CN112407936A - 一种多孔真空吸盘及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于真空吸附技术领域，具体涉及一种多孔真空吸盘及其制备方法。所述多孔真空吸盘，包括多孔吸附部件、封接层以及基座，所述多孔吸附部件通过封接层固定在基座上，基座中部具有贯穿的通孔，所述多孔吸附部件的原料为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、氧化锌、氧化钛、氧化锡、羟基磷灰石或石英中的一种以上；所述封接层的材质为陶瓷、玻璃或树脂，封接层厚度为10‑500μm；所述基座材质为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、石英、不锈钢、钛合金或铝合金。本发明的多孔真空吸盘流量损失小，可在被吸附物不能完全覆盖吸附区域的情况下，实现被吸附物的稳定吸附；不会引起凹陷变形等产品缺陷。

Description

一种多孔真空吸盘及其制备方法
技术领域
本发明属于真空吸附技术领域，具体涉及一种多孔真空吸盘及其制备方法。
背景技术
多孔真空吸盘作为一种通过抽真空形成负压来吸附工件的承载平台，具有高孔隙率、高平整度、吸附力均匀等特点，被广泛应用于半导体、磁性材料以及光电行业。半导体行业内，多孔真空吸盘的应用最为广泛，其主要应用于前道的研磨、抛光、匀胶、测试以及后道的背减、划片、清洗、搬运等工序。
现有多孔真空吸盘的吸附部件主要有两种制作方法，一种是机械或激光打孔，如图1（a）所示；一种是堆积成孔及添加造孔剂造孔，如图2（a）所示。现有的两种方法制备的真空吸盘包含多孔吸附部件（图1中对应102，图2中对应103）、封接层2以及基座3三部分，多孔吸附部件通过封接层2固定在基座3上。通过打孔方法制作的吸附部件孔径在200μm-1.5mm之间，为垂直于吸附面的贯通孔，吸附固定性好，但在吸附薄片或薄膜类工件时，较大的孔径会导致薄片或薄膜类工件在吸附孔区域凹陷变形，从而造成产品缺陷，且单位面积上孔的数量有限，吸附均匀性较差，如图1（b）所示。堆积成孔及添加造孔剂造孔方法制作的吸附部件孔径在30μm-2mm之间，受限于造孔工艺，吸附部件的气孔率为20-50vol%，且孔的结构和取向很难精确控制，孔道弯曲，从而造成流量损失，如图2（b）所示，限制了吸附力，因此只能吸附能完全覆盖吸附区域的平整工件（即吸附的工件只能是完全覆盖吸附区域的被吸附工件702），如果产线上有不同外形和尺寸的工件，就需要购置多种型号的多孔真空吸盘来匹配，一旦工件外形和尺寸发生变化，就必须更换多孔真空吸盘并进行相应的调试，增加了物料成本和时间成本。
鉴于现有技术中存在的问题，需要提供一种在被吸附物不能完全覆盖吸附区域的情况下，吸附力强、吸附稳定的多孔真空金属吸盘。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种多孔真空吸盘。该多孔真空吸盘，可在被吸附物不能完全覆盖吸附区域的情况下，实现被吸附物的稳定均匀吸附，且不会引起凹陷变形等产品缺陷。
本发明还提供了上述多孔真空吸盘的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多孔真空吸盘，包括多孔吸附部件、封接层以及基座，所述多孔吸附部件通过封接层固定在基座上，基座中部具有贯穿的通孔，所述多孔吸附部件的原料为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、氧化锌、氧化钛、氧化锡、羟基磷灰石或石英中的一种以上；
所述封接层的材质为陶瓷、玻璃或树脂，封接层厚度为10-500μm；
所述基座材质为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、石英、不锈钢、钛合金或铝合金。
优选的，多孔吸附部件的原料粒径为0.1-30μm。若粒径小于0.1μm，干燥和烧结过程中收缩率较大，坯体易开裂破损，得不到设计的孔径和气孔率；若粒径大于30μm时，陶瓷不易烧结，且得到的孔径大于30μm。
