DE112004001912T5

DE112004001912T5 - Schleifwerkzeuge hergestellt mit selbstvermeidender Schleifkornanordnung

Info

Publication number: DE112004001912T5
Application number: DE112004001912T
Authority: DE
Inventors: Richard W. J. Southborough Hall; Jens M. Molter; Charles A. Rutland Bateman
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-08-24
Also published as: FR2860744B1; US20090202781A1; GB0609169D0; FR2860744A1; US20050076577A1; US7507267B2; TW200522188A; AT502328B1; BRPI0415196A; JP4520465B2; PL379550A1; ES2306591A1; MY136988A; CA2540733A1; TWI278928B; RU2006111358A; ITMI20041858A1; HK1094176A1; NL1027081C2; US20110252710A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Schleifwerkzeugen mit einem definierten, ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum, umfassend die Schritte:
(a) Definieren einer zweidimensionalen, planaren Fläche mit einer festgelegten Größe und Form;
(b) Definieren einer gewünschten Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration für die planare Fläche;
(c) zufälliges bzw. zufallsbasiertes Erzeugen einer Reihe von zweidimensionalen Koordinatenwerten;
(d) Beschränken jedes Paares der zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwerte auf Koordinatenwerte, die sich von beliebigen benachbarten Paare von Koordinatenwerten um einen Mindestwert (k) unterscheiden;
(e) Erzeugen einer Anordnung der beschränkten, zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwerte mit ausreichend vielen Paaren, als Punkte in einer grafischen Darstellung aufgetragen, um die gewünschte Schleifkorn-Konzentration für die festgelegte, zweidimensionale, planare Fläche und die festgelegte Schleifkorn-Korngröße zu erbringen; und
(f) Zentrieren eines Schleifkorns auf jedem Punkt in der Anordnung.

Description

Ein Verfahren zum Entwerfen und Herstellen von Schleifwerkzeugen und einzigartige, mit diesem Verfahren hergestellte Schleifwerkzeugen sind entwickelt worden. In diesem Verfahren einzelne Schleifkörner in einer kontrollierten, räumlich zufälligen Anordnung so angeordnet, dass die einzelnen Körner nicht-angrenzend sind. Wenn eine abrasive bzw. abschleifende Oberfläche eines Schleifwerkzeugs eine zufällige, jedoch kontrollierte Anordnung von Schleifkörnern aufweist, kann man optimale Abschleifwirkung erzielen, dabei die Effizienz verbessern und durchwegs planare Oberflächen von Werkstücken erzeugen.
Hintergrund der Erfindung
Es ist erkannt worden, dass eine einheitliche, gemusterte Bestückung von Schleifkörnern auf vielfältigen Kategorien von Schleifwerkzeugen die Leistungsfähigkeit eines Schleifwerkzeugs verbessert. Eine derartige Kategorie von Werkzeugen, die für feine präzise Schleifvorgänge entworfenen "technisierten" oder "strukturierten" beschichteten Schleifwerkzeuge, sind im Laufe des vergangenen Jahrzehnts kommerziell verfügbar geworden. Typische Entwürfe für diese beschichteten Schleifwerkzeuge sind in den US-Patent-Schriften Nr. A-5,014,468, A-5,304,223, A-5,833,724, A-5,863,306 und 6,293,980 B beschrieben. In diesen Werkzeugen werden kleine, geformte, zusammengesetzte Strukturen, beispielsweise dreidimensionale Pyramiden, Diamanten, Linien und hexagonale Rippen, die eine Vielzahl von mit einem Klebstoff-Material gehaltenen Schleifkörnern enthalten, als eine einzelne Schicht in einem regulären Muster auf der Oberfläche eines flexiblen Unterschichtbogens repliziert. Es wurde gefunden, dass diese Werkzeuge beim freien Schneiden eingreifen und dass die offenen Zwischenräume zwischen den Korn-Verbunden ein kühleres Schleifen und eine verbesserte Entfernung von Ablagerungen ermöglichen. Ähnliche Werkzeuge in der Kategorie der super-schleifenden Werkzeuge mit einer starren, geformten Scheibe oder Kern als Unterschicht sind in US-Patent Nr. 6,096,107 offenbart.
