CN114274060B - 一种SiC芯片减薄用金属基金刚石刀头、砂轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高端SiC芯片减薄用金属基金刚石刀头、砂轮及其制备方法，按照重量份，所述刀头中各原料包括：金属结合剂80～97份，金刚石磨料3～10份，填料0～10份；按重量百分比计，以金属结合剂为基准，金属结合剂的原料包括：Cu：50～70wt％，Sn：20～40wt％和金属元素M：0～10wt％，其中所述金属元素M为Ti、Co、Ni中的一种或两种以上；填料为石墨粉和/或Al₂O₃空心球；所述砂轮包括基体以及固定于基体上的上述刀头；刀头采用增材制造技术，孔隙率30％～60％，所述砂轮孔道均匀可控，高孔隙率且高强度，使用寿命长，可应用于高端芯片SiC的减薄。

Description

一种SiC芯片减薄用金属基金刚石刀头、砂轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及磨具和增材制造领域，具体是涉及一种磨具内部结构规则可控、气孔率可达30%~60%的多孔金属结合剂金刚石刀头、砂轮及其制造方法，该砂轮特别适用于第三代半导体高端SiC芯片的减薄研磨。

背景技术

半导体行业从诞生至今，先后经历了三代材料的变更历程。第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度 Eg>2.3eV）的半导体材料。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为第三代半导体的代表材料受到市场的关注。全球第三代半导体产业赛道已经开启，其制成芯片可被广泛用于新一代通信、电动车等热门新兴产业，在新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有潜在的应用前景。

SiC单晶材料分子结构稳定，莫氏硬度高达9.25，机械加工难度大；碳化硅材料脆性大，表面和亚表面易产生损伤层；材料化学稳定性极高，几乎不与任何强酸或强碱发生反应；化学机械抛光（CMP）加工难度大，材料去除率低。但是在其应用中均要求SiC表面超光滑、无缺陷、无损伤，表面粗糙度值达纳米级以下。用于普通硅晶圆的砂轮无法减薄SiC衬底，需要使用SiC专用砂轮进行减薄。在减薄过程中，SiC磨屑会堵塞砂轮表面，使得砂轮去除效果降低，因此需要实时对砂轮进行修锐。

目前国内SiC专用减薄砂轮的开发主要存在以下问题：

1、磨粒粒度2000#及以细砂轮制备技术不成熟或欠缺，加工效率和使用寿命不能同步，破片率较高，产品质量稳定性不足；

2、在微观组织方面，主要是气孔率的控制、气孔分布、大小控制等，以及不同组分的均匀分布控制等方面；

3、在结合剂方面，主要是结合剂自身的异相材料浸润性、流动性、机械强度等导致宏观力学与微观磨损行为之间的差异。

4、由于SiC晶圆硬度和化学稳定性极高且脆性大，使用传统方法制备的砂轮不能实现材料异质结构设计与制备，内部存在非均匀微观结构，导致金刚石与结合剂界面结合力差、金刚石易脱落，在磨削时脱落的金刚石易在芯片表面产生划痕等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种适用于高端SiC芯片减薄的多孔金属基金刚石刀头、砂轮及其制造方法，该刀头或砂轮不同于传统砂轮制造方法，而是采用增材制造工艺，所得砂轮组织均匀可控、孔隙率高，自锐性好，研磨SiC表面质量好、加工效率高、使用寿命长、工作安全稳定。

本发明提出利用增材制造工艺制备特殊结构的多孔金属基金刚石砂轮，以提高砂轮锋利度、强度和使用寿命。增材制造技术可设计“微观组织具有可控制孔道分布的金刚石复合材料结构部件及工作部位复杂形状的复合材料”，从而实现磨具工作部件内部孔道均匀分布、强度高，开发出锋利度高、工作安全、平稳的高性能磨具，解决第三代半导体难加工材料高效高精度高合格率加工磨具设计和制备难题，实现第三代半导体材料加工技术突破。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供一种多孔金属基金刚石刀头，按照重量份，所述刀头中各原料包括：金属结合剂80~97份（例如，83份、85份、88份、90份、93份、95份），金刚石磨料3~10份（例如，4份、5份、7份、8份、9份），填料0~10份（例如，2份、4份、5份、7份、9份）；其中，按重量百分比计，以所述金属结合剂为基准，金属结合剂的原料包括：Cu：50~70 wt%（例如，55wt%、60wt%、65wt%、68wt%、70wt%），Sn：20~40 wt%（例如，25wt%、30wt%、35wt%、38wt%）和金属元素M：0~10 wt%（例如，2wt%、4wt%、5wt%、7wt%、9wt%），其中所述金属元素M为Ti、Co、Ni中的一种或两种以上；所述填料为石墨粉和/或Al₂O₃空心球。

本发明中，金属结合剂作为胎体材料，主要起到把持金刚石的作用；石墨粉和Al₂O₃空心球的作用主要为造孔，以提高砂轮的锋利度。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述金属结合剂的粒度为325目以细，即，所述金属结合剂的粒度≤45μm。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述金刚石磨料为Cu-Sn合金包覆的金刚石磨料，所述Cu-Sn包覆的金刚石磨料的粒度325目以细，即粒度≤45μm。优选地，所述Cu-Sn包覆的金刚石磨料是通过如下方法制得的：采用多元素共沉积法，将预先镀Ti的金刚石置于包含Cu和Sn盐的溶液中，然后经沉淀、洗涤、还原等工艺制得。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述刀头中分布有多个自上而下贯通的孔道，多个所述孔道呈蜂窝状均匀分布；更优选地，所述刀头包括：外围密实框架、以及位于所述外围密实框架形成的空间内且用于隔离多个所述孔道的孔道间壁架构。优选地，所述刀头的外围密实框架的壁厚为0.9~1.5 mm（例如，1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm），用于隔离相邻孔道的孔道间壁的壁厚为0.9~1.5mm（例如，1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm）；所述刀头的横截面的孔隙率（即孔道占比）为30%~60%（例如，35%、40%、45%、50%、55%），优选为40%~60%。进一步优选地，所述刀头的外围密实框架的壁厚为1mm，用于隔离相邻孔道的孔道间壁的壁厚为1.2mm。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，在多个所述孔道中，不以外围密实框架作为孔道壁的孔道形状为正六边形。优选地，所述正六边形的孔径（六边形孔径是指两相对边的垂直距离）为3~8mm（比如4mm、5mm、6mm、7mm）。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，以外围密实框架作为部分孔道壁的孔道形状为正五边形或者扇形。