上述多孔真空吸盘的制备方法，包括以下步骤：
（1）多孔吸附部件的制备：将溶剂加热至50-80℃后加入多孔吸附部件的原料（原料的用量为溶剂的20-70vol%）制得陶瓷料浆，然后将陶瓷料浆置于球磨机中，进行球磨4-20h，接着倒入模具中成型、脱模，最后于室温下升华干燥20-48h，再于700-1600℃下高温烧结，得到多孔吸附部件；
（2）在基座上加工出沉台、通孔和沟槽，沉台与多孔吸附部件相适配，并对沉台表面进行粗化处理和清洁，增加封接面的结合力；
（3）在沉台表面涂上粘接剂，然后嵌入多孔吸附部件，加压固化成整体，即得。
若多孔吸附部件的原料添加比例低于20vol%，干燥后的坯体和烧结后的多孔陶瓷强度太低；若添加比例高于70vol%，料浆的粘度大，不易于成型，且烧成的陶瓷较为致密，不能作为吸附部件使用，因此，限定其用量为溶剂体积含量的20-70%。
优选的，在步骤（1）中还包括添加剂，添加剂的用量为0.5-8wt%（固含量）；将溶剂加热至50-80℃后加入多孔吸附部件的原料和添加剂；所述溶剂为莰烯、叔丁醇或叔丁醇与水的混合液，添加剂为丙三醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基纤维素、聚丙烯酸铵、阿拉伯树胶或改性聚酯。添加剂的作用是稳定悬浮、分散、粘结、助磨等。
添加剂的作用主要是悬浮、分散及使干燥后的坯体具有一定强度。溶剂温度在预混和球磨时直至成型前，始终保持50-80℃，温度低于50℃时，溶剂易凝固，无法有效混合，温度高于80℃时，溶剂易挥发，影响料浆浓度。
优选的，步骤（1）的陶瓷料浆经过球墨后迅速倒入冷却平台上的模具中成型，待陶瓷料浆全部冻结后脱模；冷却平台的温度为（-80）-（-30）℃。
若温度低于-80℃，冷冻成本过高，若温度高于-30℃，冷冻速度太慢得到的冷冻结晶尺寸大，干燥烧结后得不到1-30μm的细孔。
优选的，所述模具的底部材质为铝板、铜板或不锈钢板，厚度为0.1-20mm；模具边框的材质为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、尼龙或聚四氟乙烯，边框厚度为10-100mm。这是为了使料浆垂直于底板单向冷却，从而得到定向排列的孔道结构，底板和边框可分离，以便于脱模。
优选的，球磨机转速为100-800r/min。
本发明采用的模具放置于冷却平台上，模具由底板和边框组成，边框可根据需要的多孔吸附部件形状设定，在边框内倒入陶瓷料浆成型。
和现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 通过SEM检测多孔吸附部件的微观孔结构为垂直于吸附面的贯通孔，通过压汞法检测孔径为1-30μm，气孔率为40-70vol%，孔径小，孔的占比高，因此多孔吸附部件的吸附力大，因此流量损失小，可在被吸附物不能完全覆盖吸附区域的情况下，实现被吸附物的稳定吸附，从而在被加工物的尺寸和形状发生改变时，无需更换陶瓷吸盘，减少了工序，提高了工作效率，降低了物料成本和管理成本，并可用于边缘翘曲、含有开孔及沟槽的片状工件；
2. 由于本发明的多孔真空吸盘孔径细小、吸附力均匀，不会引起吸附变形，因此可以吸附薄片及薄膜类工件，并可用于激光加工设备中，利于对焦；
3. 由于本发明的多孔真空吸盘吸附力大，且对被吸附工件的形状无限制，因此极大地拓展了多孔真空吸盘的应用领域，不再局限于半导体行业以及光伏行业，传统的机械制造行业以及新型智能自动化行业等所需装备均可大量应用该种类型的产品，实现产品的吸附加工、固定检测以及搬运传送等功能；
4. 通过陶瓷粉料、溶剂等的选取，采用特定的模具、预混工艺、球磨工艺、冷却工艺等制备得到多孔吸附部件。
附图说明
图1中（a）为现有的机械或激光打孔工艺制作的多孔吸附部件及其多孔真空吸盘剖视图，（b）为薄片或薄膜类工件在吸附孔处凹陷变形放大图；
图2中（a）为现有的堆积成孔及添加造孔剂造孔方法制作的多孔吸附部件及其多孔真空吸盘剖视图，（b）为孔道内部结构及流量损失放大图；