Es sind Schleifwerkzeuge entwickelt worden, die eine einzelne Schicht von Schleifkörnern aufweisen, die in einem gleichförmigen Gittermuster aus Quadraten, Kreisen, Rechtecken, Hexagons oder anderen wiederholten geometrischen Mustern entworfen sind, und diese Werkzeuge sind in einer Vielzahl von Anwendungen in der hochgenauen Endbearbeitung verwendet worden. Ein Muster kann einzelne Körner oder Parzellen von Schleifkörnern in einer einzelnen Schicht, welche Parzellen durch offene Zwischenräume zwischen den Parzellen beabstandet sind, umfassen. Insbesondere wird bei den super-schleifenden Werkzeugen angenommen, dass gleichförmige Muster von Schleifkörnern planarere, glattere Endbearbeitungen von Oberflächen ergeben, als sie mit zufälliger Anordnung von Schleifkörnern auf dem Schleifwerkzeug erzielt werden können. Derartige Werkzeuge werden beispielsweise in den US-Patenten Nr. 6,537,140 B1, A-5,669,943, A-4,925,457, A-5,980,678, A-5,049,165, 6,368,198 B1 und A-6,159,087 offenbart.
So sind vielfältige Schleifwerkzeuge nach hochgenauen, für das gleichförmige Abschleifen von halbfertigen Werkstücken erforderlichen Spezifikationen entworfen und hergestellt worden. Als ein Beispiel für derartige Werkstücke in der Elektronikindustrie müssen halbfertige, integrierte Schaltkreise abgeschliffen oder poliert werden, um überschüssige keramische oder metallische Materialien, die selektiv in mehreren Oberflächenschichten, mit oder ohne Ätzen, auf den Wafern (beispielsweise Silicium oder anderem keramischen oder Glassubstrat-Materialien) aufgebracht worden sind, zu entfernen. Die Einebnung von neu geformten Oberflächenschichten in den halbfertigen integrierten Schaltkreisen wird ausgeführt mit chemischmechanischen Einebnungs- bzw. Planarisations-Prozessen (CMP), die Schleifschlämme und Polymer-Kissen benutzen. Die CMP-Kissen müssen kontinuierlich oder periodisch mit einem Schleifwerkzeug "konditioniert" werden. Das Konditionieren eliminiert die Verhärtung oder Verglasung der Kissen, die durch die Kompression von angesammeltem Abrieb und Schleifschlamm-Partikeln in der polierenden Oberfläche der Kissen bewirkt wird. Der Konditionierungsvorgang muss gleichförmig über die Oberfläche der Kissen ausgeführt werden, so dass die konditionierten Kissen die halbfertigen Wafer noch einmal über die gesamte Oberfläche der Wafer planarisieren können.
Die Lage der Schleifkörner auf dem Konditionierungswerkzeug wird kontrolliert, um gleichförmige Riefenmuster auf der Polieroberfläche der Kissen zu bewirken. Eine vollständig zufällige Anordnung der Schleifkörner auf einer zweidimensionalen Ebene des Werkzeugs wird allgemein als für das Konditionieren von CMP- Kissen nicht geeignet angesehen. Es ist vorgeschlagen worden, die Lage der Schleifkörner auf CMP-Konditionierwerkzeugen zu kontrollieren, indem jedes Korn entlang eines bestimmten gleichförmigen Gitters auf der Schleifoberfläche des Werkzeugs angeordnet wird (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 6,368,198 B1). Jedoch weisen Werkzeuge mit gleichförmigen Rastern bestimmte Beschränkungen auf. Beispielsweise erzeugt ein gleichförmiges Raster eine Periodizität in der Schwingung, die von der Bewegung des Werkzeugs herrührt, die wiederum eine Welligkeit oder periodische Furchen auf dem Kissen oder. ungleiche Abnutzung des Schleifwerkzeugs oder des Polierkissens verursachen kann, die schließlich zu minderwertigen Oberflächen auf den halbfertigen Werkstücken führen.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines nicht-gleichförmigen Rastermusters von Schleifkörnern in einer einzelnen Schicht auf dem Substrat eines Schleifwerkzeugs ist im JP-Patent Nr. 2002-178264 offenbart. Das Herstellen dieser Werkzeuge beginnt damit, dass ein virtuelles Raster mit einem gleichförmigen, zweidimensionalen Muster, wie eine Reihe von Quadraten, definiert wird, indem an den Kreuzungspunkten der Linien auf dem Raster Körner angeordnet werden. Dann wählt man zufällig einige Kreuzungspunkte auf dem Raster aus und versetzt Körner von diesen Kreuzungspunkten, wobei die Körner um einen Abstand von weniger als dreimal dem mittleren Korndurchmesser verschoben werden. Dieses Verfahren betrifft das Sicherstellen der Anordnung einzelner Körner in einer numerischen Reihenfolge entlang der x- oder y-Achse, und versagt daher darin, sicherzustellen, dass die resultierende Werkzeugoberfläche eine gleichförmige Schleifwirkung liefert, ohne signifikante Lücken oder Inkonsistenzen in der Kontaktfläche, wenn das Werkzeug einen linearen Weg über ein Werkstück ablegt. Das Verfahren versagt ebenfalls darin, einen definierten ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn sicherzustellen und lässt somit sowohl Bereiche mit konzentrierten bzw. gehäuften Körnern als auch Bereiche mit Lücken zwischen den Körnern zu, was eine nicht-gleichförmige Oberflächenqualität in den endbearbeiteten Werkstücken bewirken kann.