本发明中，在边长总长度相同的情况下，与正五边形或扇形相比，正六边形的孔道所围成的面积较大，相应孔隙率会更高。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述刀头的高度为4~15 mm（例如，5mm、8mm、10mm、12mm、14mm），厚度为5~16mm（例如，5mm、8mm、10mm、13mm、15mm）。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述刀头为一体成型的圆环形刀头或者弧形刀头。

当本发明单个刀头为弧形刀头时，在将其固定到砂轮基体上制造砂轮时，是将多个弧形刀头例如由2个以上、更优选10~60（例如，15、20、30、40、50、55）个弧形刀头等间距排列围成圆环，从而与砂轮基体共同形成砂轮。这里，刀头等间距排列围成的圆环，是指多个独立分开的弧形刀头重新组合成一圆环形状的砂轮刀头，其中，各个独立分开的弧形刀头之间有间隔，一个砂轮基体上可以粘贴多个刀头。

当本发明刀头为一体成型的圆环形刀头时，单一的该圆环形刀头可以直接固定到砂轮基体的槽中，从而与砂轮基体共同形成砂轮。即，一个砂轮上只有一个完整的圆环刀头。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，所述弧形刀头的长度为20~50 mm（例如，25mm、30mm、40mm、45mm）。

上述多孔金属基金刚石刀头，作为一种优选实施方式，本发明刀头采用增材制造工艺制成。

本发明采用增材制造技术，设计刀头内部为孔道成规则蜂窝状均匀分布的多孔结构，孔隙率可达30%~60%，多孔结构起到容屑和增加刀头锋利度的作用，可提高刀头的锋利度70%以上，寿命提高2倍以上，且有很高的安全性。

本发明第二方面提供一种多孔金属基金刚石砂轮，所述砂轮包括基体以及固定于所述基体上的上述多孔金属基金刚石刀头。

在上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，所述基体的用于固定刀头的端面上沿周向设有凹槽，所述多孔金属基金刚石刀头固定于所述凹槽中；更优选地，所述固定是通过粘结方式固定，所述凹槽为圆形。

在上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，当所述多孔金属基金刚石刀头为上述弧形刀头时，多个弧形刀头等间距排列于所述凹槽内围成圆环；更优选地，所述弧形刀头的数量为10~60个；相邻弧形刀头的间距控制为0~20 mm。

在上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，当所述多孔金属基金刚石刀头为上述一体成型的圆环形刀头时，所述一体成型的圆环形刀头座设于所述凹槽内。

上述多孔金属基金刚石砂轮中，作为一种优选实施方式，所述基体为铝合金基体，更优选地，所述铝合金基体的维氏硬度50~130，抗拉强度140~320，进一步优选地，本发明可采用YL11牌号的铝合金作为基体材料。

上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，所述砂轮外径为200~400mm（例如，220mm、250mm、300mm、350mm、380mm），内孔为100~250 mm（例如，120mm、150mm、200mm、220mm、240mm）。

这里，所述砂轮外径是指铝合金基体外径，所述内孔指铝合金基体的中孔（参见说明书附图中的图4）。

上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，所述砂轮外径为312mm，内孔为237 mm；砂轮由26个弧形刀头等间距排列，围成圆环；刀头长度为35mm，高度为8.5 mm，厚度为15 mm。

上述多孔金属基金刚石砂轮，作为一种优选实施方式，所述多孔金属基金刚石砂轮刀头的抗拉强度200~500 MPa，硬度60~150 HRB，使用寿命长，以4吋SiC为例，使用本发明的多孔金属基金刚石砂轮，将4吋SiC由500μm减薄至180μm，可加工100~180片4吋SiC。

本发明第三方面提供了一种上述多孔金属基金刚石刀头的制造方法，包括以下步骤：（1）金属粉末还原处理、（2）混合粉制备、（3）粉末制粒、（4）增材制造成型、以及（5）热处理。

在本发明第三方面提供的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述金属粉末还原处理步骤中，将作为金属结合剂使用的金属粉末置于氢气还原炉中还原，降低其氧含量，得到还原后的金属粉末（胎体粉）；优选地，还原温度350~450 ℃（例如，360℃、380℃、400℃、420℃、430℃、440℃）、还原时间20~60 min（例如，25min、30min、40min、50min、55min、）。

在本发明第三方面提供的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述混合粉制备步骤中，将还原后的金属粉末、填料及镀覆处理后得到的金刚石磨料按上述刀头原料配比进行称量混合，得到混合粉；优选地，所述混合为湿法球磨混合，进一步优选地，每公斤混合粉中加入3~4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合时间不少于2小时（例如，2.5h、3h）。其中，金刚石磨料的制备包括：采用铜锡合金对镀Ti金刚石表面进行镀覆处理，过筛得到金刚石磨料，粒度325目以细，即粒度≤45μm。优选地，镀Ti金刚石表面的镀覆处理为：采用多元素共沉积法，将镀Ti金刚石置于Cu、Sn盐溶液中，然后经沉淀、洗涤、还原等工艺得到Cu-Sn包覆金刚石，即所述金刚石磨料。所述Cu、Sn盐溶液中，Cu、Sn的质量分数分别为1~20%。