图3为本发明的多孔真空吸盘剖视图；
图4为模具和冷却平台的剖视图；
图5为实施例1中多孔氧化铝陶瓷纵截面（a）和横截面（b）的SEM图；
图6为本发明中多孔真空吸盘吸附力测试示意图；
图7为实施例1的多孔真空吸盘结构示意图；
图8为实施例2的多孔真空吸盘结构示意图；
图9为实施例3的多孔真空吸盘结构示意图；
图中：101为本发明的多孔吸附部件，102为现有的机械或激光打孔工艺制作的多孔吸附部件，103为现有的堆积成孔及添加造孔剂造孔方法制作的多孔吸附部件，2为封接层，3为基座，4为外部连接器，5为真空泵，6为基座内气道，701为未完全覆盖吸附区域的被吸附工件，702为完全覆盖吸附区域的被吸附工件，8为通孔，9为陶瓷颗粒，10为底板，11为边框，12为冷却平台，13为陶瓷料浆，14为标准检测样件，15为吸附力测试仪，16为排气孔。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明，但并不是对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”、“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明与现有技术中的两种多孔真空吸盘的区别在于多孔吸附部件的结构不同，本发明的多孔真空吸盘结构如图3所示，由多孔吸附部件101、封接层2以及基座3组成，所述多孔吸附部件101通过封接层2固定在基座3上，基座3中部具有贯穿的通孔，通孔处远离多孔吸附部件的一侧与外部连接器4相连，外部连接器4与真空负压发生器相连（外部连接器4与真空负压发生器不是本发明的创新之所在，采用本领域常规技术即可，真空负压发生器可以是真空泵等具有真空负压作用的装置，下述实施例采用真空泵5，此处不再赘述）。本发明制备的多孔吸附部件具有垂直贯穿的通孔，通孔与陶瓷颗粒压制形成的隔层交叉排列。
本发明采用的模具如图4所示，模具放置于冷却平台12上，模具由底板10和边框11组成，边框11根据需要的多孔吸附部件形状设定，往边框11内倒入陶瓷料浆13成型。
实施例1
将莰烯溶剂恒温水浴加热至80℃后，往溶剂中加入20vol%的平均粒径为1μm的氧化铝粉体及2.5wt%的聚丙烯酰胺和2.5wt%的阿拉伯树胶，待搅拌均匀后，置于预热至80℃的球磨机中，以200r/min的转速球磨8h，制得陶瓷料浆。
将冷却平台设置为-50℃，依次放上厚度为1mm的底板10（材质为铜）和厚度为20mm的聚四氟乙烯材质的圆形边框11，将制得的陶瓷料浆迅速倒入模具中，待冷却8h后，料浆全部冻结，拆掉边框11，取下冷冻好的圆板状坯体，置于20℃通风环境下升华干燥24h。
干燥后的圆板状坯体放入常压烧结炉中于1550℃烧结，得到多孔氧化铝陶瓷。通过SEM对多孔氧化铝陶瓷检测，如图5所示，图（a）和图（b）分别为多孔氧化铝陶瓷纵截面和横截面的SEM图，由图5可以看出，本实施例制备的多孔氧化铝陶瓷具有垂直于冷却面的贯通孔结构且通孔分布均匀；通过压汞法检测其平均孔径为15μm，气孔率为62%。
在氧化铝陶瓷基座上加工出φ300*6mm的沉台，在基座中部加工出通孔，在沉台上铣出多圈环形沟槽以及十字沟槽结构，其中十字沟槽贯穿所有环形沟槽，十字沟槽中心设有贯穿的排气孔16，与外接气路相通；然后对沉台表面粗化处理和清洁（加工出沉台、通孔、环形沟槽、十字沟槽、排气孔16以及对沉台的表面粗化处理、清洁均属于本领域常规技术，其并不是本发明的创新之所在，此处不再赘述）。
根据沉台尺寸配铣加工φ300*6mm的多孔氧化铝陶瓷，并磨去多孔氧化铝陶瓷两端面的缺陷层，即得多孔吸附部件。在沉台表面涂上陶瓷粘结剂（根据本领域常规技术选择即可），然后镶入多孔吸附部件，置于高温干燥箱中，加热至300℃加压固化即得到多孔真空吸盘。本实施例加工的多孔真空吸盘结构示意图如图7所示。