Die vorliegende Erfindung weist keine dieser Nachteile des JP-Patents Nr. 2002-178264 auf und ermöglicht, Schleifwerkzeuge herzustellen mit einem definierten, ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum in einer zufälligen, jedoch kontrollierten zweidimensionalen Anordnung. Weiterhin können Werkzeuge hergestellt werden, die eine zufällig verteilte numerische Reihenfolge von Schleifkornpositionen entlang der x- und/oder y-Achsen der Schleifoberflächen des Werkzeugs aufweisen, um so eine gleichmäßige Schleifwirkung zu erzielen, ohne signifikante Lü cken oder Inkonsistenzen in der Kontaktfläche, wenn das Werkzeug einen linearen Pfad auf dem Werkstück ablegt.
Schleifwerkzeuge nach dem Stand der Technik, die hergestellt sind mit einer gleichförmigen Rasteranordnung von Körnern, die angeordnet worden sind, indem einzelne Schleifkörner in die Zwischenleerstellen eines als Vorlage dienenden Drahtschirms oder eines perforierten Bogens (beispielsweise wie in US-Patent Nr. A-5,620,489) angeordnet werden, sind auf die statischen, gleichförmigen strukturellen Abmessungen eines derartigen Rasters begrenzt. Diese Drahtschirme und gleichförmig perforierten Böden können nur einen Werkzeugentwurf mit einem Raster von regulärer bzw. normaler Abmessung (häufig ein Quadrat oder Diamantgitter) hervorbringen. Im Gegensatz dazu können Werkzeuge nach der Erfindung nichtgleichförmige Abstände in einer Vielzahl von Abständen zwischen dem abrasiven Streugut verwenden. Auf diese Weise kann eine Schwingungsperiodizität vermieden werden. Von Vorlage-Schirmabmessungen befreit können die Schneidoberflächen der Werkzeuge eine höhere Konzentration der Schleifkörner enthalten und können viel feinere abrasive Streugutgrößen verwenden, während die Anordnung der Körner immer noch kontrolliert ist. Für die Konditionierung von CMP-Kissen wird angenommen, dass je höher die Konzentration der Schleifkörner auf dem Schleifwerkzeug ist, die Anzahl der Schleifpunkte im Kontakt mit dem Kissen umso größer ist und die Effizienz des Entfernens von angesammeltem Oxidabfallstoff und anderen verglasenden Materialien von der Polieroberfläche der Kissen umso höher ist. Weil die CMP-Kissen relativ weich sind, sind kleine Schleifkorngrößen für den Einsatz in dieser Anwendung geeignet, und man kann relativ höhere Konzentrationen von Schleifkörnern mit einer kleineren Streugutgröße verwenden.
