆性大的特性，碳化硅晶体材料，莫氏硬度达到9.5，硬度仅次于金刚石，强度较高，加工难度比较大。常用的树脂结合剂砂轮，由于树脂材料强度低，磨削时砂轮容易崩缺，无法去除工件余量；常用金属结合剂砂轮，由于金属应韧，加工碳化硅时结合剂无法自消耗，持续出刃效果差，不具有自锐性，磨削时容易产生砂轮堵塞，工件烧伤、裂片等问题，无法获得优质的加工质量。随着磨削加工技术的发展，结合剂正向着复合化的方向发展。
发明内容
本发明提出了一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮、制备方法及应用，该砂轮具有树脂结合剂和金属结合剂的优点，可以持续进刀保持锋利性，可以实现碳化硅晶体的减薄加工，提高加工效率，获得高表面质量的碳化硅晶体。
实现本发明的技术方案是：
一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，由以下重量百分比的原料制成：金刚石磨料15-45%、预合金粉15-60%、聚四氟乙烯20-45%、氧化铈3-15%、润湿剂0.5-6%。
所述的树脂材料聚四氟乙烯具有自润滑作用，在磨削时减少磨擦磨损减小磨削热。所述的聚四氟乙烯为热塑性树脂，可以减小磨削震动作用，提高磨削表面质量。
所述的预合金粉中A镓金属必不可少的，其与铜和锡金属发生共晶反应，生成低熔点脆性预合金粉。
所述结合剂中的氧化铈，在磨削过程中对工件起到抛光作用，可以提高工件表面质量。
所述砂轮的基体为铜基体、钢基体中的一种，且基体有特殊结构设计。
所述的基体结构，有梯形槽，且有24个均匀分布的水孔，有利于提高磨削液进入磨削面，提高磨削过程中冷却散热。
所述金刚石磨料的粒度为400#-2000#。
所述预合金粉由40-60%铜粉、18-35%锡粉和10-25%金属A几种金属制成，其中金属A由铋或银中的至少一种和镓组成，金属A中镓的含量质量分数为50%。
所述预合金粉的处理方法为：将铜粉、锡粉过200#筛五遍，加入金属A，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理10-20h，即得混合粉；将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至260-350℃保温2h，然后以5℃/min升至380-450℃保温5-20h，然后以10℃/min降温至25℃，即得预合金粉。
所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，步骤如下：
（1）将热处理后的预合金粉和氧化铈放入行星式混料机中球混2h，过200目标准筛3遍得到粘接剂；
（2）将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入步骤（1）的粘接剂中采用100目筛网筛5遍；
（3）向步骤（2）过筛后混合物中加入聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，得到砂轮成型料；
（4）将步骤（3）砂轮成型料倒入带有基体的成型模具中，热压机预压后，将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制，压制结束后模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品，将砂轮半成品精加工得到复合结合剂砂轮。
砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
所述步骤（2）中润湿剂为丙三醇或石蜡中的一种或者二者以1:1的组合。
所述步骤（4）中预压温度为260-330℃，预压压力为50KN，时间为10-20min；压制压力为150-300KN，时间为0.5-2h。
本发明的有益效果是：本发明中所用合金体系为Ga-Cu-Sn，在合金体系中加入镓低熔点元素，合金粉成型温度低，解决了树脂金属结合剂异相成型的难题。镓金属的加入，发生共晶反应生成高富镓高脆性相β、δ，实现了传统合金体系由硬韧向高脆性的转变，提高结合剂体系自锐性。复合结合剂兼具二者优势，金属结合剂形成骨架提高强度和硬度，树脂粉的存在增加了磨具的弹性，降低磨削过程中的抗冲击性，提升碳化硅片的表面质量。同时，聚四氟乙烯树脂为润滑剂材料可以降低砂轮摩擦系数，从而有效降低磨削热，提高磨削碳化硅晶片表面质量。
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
一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料25%、聚四氟乙烯树脂粉27%、氧化铈10%、预合金粉36%、丙三醇2%。
预合金粉组成按重量百分比包括：铜粉45%、锡粉30%、镓12.5%、银粉12.5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理15h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至300℃保温2h，然后以5℃/min升至400℃保温12h，然后以10℃/min降温至25摄氏度，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将热处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度300℃和压力50mpa，压制10min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制0.5h，压制压力200KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
将实施例1中的砂轮进行碳化硅晶片减薄试验。实验项目：在DISCO8540减薄机上磨削4寸晶片，磨削余量420μm，砂轮转速2000rpm，进给速度0.2μm/s时，磨削300片不修整，表面TTV值在2μm以内，说明本发明锋利性好且可获得较好的表面质量。
实施例2
一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料28%、聚四氟乙烯树脂粉26%、氧化铈5%、预合金粉40%、石蜡1%。
预合金粉组成按重量百分比包括：铜粉45%、锡粉30%、镓12.5%、银粉12.5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理15h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至300℃保温2h，然后以5℃/min升至400℃保温12h，然后以10℃/min降温至25摄氏度，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度300℃和压力50mpa，压制10min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制0.5h，压制压力200KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
将实施例2中的砂轮进行碳化硅晶片减薄试验。实验项目：在DISCO8540减薄机上磨削4寸晶片，磨削余量200μm，砂轮转速3000rpm，进给速度0.3μm/s时，磨削680片不修整，表面TTV值在2μm以内，说明本发明锋利性好且可获得较好的表面质量。
实施例3
一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料20%、聚四氟乙烯树脂粉23%、氧化铈10.5%、预合金粉45%、丙三醇1.5%。
预合金粉组成按重量百分比包括：铜粉40%、锡粉35%、镓12.5%、银粉12.5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理18h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至300℃保温2h，然后以5℃/min升至400℃保温15h，然后以10℃/min降温至25摄氏度，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度300℃和压力50mpa，压制10min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制0.5h，压制压力200KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
将实施例3中的砂轮进行碳化硅晶片减薄试验。实验项目：在DISCO8540减薄机上磨削4寸晶片，磨削余量300μm，砂轮转速3500rpm，进给速度0.4μm/s时，磨削450片不修整，表面TTV值在2μm以内，说明本发明锋利性好且可获得较好的表面质量。