本发明采用铜锡合金对预先镀Ti金刚石表面进行镀覆处理制备金刚石磨料，然后再将其与金属结合剂混合，与将金属结合剂（含Cu、Sn元素）与未经特殊处理金刚石混合从而在金刚石表面直接黏附金属结合剂相比，本发明方法将Cu-Sn包覆金刚石再与金属结合剂结合形成的产品的结合强度更高，即，在金刚石表面镀Cu-Sn包覆层有利于胎体粉和金刚石更好的结合，增加刀头寿命。

如果不对金刚石表面进行镀覆处理，仅通过金属结合剂与金刚石混合制备刀头材料，这种混合不能保证金属结合剂粉末能够对金刚石进行完全包覆，从而在随后的增材制造成型工艺中，未包覆到的金刚石，或在铺粉过程中容易造成表面粉末脱落，都会引起激光烧伤金刚石，从而对刀头材料的性能产生不利影响。

在本发明第三方面提供的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述粉末制粒步骤中，在混合好的混合粉中加入制粒剂，搅拌均匀后过筛，再将筛下物烘干，烘干后再次过筛取筛下物作为颗粒料。具体地，搅拌均匀后过120目筛取筛下物，将得到的筛下物放入烘箱进行60℃烘干，然后及时过100目筛，以防颗粒料大量团聚，制备得到颗粒料；其中，制粒剂用量为80~100g/kg混合粉，即每kg混合好的混合粉中加入80~100g制粒剂。制粒可使粉末松装比稳定、流动性好，有利于布粉均匀，且能有效降低金刚石及粉末偏析概率，提高产品性能稳定性。

在本发明第三方面提供的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述增材制造成型步骤中，将步骤（3）得到的颗粒料使用增材制造设备、利用激光选区熔化或激光选区烧结方法进行刀头成型，得到设定结构的刀头坯体。优选地，激光功率250~350W，扫描速度400~600mm/s，激光光斑大小0.03~0.05mm。

本发明使用增材制造工艺，利用设定好的多孔道结构，即孔道形状和大小进行刀头成形。在增材制造过程将混合好的金刚石和金属粉的混合粉制粒后进行一次性激光成形，即金刚石和金属粉是同时成形，得到刀头坯体。所述刀头成型采用增材制造成型，该方法与传统砂轮制备不同。具体过程为：所述刀头成型包括设计刀头内部及外部结构，然后根据预先设计好的刀头结构进行激光选区熔化或激光选区烧结，得到设定结构的刀头；优选地，设计刀头为外侧密实框架和内部多孔道均匀分布结构组成，得到孔隙率为30%~60%的多孔金属基金刚石刀头。

在本发明第三方面提供的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述热处理步骤中，将步骤（4）得到的刀头坯体，根据颗粒料成分和成型状态进行热处理，所述热处理采用热等静压或真空热压烧结方式，保温温度为480℃~700℃、保持压力为10MPa~25MPa；优选地，将热处理后的刀头进行表面清洁、去毛刺、性能检测和修整处理，其中性能检测包括尺寸、外观、密度、抗弯强度。

本发明第四方面提供了上述多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，包括：将所述多孔金属基金刚石刀头固定至基体上的步骤，以及修磨检测步骤。

在本发明第四方面的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述将所述多孔金属基金刚石刀头固定至基体上的步骤是指用环氧树脂胶将所述刀头粘接在基体上，固化24小时。更优选地，将调制好的环氧树脂胶均匀涂抹于铝合金基体的凹槽和刀头的粘接面，然后将刀头垂直固定到铝合金基体的沟槽中。

所述刀头经过表面清洁处理、修整处理和检测后，用环氧树脂胶粘接在提前处理好的铝合金基体上，固化24小时后进行内外圆修整和修平处理，并进行砂轮平衡、外观和尺寸的检测。

本发明通过选择合适的铝合金作为基体材料，与刀头装配前，对铝合金基体进行时效处理，保证铝合金基体的精度，确保使用过程中的装配精度。

在本发明第四方面的制造方法中，作为一种优选实施方式，铝合金基体的时效处理方法为：在室温20~25℃条件下，放置24小时，消除热膨胀带来的尺寸公差。

在本发明第四方面的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述修磨检测步骤中，所述多孔金属基金刚石砂轮需要在内圆磨床、外圆磨床和平面磨床上进行修磨开刃处理，最终达到图纸所要求的形状和尺寸，磨床的平面精度为2μm以内；对砂轮的检测包括尺寸、外观、动平衡。

本发明中，所述所有的原料均为市场销售商品，符合国家标准。

本发明中，在相互不冲突的情况下，上述技术特征可以自由组合形成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明采用的增材制造技术，可实现对刀头工作部件内部结构优化设计，所制备的多孔金属基金刚石砂轮，其刀头所具有的多孔结构的孔道均匀可控、孔隙率高，可达30~60%，多孔结构起到容屑和增加刀头锋利度的作用，因此该砂轮自锐性非常好，磨屑排出及时，砂轮锋利度可提高70%，且加工工件表面质量好、加工效率高。

（2）本发明中对金刚石进行了多元素共沉积的镀覆处理，既能提高胎体或金属结合剂对金刚石的把持力，又能避免增材制造过程中的激光烧伤金刚石；且刀头内部孔道结构可控，通过热等静压或高温烧结处理又可对强度、致密度性能进行调控，达到控形控性的效果。