Weiters wird beim Umfangsschleifen, was mit dem Werkzeug nach der Erfindung ausgeführt werden, jedes Korn in der gesteuerten, zufälligen Anordnung der nicht angrenzenden Schleifkörner verschiedene, selbstvermeidende Pfade oder Kurven auf der Oberfläche des Werkstücks ablegen, während es (das Werkzeug) sich in einer linearen Weise bewegt. Dies hebt sich vorteilhaft von Werkzeugen nach dem Stand der Technik, die eine gleichförmige Rasteranordnung der Schleifkörner aufweisen, ab. In einem gleichförmigen Raster wird jedes Korn, das dieselbe x- oder y-Abmessung in dem Raster aufweist, entlang der Oberfläche des Werkstücks auf demselben Pfad oder derselben Kurve laufen, die von anderen, auf derselben x- oder y-Abmessung liegenden Körnern, die das Kissen ebenfalls überziehen. Auf diese Weise haben Werkzeuge mit gleichförmigen Rastern nach dem Stand der Technik die Nei gung, auf der Oberfläche der Werkstücke "Furchen" zu erzeugen. Die Werkzeuge nach der Erfindung minimalisieren diese Probleme. Werkzeuge, die in einer drehenden Weise anstatt in einer linearen Weise betrieben werden, führen zu einer anderen Situation. Bei einem "Flächen-" oder Oberflächen-Schleifwerkzeug, weisen regelmäßige Anordnungen von Körnern mehrfache Drehsymmetrien auf (beispielsweise weist ein quadratisch-gleichförmiges Raster eine vierfache Drehsymmetrie auf, hexagonal weist sechsfache Drehsymmetrie auf, usw.), während das Werkzeug nach der Erfindung nur eine einfache Drehsymmetrie aufweist. Daher ist der Wiederholungszyklus des Werkzeugs nach der Erfindung viel länger (beispielsweise viermal länger als der eines quadratischen, gleichförmigen Rasters) mit dem Nettoergebnis, dass das Werkzeug nach der Erfindung die Erzeugung von regulären Mustern auf dem Werkstück im Vergleich zu Werkzeugen, die eine reguläre gleichförmige Anordnung von Schleifkörnern aufweisen, minimalisieren kann.
Über die beim Umfangsschleifen und Konditionieren von CMP-Kissen realisierten Vorteile bietet das Schleifwerkzeug der Erfindung Vorteile in vielfältigen Herstellungsvorgängen. Diese Vorgänge umfassen beispielsweise das Abschleifen von anderen elektronischen Bauteilen, beispielsweise das Zurückschleifen von keramischen Wafern, das Endbearbeiten von optischen Bauteilen, das Endbearbeiten von durch plastische Umformung gekennzeichneten Materialien, und das Abschleifen von "langspanenden" Materialien, beispielsweise Titan, Inconel-Legierungen, hochzugfestem Stahl, Messing und Kupfer.
Während die Erfindung beim Herstellen von Werkzeugen mit einer einzelnen Schicht von Schleifkörnern auf einer ebenen Arbeitsfläche besonders nützlich ist, kann eine zweidimensionale Kornanordnung in einem hohlen, dreidimensionalen Zylinder gebogen oder ausgebildet werden und dabei zur Verwendung auf Werkzeugen, die als eine zylindrische, dreidimensionale Anordnung von auf der Oberfläche des Werkzeugs gehaltenen Schleifkörnern aufgebaut sind (beispielsweise angetriebene Abdreh- bzw. Abricht-Werkzeuge), angepasst werden. Die Schleifkornanordnung kann von einem zweidimensionalen Bogen in eine feste, dreidimensionale Struktur umgewandelt werden durch Aufrollen des Bogens, wobei die befestigte Schleifkornanordnung in eine konzentrische Rolle gebracht wird, wodurch eine Spiralstruktur erzeugt wird, in der jedes Korn von jedem benachbarten Korn in der z-Richtung zufallsbasiert beabstandet ist und alle Körner in der x-, y- und z-Richtung nicht angrenzend sind. Die Erfindung ist beim Herstellen von vielen anderen Arten von Schleifwerkzeugen ebenfalls nützlich. Diese Werkzeuge umfassen beispielsweise Oberflä chen-Schleifscheiben, Umfangsschleifwerkzeuge mit einem Riemen von Schleifkörnern um den Umfang eines Kerns oder einer Nabe eines Schleifwerkzeugs, und Werkzeuge mit einer Einzelschicht von Schleifkörnern oder Schleifkorn-/Haft- bzw. Bindungsstoff-Verbunden auf einem flexiblen Unterschicht-Bogen oder -Film umfassen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Schleifwerkzeugen mit einem definieren, ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum, umfassend die Schritte:

(a) Definieren einer zweidimensionalen planaren Fläche mit einer festgelgten Größe und Form;
(b) Definieren einer gewünschten Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration für die planare Fläche;
(c) zufälliges bzw. zufallsbasiertes Erzeugen einer Reihe von zweidimensionalen Koordinatenwerten;
(d) Beschränken jedes Paares der zufällig bzw. zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwerte auf Koordinatenwerte, die sich von benachbarten Koordinatenwertpaaren um einen Mindestwert (k) unterscheiden;
(e) Erzeugen einer Anordnung der beschränkten, zufällig erzeugten Koordinatenwerte mit ausreichend vielen Paaren, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Darstellung, um die gewünschte Schleifkorn-Konzentration für die festgelegte, zweidimensionale planare Fläche und die festgelegt Schleifkorn-Korngröße zu erbringen; und
(f) Zentrieren eines Schleifkorns auf jedem Punkt der Anordnung.