实施例4
一种碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料22%、聚四氟乙烯树脂粉30%、氧化铈6%、预合金粉39%、丙三醇3%。
预合金粉组成按重量百分比包括：铜粉40%、锡粉35%、镓12.5%、银粉12.5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理18h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至300℃保温2h，然后以5℃/min升至400℃保温15h，然后以10℃/min降温至25摄氏度，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度300℃和压力50mpa，压制10min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制0.5h，压制压力200KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
将实施例4中的砂轮进行碳化硅晶片减薄试验。实验项目：在DISCO8540减薄机上磨削4寸晶片，磨削余量350μm，砂轮转速2800rpm，进给速度0.2μm/s时，磨削600片不修整，表面TTV值在2μm以内，说明本发明锋利性好且可获得较好的表面质量。
实施例5
一种碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料15%、预合金粉31%、聚四氟乙烯45%、氧化铈3%、丙三醇和石蜡以1:1组合6%。
预合金粉组成按重量百分比包括：60%铜粉、18%锡粉、镓11%、银粉11%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理18h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至260℃保温2h，然后以5℃/min升至380℃保温20h，然后以10℃/min降温至25℃，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度260℃和压力50KN，压制10min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制0.5h，压制压力150KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
实施例6
一种碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料45%、预合金粉15%、聚四氟乙烯20%、氧化铈15%、润湿剂5%。
预合金粉组成按重量百分比包括：40%铜粉、35%锡粉、镓12.5%、银粉12.5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理18h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至300℃保温2h，然后以5℃/min升至400℃保温5-20h，然后以10℃/min降温至25℃，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度300℃和压力50KN，压制15min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制1h，压制压力250KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
实施例7
一种碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮，其组分按重量百分比包括：金刚石磨料15%、预合金粉60%、聚四氟乙烯20%、氧化铈4.5%、润湿剂0.5%。
预合金粉组成按重量百分比包括：60%铜粉、30%锡粉、镓5%、银粉5%。
预合金粉的处理方法：将铜粉、锡粉、铋粉过200#筛五遍，加入镓，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理18h，即得混合粉，将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至350℃保温2h，然后以5℃/min升至450℃保温5h，然后以10℃/min降温至25℃，即得预合金粉。
碳化硅晶体减薄用树脂结合剂砂轮的制备方法，步骤为：
（1）将处理后的预合金粉、氧化铈放入行星式混料机中球混2h，然后过200目标准筛3遍。将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入筛好的粘接剂中采用100目筛网筛5遍。加入处理过的聚四氟乙烯树脂粉，过80目标准筛3遍，即得砂轮成型料。
（2）将混合均匀的成型料倒入带有基体的成型模具中，在热压机上，以预压温度330℃和压力50KN，压制20min成型，然后将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制2h，压制压力300KN，模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品；
（3）砂轮半成品经车削磨削等工序，加工成要求精度，即得本发明所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮。
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 (8)

1.一种碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其特征在于由以下重量百分比的原料制成：金刚石磨料15-45%、预合金粉15-60%、聚四氟乙烯20-45%、氧化铈3-15%、润湿剂0.5-6%；
所述预合金粉由40-60%铜粉、18-35%锡粉和10-25%金属A几种金属制成，其中金属A由铋或银中的至少一种和镓组成；
所述预合金粉的处理方法为：将铜粉、锡粉过200#筛五遍，加入金属A，然后将混合物放入行星式球磨机球磨机械混合和细化处理10-20h，即得混合粉；将混合粉热处理，热处理工艺为：以20℃/min的升温速度升至260-350℃保温2h，然后以5℃/min升至380-450℃保温5-20h，然后以10℃/min降温至25℃，即得预合金粉。
2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其特征在于：所述金刚石磨料的粒度为400#-2000#。
3.根据权利要求1 所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮，其特征在于：所述金属A中镓的含量质量分数为50%。
4.权利要求1-3任一项所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）将热处理后的预合金粉和氧化铈放入行星式混料机中球混2h，过筛得到粘接剂；
（2）将金刚石磨料放入研钵中，加入润湿剂，研磨20min，然后将研磨好的金刚石倒入步骤（1）的粘接剂中混合过筛；
（3）向步骤（2）过筛后混合物中加入聚四氟乙烯树脂粉，过筛得到砂轮成型料；
（4）将步骤（3）砂轮成型料倒入带有基体的成型模具中，热压机预压后，将预压后的模具至于330℃的烘箱中保温2h，取出模具，于热压机上压制，压制结束后模具冷却至室温，卸模，即得砂轮半成品，将砂轮半成品精加工得到复合结合剂砂轮。
5.根据权利要求4所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中过200目标准筛3遍得到粘接剂；步骤（2）中采用100目筛网筛5遍；步骤（3）中过80目标准筛3遍。
6.根据权利要求4所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中润湿剂为丙三醇或石蜡中的一种或者二者以1:1的组合。
7.根据权利要求4所述的碳化硅晶体减薄用复合结合剂砂轮的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中预压温度为260-330℃，预压压力为50KN，时间为10-20min；压制压力为150-300KN，时间为0.5-2h。
8.权利要求1-3任一项所述的复合结合剂砂轮在碳化硅晶体减薄中的应用。
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