（3）本发明的多孔金属基金刚石砂轮，孔道均匀可控，高孔隙率的同时强度也高，所得砂轮使用寿命长、工作安全平稳等优良性能，可有效的应用于高端芯片SiC的减薄。

附图说明

图1为本发明制备多孔金属基金刚石砂轮流程图。

图2为本发明的一种多孔金属基金刚石砂轮刀头的多孔组织结构图，其中，X代表砂轮刀头的高度，①、②、③均为孔隙，④、⑤和⑥为孔道间壁。

图3为本发明的一种砂轮的整体结构俯视图，其中，砂轮刀头由多个弧形刀头等间距排列围成圆环；1为砂轮刀头，2为砂轮基体，W代表砂轮刀头的厚度，L代表砂轮刀头的长度。

图4为本发明的一种砂轮的整体结构（即图3中砂轮的整体结构）剖视图，φD1代表砂轮外径，φD2代表刀头环外径，φH代表砂轮内孔，X代表刀头高度，T代表刀头和基体总高度。

图5为本发明的另一种多孔金属基金刚石砂轮刀头的多孔组织结构图，该砂轮刀头为一体成型的圆环形刀头。

图6为本发明的另一种砂轮的整体结构俯视图（a）和剖视图（b），该砂轮具有图5所示的一体成型的砂轮刀头。

具体实施方式

以下将结合附图通过实施例对本发明的内容做进一步说明，需要说明的是，下述实施例仅仅用于说明本发明，但并不用于限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，包括以下步骤：（1）金属粉末还原处理、（2）混合粉制备、（3）粉末制粒、（4）增材制造成型、（5）热处理、（6）粘接和（7）修磨检测。

本发明中，未详细描述的部分可以采用本领域的常规技术。

实施例1

本实施例提供了一种多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，具体如下。

（1）金属结合剂原料粉的还原处理

将原材料中作为金属结合剂使用的金属粉末在混料前先置于氢气还原炉中还原，还原工艺曲线为：第一阶段升温速率为10℃/min，由室温升至200℃；第二阶段升温速率为5℃/min，由200℃升至360℃；第三阶段升温速率为3℃/min，由360℃升至最终还原温度420℃，然后在最终还原温度下保温还原30min，以降低其氧含量。

（2）配混料

本实施例金刚石砂轮刀头各组分重量比为：金属结合剂80份，金刚石磨料5份，填料10份。其中金属结合剂组成及其含量为Cu 60wt%，Sn 30wt%，Co 10wt%，所述填料为石墨粉。这里，金刚石磨料是采用多元素共沉积法制备的Cu-Sn元素镀覆的金刚石。Co的主要作用是提高对金刚石的把持。

按上述重量配比称取各原料，过200目筛，取筛下料投入不锈钢罐用三维混料机进行混合，每公斤混合粉中加入4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合2小时，以便粉末和金刚石混合均匀，得到混合粉。

（3）粉末制粒

在混合好的混合粉中加入配好的液体制粒剂，制粒剂比例为100g/kg混合粉，粉末与液体制粒剂搅拌均匀后，过120目筛；将得到的120目筛下物放入烘箱进行60℃烘干，烘干之后及时过100目筛取下物，以防颗粒料大量团聚，制备成颗粒料；制粒可使粉末松装比稳定、流动性好，有利于布粉均匀，且能有效降低金刚石及粉末偏析概率，提高产品性能稳定性。

（4）增材制造成型

将颗粒料使用增材制造设备，激光选区熔化方法，根据预先设计好的刀头结构（如图2所示）进行成型，制备出刀头坯体。具体地，

将设计好的刀头结构模型及数据文件导入增材制造设备；设定工艺参数为：激光功率300W，扫描速度500mm/s，激光光斑大小0.05mm，每层铺粉厚度0.2mm；然后在基板上完成激光选区熔化成形，随后取出基板进行激光切割，得到激光选区熔化成形的刀头坯体。

图2示出了本实施例预先设计的刀头结构或者说是制备出的刀头结构，该图中，由于金刚石粒径很细，且与金属粉均匀混合后采用增材制造一体成型，因此混合均匀的混合粉可看做均质，这里仅标注出由混合粉形成的骨架，而不单独标注金刚石。如图2所示，本实施例制备的刀头坯料的外围密实框架壁厚1mm，刀头内部多孔道相邻孔道间壁厚为0.9mm、孔道的孔径（直径）为3mm，孔道均匀分布，刀头横截面孔隙率达到47.65%。该刀头是横截面为椭圆的柱体，同时略带弧度，以保证刀头可嵌入基体的圆形凹槽内，柱体壁厚为外围密实框架壁厚，柱体内部设置有多个孔道，孔道形状可以是正六边形也可以是等五边形，其中不以外围密实框架作为孔道壁的孔道形状为正六边形，以外围密实框架的直线段作为孔道壁的孔道形状为等五边形，靠近柱体外围圆弧边部位的孔道还可以是扇形结构。刀头形状设计成椭圆柱体，避免了直棱直角的尖角形状，在研磨过程中，可避免单点接触造成负荷过大，从而影响加工工件表面质量的问题。

（5）热处理

将增材制造得到的刀头，根据增材制造刀头强度情况进行后续热处理，热处理采用真空热压烧结方式，热处理工艺曲线为：第一段升温速率为≤2 ℃/min，到有机物分解阶段（本实施例的实际温度为420℃）保温30min，以保证坯体中有机物充分分解以及水分及时排出，避免刀头产生裂纹；第二段升温速率为4 ℃/min，升温至最终烧成温度为690℃，保温90min，后随炉冷却至室温，得到多孔金属基金刚石刀头。将烧结后的刀头进行表面清洁、去毛刺后，检测刀头尺寸、外观、相对密度、抗拉强度，对合格刀头进行表面修整处理。最终得到成品刀头尺寸为21 mm（长度）×10mm（高度）×8 mm（厚度），刀头的相对密度为91%、抗拉强度为152MPa；符合相对密度≥80%、抗拉强度≥100MPa的刀头合格标准。