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweites Verfahren zum Herstellen von Schleifwerkzeugen mit einer definierten, ausschließenden Zone um jedes Schleifkorn herum, umfassend die Schritte:

(a) Definieren einer zweidimensionalen, planaren Fläche mit einer festgelegten Größe und Form;
(b) Definieren einer gewünschten Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration für die planare Fläche;
(c) Definieren einer Reihe von Koordinatenwertepaaren (x₁, y₁), so dass die Koordinatenwerte entlang mindestens einer Achse beschränkt sind auf eine numerische Folge, wobei jeder Wert sich vom nächsten Wert um einen konstanten Betrag unter scheidet;
(d) Entkoppeln von jedem definierten Koordinatenwertepaar (x₁, y₂) zum Erbringen eines Satzes von definierten x-Werten und eines Satzes von definierten y-Werten;
(e) zufälliges Auswählen aus den Sätzen der x- und y-Werte einer Reihe von zufälligen Koordinatenwertepaaren (x, y), wobei jedes Paar Koordinatenwerte aufweist, die sich von den Koordinatenwerten von jedem benachbarten Koordinatenwertepaar um einen Mindestwert (k) unterscheiden;
(f) Erzeugen einer Anordnung von zufällig ausgewählten Koordinatenwertepaaren mit ausreichend vielen Paaren, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Darstellung, zum Erbringen der gewünschten Schleifkorn-Konzentration für die definierte, zweidimensionale planare Fläche und die definierte Schleifkorn-Korngröße; und
(g) Zentrieren eines Schleifkorns auf jedem Punkt der Anordnung.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Schleifwerkzeug mit Schleifkörnern, einer Verbindung und einem Träger, wobei die Schleifkörner einen definierten maximalen Durchmesser und einen definierten Größenbereich aufweisen und wobei die Schleifkörner in einer einzelnen Schichtanordnung auf dem Substrat durch die Verbindung befestigt sind, dadurch gekennzeichnet dass:

(a) die Schleifkörner in der Anordnung entsprechend eines nicht gleichförmigen Rasters mit einer ausschließenden Zone um jedes Schleifkorn herum orientiert sind, und
(b) jeder ausschließende Bereich einen Mindestradius aufweist, der den maximalen Radius der definierten Schleifkorn-Korngröße übersteigt.

Beschreibung der Figuren
1 ist eine Darstellung eines Schaubildes einer Kornverteilung eines Werkzeugs nach dem Stand der Technik, die zufällig erzeugten x-, y-Koordinatenwerten entsprechen, die eine unregelmäßige Verteilung entlang der x- und y-Achsen zeigt.
2 ist eine Darstellung eines Schaubildes einer Kornverteilung eines Werkzeugs nach dem Stand der Technik, die einem gleichförmigen Raster von x-, y-Koordinatenwerten entsprechen und die regelmäßige Lücken zwischen aufeinander folgenden Koordinatenwerten entlang der x- und y-Achsen zeigt.
3 ist eine Darstellung eines Schaubildes einer Schleifkornanordnung nach der Erfindung, die eine zufällige Anordnung von x-, y-Koordinatenwerten zeigt, die beschränkt worden sind, so dass jedes Paar der zufällig erzeugten Koordinaten werte sich von dem nächstgelegenen Koordinatenwertepaar um einen definierten Mindestbetrag (k) unterscheiden, um einen ausschließende Bereich um jeden Punkt in dem Schaubild zu erzeugen.
4 ist eine Darstellung eines Schaubildes einer Schleifkornanordnung nach der Erfindung, die eine Anordnung zeigt, die entlang der x- und y-Achsen auf numerische Folgen beschränkt worden ist, wobei sich jeder Koordinatenwert auf einer Achse von dem nächsten Koordinatenwert um einen konstanten Betrag unterscheidet. Die Anordnung ist weiters durch Entkoppeln der Koordinatenwertepaare und zufälliges bzw. zufallsbasiertes Wiederzusammensetzen der Paare begrenzt worden, so dass jedes zufällig wieder zusammengesetzte Paar der Koordinatenwerte von dem nächsten Paar der Koordinatenwerte um einen bestimmten Mindestbetrag beabstandet ist.