多孔真空吸盘吸附力测试装置如图6所示，其是在图1装置基础上增加吸附力测试仪15，将真空泵5的负压值调为0.9个大气压，将尺寸为50mm*50mm*5mm的标准检测样件14（标准检测样件14为铝合金板，该标准检测样件14是未完全覆盖吸附区域的被吸附工件，同图3中的701）放在多孔吸附部件上的5个不同位置，吸附力测试仪15与标准检测样件14相连接，通过拉力测试，测定单位面积平均吸附压强为42KPa。
因此，本实施例制备的多孔真空吸盘也可以稳定吸附4寸、5寸、6寸、8寸及12寸的晶圆（因工件面积越大，吸附力越大，4寸面积大于上述标准检测样件14，可保证晶圆在操作过程中稳定吸附在多孔陶瓷表面不会出现掉片偏移等情况），用于搬运、减薄及切割加工，可减薄100μm以下的晶圆且无变形、无吸附痕迹，在更换不同尺寸的晶圆时，可以直接吸附加工，无需更换真空吸盘。
实施例2
将叔丁醇溶剂恒温水浴加热至50℃，往溶剂中加入60vol%的平均粒径为3μm的YSZ氧化锆粉体及2wt%的甲基纤维素和1wt%的聚乙烯醇，待搅拌均匀后，置于预热至50℃球磨机中，以800r/min的速度球磨4h，制得陶瓷料浆。
将冷却平台设置为-80℃，依次放上厚度为3mm的铝质模具底板10和厚度为40mm的聚氨酯的双环模具边框11，将制得的陶瓷料浆迅速倒入环形模具中，待冷却2h后，料浆全部冻结，拆掉边框11，取下冷冻好的YSZ环状坯体，置于10℃通风环境下升华干燥40h。
干燥后的YSZ环状坯体放入常压烧结炉中于1600℃烧结，得到的多孔氧化锆陶瓷。其同样具有垂直于冷却面的贯通孔结构；通过压汞法检测其平均孔径为2μm，气孔率为41%。
在圆板状的不锈钢基座上加工出内径150mm，外径480mm，高3mm的环形沉台，在基座中部加工出通孔，沉台上铣出多圈环形沟槽以及放射状沟槽，在沟槽的交接处，均布着4个垂直贯通排气孔16，与外接气路相通，对沉台表面粗化处理和清洁。
根据沉台尺寸配铣加工内径150mm，外径480mm，高3mm的多孔氧化锆陶瓷，并磨去多孔陶瓷两端面的缺陷层，即得多孔吸附部件。
在沉台表面涂上树脂粘结剂，然后镶入多孔吸附部件，置于鼓风干燥箱中，加热至80℃加压固化即得到多孔真空吸盘。本实施例加工的多孔真空吸盘结构示意图如图8所示。
多孔真空吸盘吸附力测试装置如图6所示，将真空泵5的负压值调为0.9个大气压，将尺寸为50mm*50mm*5mm的标准检测样件14（同实施例1）覆盖在多孔吸附部件上的8个位置，通过拉力测试，测定单位面积平均吸附压强为23KPa。
本实施例制备的多孔真空吸盘可以在环形区域吸附6个6寸的蓝宝石片或氧化锆基板进行抛光加工，无需精准定位，省去了上蜡和除蜡工序，避免了过程中的破片和污染。
实施例3
将浓度为70wt%的叔丁醇和水混合后恒温水浴加热至60℃，然后加入40vol%的平均粒径为25μm的碳化硅粉体及4wt%的四甲基氢氧化铵和6wt%的聚乙烯醇，待搅拌均匀后，置于预热至60℃球磨机中，以600r/min的速度球磨20h，制得陶瓷料浆。
将冷却平台设置为-40℃，依次放上厚度为5mm的不锈钢质模具底板10和厚度为40mm的尼龙材质的方形模具边框11，将制得的陶瓷料浆迅速倒入模具中，待冷却8h后，料浆全部冻结，拆掉边框11，取下冷冻好的方形板状碳化硅坯体，置于5℃通风环境下升华干燥48h。
干燥后的方形板状碳化硅坯体放入氢气气氛烧结炉中于1200℃烧结，得到多孔碳化硅陶瓷。其同样具有垂直于冷却面的贯通孔结构；通过压汞法检测其平均孔径为28μm，气孔率为50%。
在碳化硅陶瓷基座上加工出300*300*4mm的方形沉台，在基座中部加工出通孔，在沉台上沿中心线铣出米字沟槽及井形气道，在米字槽中心有贯通排气孔16，与外接气路相通，对沉台表面粗化处理和清洁。
根据沉台尺寸配铣加工300*300*4mm的多孔碳化硅陶瓷，并磨去多孔陶瓷两端面的缺陷层，即得到了多孔吸附部件。在沉台表面涂上玻璃粘结剂，镶入多孔吸附部件，置于气氛烧结炉中，加热至600℃加压固化即得到多孔真空吸盘。
多孔真空吸盘吸附力测试装置如图6所示，将真空泵5的负压值调为0.9个大气压，将尺寸为50mm*50mm*5mm的标准检测样件14（同实施例1）覆盖在多孔吸附区域内9个位置，通过拉力测试，测定单位面积平均吸附压强为29KPa。