（6）粘接

所述的多孔金属基金刚石砂轮的刀头和铝合金基体是通过环氧树脂胶粘接固定。通过选择合适的铝合金，预先对铝合金进行时效处理，然后采用特殊的加工工艺，保证铝合金基体的精度，确保使用过程中的装配精度。选择基体外径为254mm、内孔155mm，使用调制好的胶均匀涂抹于沟槽和刀头粘接面，将35个刀头等间距粘接在铝合金基体上，室温下固化24小时，得到的多孔金属基金刚石砂轮的结构如图3和图4所示。

（7）修磨检测

将步骤（6）得到的所述多孔金属基金刚石砂轮需要在内圆磨床、外圆磨床和平面磨床上进行修磨开刃处理，最终达到图纸所要求的形状和尺寸，修磨单次进刀量≤1μm、磨床的平面精度为2μm以内。对砂轮的检测包括尺寸符合公差要求、外观无瑕疵、动平衡达到G1.0等级。

测试结果

将步骤（7）制备的样品应用于SiC专用研磨机进行上机测试，研磨4英寸SiC晶片，由500μm研磨至180μm，效率达到10μm/min，研磨的晶片单片厚度差TTV为1~2μm、表面粗糙度Ra为10nm，使用寿命为110片。

本实施例制备的砂轮，金刚石把持力好，在芯片加工过程中，无金刚石脱落情况，加工的芯片表面精度符合要求，如粗糙度Ra可达0.02μm，表面无划痕。

实施例2

本实施例提供了一种多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，具体如下。

（1）金属粉还原处理

将原材料中的金属粉末在混料前先置于氢气还原炉中还原，还原工艺曲线为：第一阶段升温速率为8℃/min，由室温升至200℃；第二阶段升温速率为5℃/min，由200℃升至450℃；以降低其氧含量。

（2）配混料

上述金刚石砂轮刀头各组分重量比为：金属结合剂96份，金刚石磨料3份，填料1份。其中金属结合剂组成及其含量为Cu70wt%，Sn 30wt%，所述填料为0.2~0.5mm空心Al₂O₃球。这里，金刚石磨料是采用多元素共沉积法制备的Cu-Sn元素镀覆的金刚石。Co的主要作用是提高对金刚石的把持。

按上述重量百分比称取各原料，过200目筛，取筛下料投入不锈钢罐用三维混料机进行混合，每公斤混合粉中加入4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合2.5小时，以便粉末和金刚石混合均匀。

（3）粉末制粒

在混合好的混合粉中加入配好的液体制粒剂，制粒剂比例为90g/kg，粉末与液体制粒剂搅拌均匀后，过120目筛，将得到的120目筛下物放入烘箱进行60℃烘干，烘干之后及时过100目筛取筛下物，以防颗粒料大量团聚，制备成颗粒料。制粒可使粉末松装比稳定、流动性好，有利于布粉均匀，且能有效降低金刚石及粉末偏析概率，提高产品性能稳定性。

（4）增材制造成型

将颗粒料使用增材制造设备，激光选区烧结或激光选区熔化方法，根据预先设计好的刀头结构进行成型，制备出刀头结构为：外侧密实框架壁厚1mm，刀头内部多孔道孔隙间壁厚为1.2mm、孔径5mm，孔道均匀分布。刀头横截面孔隙率达到56.32%。

（5）热处理

将增材制造得到的刀头，根据情况进行后续热处理，热处理采用热等静压方式，温度650℃、压力20MPa，得到多孔金属基金刚石刀头。将烧结后的刀头进行表面清洁、去毛刺后，检测刀头尺寸、外观、相对密度、抗拉强度，对合格刀头进行表面修整处理。最终得到成品刀头尺寸为35 mm（长度）×8.5 mm（高度）×15mm（厚度），刀头的相对密度平均93%、抗拉强度平均155MPa。

（6）粘接

所述的多孔金属基金刚石砂轮的刀头和铝合金基体是通过环氧树脂胶粘接固定。通过选择合适的铝合金，同时对铝合金进行时效处理，然后采用特殊的加工工艺，保证铝合金基体的精度，确保使用过程中的装配精度。选择基体外径为312mm、内孔237mm，使用调制好的胶均匀涂抹于沟槽和刀头粘接面，将26个刀头等间距粘接在铝合金基体上，室温下固化24小时。

（7）修磨检测

将步骤（6）得到的所述多孔金属基金刚石砂轮需要在内圆磨床、外圆磨床和平面磨床上进行修磨开刃处理，最终达到图纸所要求的形状和尺寸，修磨单次进刀量≤1μm、磨床的平面精度为2μm以内。对砂轮的检测包括尺寸符合公差要求、外观无瑕疵、动平衡达到G1.0等级。

（8）测试结果

将步骤（7）制备的样品应用于SiC专用研磨机进行上机测试，研磨6英寸SiC晶片，由380μm研磨至180μm，效率达到5μm/min，研磨的晶片单片厚度差TTV为2~2.5μm、表面粗糙度Ra为10nm，使用寿命为116片。

本实施例制备的砂轮，金刚石把持力好，无金刚石脱落情况，加工的芯片表面精度符合要求，如粗糙度Ra可达0.02μm，表面无划痕。

实施例3

本实施例提供了一种多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，具体如下。

（1）金属结合剂原料粉的还原处理

将原材料中作为金属结合剂使用的金属粉末在混料前先置于氢气还原炉中还原，还原工艺曲线为：第一阶段升温速率为8℃/min，由室温升至200℃；第二阶段升温速率为5℃/min，由200℃升至360℃；第三阶段升温速率为3℃/min，由360℃升至最终还原温度420℃，然后在最终还原温度下保温还原40min，以降低其氧含量。

（2）配混料

本实施例金刚石砂轮刀头各组分重量比为：金属结合剂86份，金刚石磨料6份，填料8份。其中金属结合剂组成及其含量为Cu 70wt%，Sn 25wt%，Co 5wt%，所述填料为石墨粉。这里，金刚石磨料是采用多元素共沉积法制备的Cu-Sn元素镀覆的金刚石。Co的主要作用是提高对金刚石的把持。