5 ist eine Darstellung eines Schaubildes einer Schleifkornanordnung nach der Erfindung, aufgetragen mit r, θ Polarkoordinaten in einer ringförmigen, ebenen Fläche.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Das Herstellen der Werkzeuge nach der Erfindung beginnt mit dem Erzeugen eines zweidimensionalen grafischen Ausdruck, um die Anordnung des Mittelpunkts der längsten Abmessung jedes Schleifkorns auf einem Punkt auf einer kontrollierten, zufälligen, räumlichen Anordnung, die aus nicht-angrenzenden Punkten besteht, zu leiten. Die Abmessung der Anordnung und die Anzahl der für die Anordnung definierten Punkte, sind vorgeschrieben durch die gewünschte Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration auf der zweidimensionalen, planaren Fläche einer Schleif- oder Polierfläche des herzustellenden Schleifwerkzeugs. Der grafische Ausdruck kann durch jedes bekannte Mittel zum Erzeugen eines zweidimensionalen Ausdrucks, einschließlich beispielsweise mathematischer Berechnungen von Hand, CAD-Zeichnungen und Computer-Algorithmen (oder "Makros") erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Makro, das in einem Microsoft^®Excel^®-Softwareprogramm läuft, verwendet zum Erzeugen des grafischen Ausdrucks.
Erzeugen eines Schaubildes einer selbstvermeidenden Anordnung von Schleifkörnern.
In einer Ausführungsform wurde das folgende Makro, das in der Microsoft Excel Software (Version 2000) erzeugt worden ist, verwendet, zum Erzeugen der Punkte auf einem zweidimensionalen Raster, das die Anordnung der Punkte zum Platzieren einzelner Schleifkörner auf einer in 3 veranschaulichten Werkzeugoberfläche auszubilden.
Makro zum Erzeugen der Figur 3
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wurde das folgende Makro, das mit der Microsoft Excel Software (Version 2000) erzeugt worden ist, verwendet, zum Erzeugen der Punkte auf einem zweidimensionalen Raster, das die Anordnung von Punkten zum Platzieren einzelner Schleifkörner auf einer in 4 veranschaulichten Werkzeugoberfläche ausbildet. In dieser Veranschaulichung wurden die Koordinatenwerte in einer numerischen Reihenfolge sowohl entlang der x- als auch entlang der y-Achsen ausgewählt.
Makro zum Erzeugen der Figur 4
1 veranschaulicht eine zufällige bzw. zufallsbasierte Verteilung nach dem Stand der Technik mit 100 Punkten auf einem 10 × 10 planaren Raster, das mit einer Zufallszahlenfunktion eines Microsoft^®Excel^® 2000 Softwareprogramm erzeugt worden ist. Entlang der x- und y-Achsen (veranschaulicht als Diamantformen) sind die Stellen, wo die Koordinatenpunkte (veranschaulicht als kreisförmige Formen) die Achsen schneiden. Beispielsweise würde der (x, y) Punkt (3.4, 8.6) auf der x-Achse bei (3.4, 0.0) und auf der y-Achse bei (0.0, 8.6) darstellt. Es ist zu sehen, dass es Bereiche gibt, wo diese Punkte angehäuft sind, und Bereiche ohne Punkte. Dies ist die Eigenheit einer Zufallsverteilung.
2 zeigt eine vollständig geordnete Punktanordnung nach dem Stand der Technik, mit Punkten, die in gleichen Intervallen sowohl entlang der x- als auch der y-Achse beabstandet sind, um eine Rasteranordnung von Quadraten zu erzeugen. In diesem Fall sind die diamantförmigen Punkte entlang der x- und y-Achsen gleichförmig beabstandet, obwohl sie einen großen Abstand voneinander getrennt sind. Eine erhebliche Verbesserung kann erreicht werden, indem die Teilchenanordnung ein wenig entlang einer diagonalen Richtung in Bezug auf die x- und y-Achsen versetzt werden. In einem derartigen Fall wird jedes Kornteilchen so versetzt, dass in der Quadrat-Anordnung der Punkt (x, y) jetzt zu (x+0.1y, y+0.1x) wird. Dies verbessert die "Punktedichte" entlang beider Achsen um einen Faktor von x 10, die Punkte sind jetzt x 10 dichter aneinander. Jedoch ist die Anordnung immer noch geordnet und wird als solche die ungewünschten, periodischen Schwingungen beim Betreiben des Schleifwerkzeugs erzeugen.
3, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt und mit dem oben beschriebenen Makro erzeugt worden ist, zeigt eine Verteilung von 100 zufällig definierten Koordinatenpunkten auf einem 10 × 10-Raster, das eine Beschränkung dahingehend aufweist, dass keine zwei Punkte dichter als 0.5 aneinander sein sollen. Die Anzahl der Zufallspunkte, die auf einem 10 × 10-Raster als eine Funktion des minimal erlaubten Punktabstandes angeordnet werden können, ist in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die Anzahl der Punkte, die als eine Funktion des minimalen Punktabstands angeordnet sind. Wenn 1000 aufeinander folgende Versuche, einen Punkt anzuordnen, fehlgeschlagen sind, wurden die Berechnungen beendet.
Es ist zu beachten, das der Raum in der 3 nicht voll ist und dass er nur 100 Punkte zeigt, jedoch kann der Raum (im Mittelwert) noch weitere 157 Punkte mit einem minimalen Punktabstand von 0.5 aufnehmen. Nachdem der größte Durchmesser der Schleifkörner definiert worden ist, kann die maximale Kornkonzentration für eine vorgegebene planare Fläche leicht bestimmt werden.
4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung und zeigt eine aufgetragene Anordnung, die mit dem oben beschriebenen Makro erzeugt worden ist. Das Raster der in 4 gezeigten kartesischen Koordinatenpunkte erzeugt eine gleichförmige Punktdichte entlang der x- und y-Achsen. Die Punkte sind aus zwei Sätzen von entkoppelten Koordinatenpunktwerten (x) und (y) zufällig ausgewählt, wobei die x-Achsenwerte einer geordneten, nummerierten Folge und die y-Achsenwerte einer geordneten, nummerierten Folge folgen. Da sie aus entkoppelten und zufällig wieder zugeordneten Paaren von x-, y-Werten erzeugt worden ist, stellt diese Raumanordnung eine bedeutende Abweichung von sowohl der geordneten Gitteranordnung als auch einer zufälligen Anordnung dar. Das Schaubild in 4 enthält die weitere Beschränkung einer Anforderung eines ausschließenden Bereichs, wobei keine zwei Punkte innerhalb eines bestimmten Abstandes zueinander sein sollen, in diesem Fall 0.7.
Die in 4 gezeigte Punktverteilung wurde wie folgt erzielt:

a) Eine Liste von x-Punkten und eine Liste von y-Punkten wurde hergestellt. In diesem Fall waren beide 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, ..., 9.9.
b) Eine Zufallszahl wurde jedem x- und jedem y-Wert zugeordnet. Die Zufallszahlen wurden in einer abnehmenden Reihenfolge zusammen mit ihren zugeordneten x- oder y-Werten sortiert. Dieser Schritt ordnet die x-Punkte und die y-Punkte lediglich zufallsbasiert an.
c) Der erste (x, y) Punkt wurde ausgewählt und auf dem Raster angeordnet. Ein zweiter (x_i, y_i) Punkt wurde ausgewählt.
f) Der Punkt (x_i, y_i) wurde dem Gitter nur dann hinzugefügt, wenn er weiter als ein bestimmter spezifizierter Abstand von einem beliebigen bestehenden Punkt in dem Gitter entfernt war.
g) Wenn der Punkt (x_i, y_i) dem Abstandskriterium nicht entsprach, wurde er zurückgewiesen und der Punkt (x_i, y_j) ausprobiert. Ein Gitter wurde nur als akzeptabel angesehen, wenn alle diese Punkte angeordnet werden konnten.

Mit einem auf 0.1 gesetzten Schrittabstand in x und y wurde herausgefunden, dass ein Gitter im ersten Versuch akzeptiert wurde, wenn der minimale Punktabstand 0.4 oder weniger war. Wenn der minimale Punktabstand 0.5 oder 0.6 war, war eine Anzahl von Versuchen notwendig, um alle Punkte zu platzieren. Der maximale Ab stand, der es ermöglichte, alle Punkte zu platzieren, war 0.7, und häufig waren mehrere hundert Versuche notwendig, bevor alle Punkte platziert waren.
5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, erzeugt mit einem Makro ähnlich dem Makro, das zum Erzeugen der 4 benutzt wurde; jedoch wurde die Verteilung der Punkte in 5 mit Polarkoordinaten r, θ erzeugt. Ein Ring wurde als die planare Fläche ausgewählt, und Punkte wurden in der Anordnung so platziert, dass eine beliebige, von dem Mittelpunkt (0.0) gezogene radiale Linie eine gleichförmige Punktverteilung durchschneidet.