本实施例制备的多孔真空吸盘可以用于4到12寸不同形状窗口片的激光检测与加工，激光聚焦精准无扩散，且碳化硅材质的半导体特性，使多孔真空吸盘具有良好的防静电效果。
对比例1
用打孔方法制作孔径500μm、孔面积占比为5%的不锈钢多孔吸附部件代替实施例1中的多孔氧化铝陶瓷，以焊接方式将多孔吸附部件与基座结合。对制成的多孔真空吸盘进行检测，将真空泵5的负压值调为0.9个大气压，将尺寸为50mm*50mm*5mm的标准检测样件14（同实施例1）覆盖在多孔吸附区域内5个位置，通过拉力测试，测定中心区域处吸附压强为35KPa，而边缘区域的平均吸附压强仅为5KPa，且吸附力不均匀。在吸附厚度为2mm以下的薄膜件时，会出现明显的凹陷变形。
对比例2
用堆积成孔及添加造孔剂的方法制作平均孔径为50μm、气孔率为30 vol%的碳化硅多孔陶瓷吸附部件代替实施例3中的多孔碳化硅陶瓷，基座与封接层工艺不变。对制成的多孔真空吸盘进行检测，将真空泵5的负压值调为0.9个大气压，将尺寸为50mm*50mm*5mm的标准检测样件14（同实施例1）覆盖在多孔吸附区域内9个位置，通过拉力测试，测定单位面积平均吸附压强小于2KPa，吸附时易出现位移脱落现象，无法实现稳定吸附。

Claims (7)

1.一种多孔真空吸盘，包括多孔吸附部件、封接层以及基座，所述多孔吸附部件通过封接层固定在基座上，基座中部具有贯穿的通孔，其特征在于，所述多孔吸附部件的原料为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、氧化锌、氧化钛、氧化锡、羟基磷灰石和石英中的一种或两种以上；
所述封接层的材质为陶瓷、玻璃或树脂，封接层厚度为10-500μm；
所述基座材质为氧化铝、氧化锆、ZTA、碳化硅、氮化硅、石英、不锈钢、钛合金或铝合金。
2.根据权利要求1所述的多孔真空吸盘，其特征在于，多孔吸附部件的原料粒径为0.1-30μm。
3.权利要求1-2任一所述多孔真空吸盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）多孔吸附部件的制备：将溶剂加热至50-80℃后加入20-70vol%多孔吸附部件的原料制得陶瓷料浆，然后将陶瓷料浆置于球磨机中，进行球磨4-20h，接着倒入模具中成型、脱模，最后于室温下升华干燥20-48h，再于700-1600℃下高温烧结，得到多孔吸附部件；
（2）在基座上加工出沉台、通孔和沟槽，沉台与多孔吸附部件相适配，并对沉台表面进行粗化处理和清洁，增加封接面的结合力；
（3）在沉台表面涂上粘接剂，然后嵌入多孔吸附部件，加压固化成整体，即得。
4.根据权利要求3所述多孔真空吸盘的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中还包括添加剂，添加剂的用量为0.5-8wt%；将溶剂加热至50-80℃后加入多孔吸附部件的原料和添加剂；所述溶剂为莰烯、叔丁醇或叔丁醇与水的混合液，添加剂为丙三醇、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、四甲基氢氧化铵、聚乙烯基吡咯烷酮、甲基纤维素、聚丙烯酸铵、阿拉伯树胶或改性聚酯。
5.根据权利要求3所述多孔真空吸盘的制备方法，其特征在于，步骤（1）的陶瓷料浆经过球墨后迅速倒入冷却平台上的模具中成型，待陶瓷料浆冻结后脱模；冷却平台的温度为（-80）-（-30）℃。
6.根据权利要求3所述多孔真空吸盘的制备方法，其特征在于，所述模具的底部材质为铝板、铜板或不锈钢板，厚度为0.1-20mm；模具边框的材质为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、尼龙或聚四氟乙烯，边框厚度为10-100mm。
7.根据权利要求3所述多孔真空吸盘的制备方法，其特征在于，球磨机转速为100-800r/min。
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