按上述重量配比称取各原料，过200目筛，取筛下料投入不锈钢罐用三维混料机进行混合，每公斤混合粉中加入4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合2.5小时，以便粉末和金刚石混合均匀，得到混合粉。

（3）粉末制粒

在混合好的混合粉中加入配好的液体制粒剂，制粒剂比例为95g/kg混合粉，粉末与液体制粒剂搅拌均匀后，过120目筛；将得到的120目筛下物放入烘箱进行60℃烘干，烘干之后及时过100目筛取下物，以防颗粒料大量团聚，制备成颗粒料；制粒可使粉末松装比稳定、流动性好，有利于布粉均匀，且能有效降低金刚石及粉末偏析概率，提高产品性能稳定性。

（4）增材制造成型

将颗粒料使用增材制造设备，激光选区熔化方法，根据预先设计好的刀头结构进行成型，制备出刀头坯体。具体地，

将设计好的刀头结构模型及数据文件导入增材制造设备；设定工艺参数为：激光功率280W，扫描速度400mm/s，激光光斑大小0.03mm，每层铺粉厚度0.2mm；然后在基板上完成激光选区熔化成形，随后取出基板进行激光切割，得到激光选区熔化成形的刀头坯体。

图5示出了本实施例预先设计的刀头结构或者说是制备出的刀头结构，该图中，由于金刚石粒径很细，且与金属粉均匀混合后采用增材制造一体成型，因此混合均匀的混合粉可看做均质，这里仅标注出由混合粉形成的骨架，而不单独标注金刚石。如图5所示，本实施例制备的刀头坯料的外围密实框架壁厚1mm，刀头内部多孔道相邻孔道间壁厚为0.9mm、孔道的孔径（直径）3mm，孔道均匀分布，刀头横截面孔隙率达到58.50%。该刀头是横截面为圆环的柱体，圆环环宽和弧度合适，以保证刀头可嵌入基体的圆形凹槽内，柱体壁厚为外围密实框架壁厚，柱体内部设置有多个孔道，孔道形状可以是正六边形也可以是等五边形，其中不以外围密实框架作为孔道壁的孔道形状为正六边形，以外围密实框架的直线段作为孔道壁的孔道形状为等五边形，靠近柱体外围圆弧边部位的孔道还可以是扇形结构。刀头形状设计成圆环柱体，避免了直棱直角的尖角形状，在研磨过程中，可避免单点接触造成负荷过大，从而影响加工工件表面质量的问题。

（5）热处理

将增材制造得到的刀头，根据增材制造刀头强度情况进行后续热处理，热处理采用真空热压烧结方式，热处理工艺曲线为：第一段升温速率为2 ℃/min，到有机物分解阶段（本实施例的实际温度为420℃）保温35 min，以保证坯体中有机物充分分解以及水分及时排出，避免刀头产生裂纹；第二段升温速率为4 ℃/min，升温至最终烧成温度为700℃，保温100min，后随炉冷却至室温，得到多孔金属基金刚石刀头。将烧结后的刀头进行表面清洁、去毛刺后，检测刀头尺寸、外观、相对密度、抗拉强度，对合格刀头进行表面修整处理。最终得到成品刀头尺寸为254 mm（外径）×15mm（环宽）×8 mm（高度），刀头的相对密度平均90%、抗拉强度平均149MPa。

（6）粘接

所述的多孔金属基金刚石砂轮的刀头和铝合金基体是通过环氧树脂胶粘接固定。通过选择合适的铝合金，预先对铝合金进行时效处理，然后采用特殊的加工工艺，保证铝合金基体的精度，确保使用过程中的装配精度。选择基体外径为260mm、内孔155mm，使用调制好的胶均匀涂抹于沟槽和刀头粘接面，将1个整环刀头粘接在铝合金基体上，室温下固化24小时，得到的多孔金属基金刚石砂轮的结构如图6所示。

（7）修磨检测

将步骤（6）得到的所述多孔金属基金刚石砂轮需要在内圆磨床、外圆磨床和平面磨床上进行修磨开刃处理，最终达到图纸所要求的形状和尺寸，修磨单次进刀量1μm、磨床的平面精度为2μm以内。对砂轮的检测包括尺寸符合公差要求、外观无瑕疵、动平衡达到G1.0等级。

测试结果

将步骤（7）制备的样品应用于SiC专用研磨机进行上机测试，研磨4英寸SiC晶片，由500μm研磨至180μm，效率达到10μm/min，研磨的晶片单片厚度差TTV为1~2.5μm、表面粗糙度Ra为10nm，使用寿命为106片。

实施例4

本实施例提供了一种多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，具体如下。

（1）金属结合剂原料粉的还原处理

将原材料中作为金属结合剂使用的金属粉末在混料前先置于氢气还原炉中还原，还原工艺曲线为：第一阶段升温速率为10℃/min，由室温升至200℃；第二阶段升温速率为5℃/min，由200℃升至360℃；第三阶段升温速率为3℃/min，由360℃升至最终还原温度420℃，然后在最终还原温度下保温还原30min，以降低其氧含量。

（2）配混料

本实施例金刚石砂轮刀头各组分重量比为：金属结合剂80份，金刚石磨料5份，填料10份。其中金属结合剂组成及其含量为Cu 60wt%，Sn 30wt%，Co 10wt%，所述填料为石墨粉。这里，金刚石磨料是常规无特殊处理的金刚石（即金刚石表面无Cu-Sn元素镀层）。Co的主要作用是提高对金刚石的把持。

按上述重量配比称取各原料，过200目筛，取筛下料投入不锈钢罐用三维混料机进行混合，每公斤混合粉中加入4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合2.5小时，以便粉末和金刚石混合均匀，得到混合粉。

（3）粉末制粒

在混合好的混合粉中加入配好的液体制粒剂，制粒剂比例为100g/kg混合粉，粉末与液体制粒剂搅拌均匀后，过120目筛；将得到的120目筛下物放入烘箱进行60℃烘干，烘干之后及时过100目筛取下物，以防颗粒料大量团聚，制备成颗粒料；制粒可使粉末松装比稳定、流动性好，有利于布粉均匀，且能有效降低金刚石及粉末偏析概率，提高产品性能稳定性。

（4）增材制造成型

将颗粒料使用增材制造设备，激光选区熔化方法，根据预先设计好的刀头结构（如图2所示）进行成型，制备出刀头坯体。具体地，

将设计好的刀头结构模型及数据文件导入增材制造设备；设定工艺参数为：激光功率300W，扫描速度500mm/s，激光光斑大小0.03mm，每层铺粉厚度0.2mm；然后在基板上完成激光选区熔化成形，随后取出基板进行激光切割，得到激光选区熔化成形的刀头坯体。

图5示出了本实施例预先设计的刀头结构或者说是制备出的刀头结构，该图中，由于金刚石粒径很细，且与金属粉均匀混合后采用增材制造一体成型，因此混合均匀的混合粉可看做均质，这里仅标注出由混合粉形成的骨架，而不单独标注金刚石。如图2所示，本实施例制备的刀头坯料的外围密实框架壁厚1mm，刀头内部多孔道相邻孔道间壁厚为0.9mm、孔道的孔径（直径）3mm，孔道均匀分布，刀头横截面孔隙率达到47.65%。该刀头是横截面为圆环的柱体，圆环环宽和弧度合适，以保证刀头可嵌入基体的圆形凹槽内，柱体壁厚为外围密实框架壁厚，柱体内部设置有多个孔道，孔道形状可以是正六边形也可以是等五边形，其中不以外围密实框架作为孔道壁的孔道形状为正六边形，以外围密实框架的直线段作为孔道壁的孔道形状为等五边形，靠近柱体外围圆弧边部位的孔道还可以是扇形结构。刀头形状设计成圆环柱体，避免了直棱直角的尖角形状，在研磨过程中，可避免单点接触造成负荷过大，从而影响加工工件表面质量的问题。

（5）热处理

将增材制造得到的刀头，根据增材制造刀头强度情况进行后续热处理，热处理采用真空热压烧结方式，热处理工艺曲线为：第一段升温速率为2 ℃/min，到有机物分解阶段（本实施例的实际温度为420℃）保温35 min，以保证坯体中有机物充分分解以及水分及时排出，避免刀头产生裂纹；第二段升温速率为4 ℃/min，升温至最终烧成温度为700℃，保温100min，后随炉冷却至室温，得到多孔金属基金刚石刀头。将烧结后的刀头进行表面清洁、去毛刺后，检测刀头尺寸、外观、相对密度、抗拉强度，对合格刀头进行表面修整处理。最终得到成品刀头尺寸为21 mm（长度）×10mm（高度）×8 mm（厚度），刀头的相对密度平均89%、抗拉强度平均148MPa。

（6）粘接

所述的多孔金属基金刚石砂轮的刀头和铝合金基体是通过环氧树脂胶粘接固定。通过选择合适的铝合金，预先对铝合金进行时效处理，然后采用特殊的加工工艺，保证铝合金基体的精度，确保使用过程中的装配精度。选择基体外径为254mm、中孔155mm，使用调制好的胶均匀涂抹于沟槽和刀头粘接面，将35个刀头等间距粘接在铝合金基体上，室温下固化24小时，得到的多孔金属基金刚石砂轮的结构如图3所示。

（7）修磨检测

将步骤（6）得到的所述多孔金属基金刚石砂轮需要在内圆磨床、外圆磨床和平面磨床上进行修磨开刃处理，最终达到图纸所要求的形状和尺寸，修磨单次进刀量1μm、磨床的平面精度为2μm以内。对砂轮的检测包括尺寸符合公差要求、外观无瑕疵、动平衡达到G1.0等级。

测试结果

将步骤（7）制备的样品应用于SiC专用研磨机进行上机测试，研磨4英寸SiC晶片，由500μm研磨至180μm，效率达到10μm/min，研磨的晶片单片厚度差TTV为1~2.5μm、表面粗糙度Ra为0.2μm，使用寿命为86片。

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，金刚石磨料是采用多元素共沉积法制备的Cu-Sn元素镀覆的金刚石，本实施例中，金刚石磨料是常规无特殊处理的金刚石。虽然经热处理后，本实施例制备的刀头的相对密度和抗拉强度与实施例1相近，但是，由本实施例中的刀头制备的砂轮应用于SiC专用研磨机进行上机测试，砂轮的使用寿命比实施例1中制备的砂轮的使用寿命少。

现有技术中，砂轮的刀头的孔隙率一般只能达到30%左右，且随着孔隙率增加，强度明显下降，当孔隙率达到40%以上时，抗拉强度通常降至80MPa，从而使抗拉强度低于砂轮使用安全强度要求。

采用本发明的技术方案制备得到的多孔金属基金刚石砂轮，其刀头所具有的多孔结构的孔道均匀可控、孔隙率高，可达30~60%，同时刀头的强度也高，所得砂轮使用寿命长、工作安全平稳等优良性能，可有效的应用于高端芯片SiC的减薄。

采用本发明的技术方案制备得到的砂轮，金刚石把持力好，无金刚石脱落情况，加工的芯片表面精度符合要求，如粗糙度Ra可达0.02μm，表面无划痕。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域内的技术工程人员在不违背本发明的精神及范畴下，可对这些实施例作出变更和修改。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多孔金属基金刚石刀头，其特征在于，

按照重量份，所述刀头中各原料包括：金属结合剂80~97份，金刚石磨料3~10份，填料0~10份；其中，按重量百分比计，以所述金属结合剂为基准，金属结合剂的原料包括：Cu：50~70wt%，Sn：20~40 wt%和金属元素M：0~10 wt%，其中所述金属元素M为Ti、Co、Ni中的一种或两种以上；所述填料为石墨粉和/或Al₂O₃空心球；

所述金刚石磨料为Cu-Sn合金包覆的金刚石磨料；所述Cu-Sn包覆的金刚石磨料是通过如下方法制得的：采用多元素共沉积法，将预先镀Ti的金刚石置于包含Cu和Sn盐的溶液中，然后经沉淀、洗涤、还原工艺制得；

所述刀头的横截面的孔隙率为30%~60%。

2.根据权利要求1所述的多孔金属基金刚石刀头，其特征在于，

所述金属结合剂的粒度为325目以细；

所述Cu-Sn包覆的金刚石磨料的粒度325目以细。

3.根据权利要求1或2所述的多孔金属基金刚石刀头，其特征在于，

所述刀头中分布有多个自上而下贯通的孔道，多个所述孔道呈蜂窝状均匀分布；所述刀头包括：外围密实框架、以及位于所述外围密实框架形成的空间内且用于隔离多个所述孔道的孔道间壁架构。

4.根据权利要求3所述的多孔金属基金刚石刀头，其特征在于，所述刀头的外围密实框架的壁厚为0.9~1.5 mm，用于隔离相邻孔道的孔道间壁的壁厚为0.9~1.5 mm；在多个所述孔道中，不以外围密实框架作为孔道壁的孔道形状为正六边形；所述正六边形的孔径为3~8mm；以外围密实框架作为部分孔道壁的孔道形状为正五边形或者扇形。

5.根据权利要求3所述的多孔金属基金刚石刀头，其特征在于，

所述刀头的高度为4~15 mm，厚度为5~16mm；所述刀头为一体成型的圆环形刀头或者弧形刀头；所述弧形刀头的长度为20~50 mm。

6.一种多孔金属基金刚石砂轮，其特征在于，所述砂轮包括基体以及固定于所述基体上的如权利要求1-5中任一项所述的多孔金属基金刚石刀头。

7.根据权利要求6所述的多孔金属基金刚石砂轮，其特征在于，

所述基体的用于固定刀头的端面上沿周向设有凹槽，所述多孔金属基金刚石刀头固定于所述凹槽中；所述固定是通过粘结方式固定，所述凹槽为圆形；

当所述多孔金属基金刚石刀头为如权利要求5所述的弧形刀头时，多个弧形刀头等间距排列于所述凹槽内围成圆环；所述弧形刀头的数量为10~60个；相邻弧形刀头的间距控制为0~20 mm；

当所述多孔金属基金刚石刀头为如权利要求5所述的一体成型的圆环形刀头时，所述一体成型的圆环形刀头座设于所述凹槽内；

所述基体为铝合金基体；所述砂轮外径为200~400 mm，内孔直径为100~250 mm。

8.一种如权利要求1-5中任一项所述的多孔金属基金刚石刀头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）金属粉末还原处理、（2）混合粉制备、（3）粉末制粒、（4）增材制造成型和（5）热处理；其中，

（1）所述金属粉末还原处理步骤中，将作为金属结合剂使用的金属粉末置于氢气还原炉中还原，降低其氧含量，得到还原后的金属粉末；

（2）所述混合粉制备步骤中，将还原后的金属粉末、填料及镀覆处理后得到的金刚石磨料按权利要求1-5中任一项所述多孔金属基金刚石刀头的原料配比进行称量混合，得到混合粉；

（3）所述粉末制粒步骤中，在混合好的混合粉中加入制粒剂，搅拌均匀后过筛，再将筛下物烘干，烘干后再次过筛取筛下物作为颗粒料；

（4）所述增材制造成型步骤中，将步骤（3）中得到的颗粒料使用增材制造设备、利用激光选区熔化或激光选区烧结方法进行刀头成型，得到设定结构的如权利要求3-5任一项所述的多孔金属基金刚石刀头坯体；

所述热处理步骤中，将步骤（4）得到的刀头坯体，根据颗粒料成分和成型状态进行热处理。

9.根据权利要求8所述的多孔金属基金刚石刀头的制造方法，其特征在于，

所述混合粉制备步骤中，所述混合为湿法球磨混合，每公斤混合粉中加入3~4个直径8mm的硬质合金球及5ml酒精为研磨介质，混合时间不少于2小时；其中，金刚石磨料的制备包括：采用铜锡合金对镀Ti金刚石表面进行镀覆处理，过筛得到金刚石磨料，粒度325目以细；镀Ti金刚石表面的镀覆处理为：采用多元素共沉积法，将镀Ti金刚石置于Cu、Sn盐溶液中，然后经沉淀、洗涤、还原工艺得到Cu-Sn包覆金刚石，即所述金刚石磨料；所述Cu、Sn盐溶液中，Cu、Sn的质量分数分别为1~20%；

所述粉末制粒步骤中，制粒剂用量为80~100 g/kg混合粉；

所述增材制造成型步骤中，所述刀头成型包括设计刀头内部及外部结构，然后根据预先设计好的刀头结构进行激光选区熔化或激光选区烧结，使所述颗粒料固结成型，得到设定结构的刀头；设计刀头为外侧密实框架和内部多孔道均匀分布结构组成，得到孔隙率为30%~60%的所述多孔金属基金刚石刀头。

10.一种如权利要求6-7中任一项所述的多孔金属基金刚石砂轮的制造方法，其特征在于，

包括：将所述多孔金属基金刚石刀头固定至基体上的步骤，以及修磨检测步骤；其中，将所述多孔金属基金刚石刀头固定至基体上的步骤是指用环氧树脂胶将所述刀头粘接在基体上，然后固化。