Weil die radiale Dimension die Anordnung von mehr Punkten in der Nähe des Mittelpunktes des Ringes liegt und weniger Punkte in der Nähe des Umfangs des Rings und weil der Umfang eine größere Fläche als den Mittelpunkt umspannt, ist die Dichte der Punkte pro Einheitsfläche nicht gleichförmig. In einem Werkzeug, das mit einer derartigen Anordnung hergestellt wird, werden die näher am Umfang angeordneten Schleifkörner eine größere Fläche zu schleifen haben und werden sich rascher abnutzen. Um einen derartigen Nachteil zu vermeiden und um eine gleichmäßig dichte Schleifkornverteilung zu erzeugen, kann eine zweite, kartesische Anordnung erzeugt werden und der Anordnung in Polarkoordinaten überlagert werden. Ein Makro und eine Anordnung von der in 3 veranschaulichten Art kann für diesen Zweck verwendet werden. Mit der Beschränkung des ausschließenden Bereichs wird die überlagerte kartesische Anordnung es vermeiden, Punkte in der dicht besetzten mittleren Fläche des Rings anzuordnen, sondern wird die offenen Flächen näher am Umfang gleichförmig ausgefüllt.
Die relativen Verteilungen der geschnittenen Werte, die als Diamantformen in den verschiedenen, in den Figuren gezeigten Schaubildern gezeigt sind, können miteinander verglichen werden, um die Werkzeug-Leistungsfähigkeit für Schleifwerkzeuge, die beim Schleifen in einem linearen Pfad bewegt werden, vorherzusagen. Ein Schleifwerkzeug mit mehreren Körnern, die auf einem (oder mehreren) identischen Schnittwerten liegen, werden einen Pfad mit unausgeglichener Abdeckung ablegen (beispielsweise das Werkzeug aus dem Stand der Technik der 2). Es werden sich Lücken einstreuen in der Schleifwirkung mit Schleifspuren, die zu tiefen Gräben geworden sind und als Folge davon dieselbe Stelle überqueren. Daher weisen die diamantförmigen Punkte entlang der Achsen in den 1 bis 4 darauf hin, wie Schleifwerkzeuge arbeiten bzw. was sie leisten, wenn sie in einer linearen Richtung über die Ebene eines Werkstücks bewegt werden. Die 1 und 2, die Werkzeuge nach dem Stand der Technik darstellen, weisen Klumpen und Lücken unter den diamantförmigen Schnittwerten auf. Die 3 bis 4, die die Erfindung veranschaulichen, weisen relativ wenige, falls überhaupt, Klumpen oder Lücken unter den diamantförmigen Schnittwerten auf. Aus diesem Grund können Werkzeuge, die mit der in den 3 bis 5 gezeigten Schleifkornanordnungen hergestellt sind, Oberflächen auf einen glatten, gleichförmigen, relativ fehlerfreien Oberflächen- Zustand schleifen.
Die Größe des ausschließenden Bereichs um jedes Korn herum kann von Korn zu Korn variieren und braucht nicht derselbe Wert zu sein (das heißt der Mindestwert (k), der den Abstand zwischen dem Mittelpunkt von benachbarten Körnern festlegt, kann eine Konstante oder eine Variable sein). Um einen ausschließenden Bereich zu erzeugen, muss der Mindestwert (k) den maximalen Durchmesser des gewünschten Größenbereichs der Schleifkörner übersteigen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mindestwert (k) mindestens 1,5-mal der maximale Durchmesser des Schleifkorns. Der Mindestwert (k) muss jeden Oberflächenkontakt von Korn-zu-Korn vermeiden und Kanäle zwischen den Körnern bereitstellen, die in ihrer Größe ausreichend groß dimensioniert sind, um das Entfernen von Schleifrückständen von den Körnern und der Werkzeugoberfläche zu ermöglichen. Die Abmessung der ausschließenden Zone wird durch die Art des Schleifvorgangs vorgegeben, wobei Arbeitsmaterialien, die große Späne erzeugen, Werkzeuge mit größeren Kanälen zwischen benachbarten Schleifkörnern und größeren Abmessungen des ausschließenden Bereichs benötigen als Arbeitsmaterialien, die feine Späne erzeugen.
Herstellen eines Schleifwerkzeugs unter Verwendung eines Schaubilds einer selbstvermeidenden Anordnung
Die zweidimensionale Anordnung der gesteuerten Zufallspunkte kann auf einen Werkzeugträger oder auf eine Vorlage für die Anordnung von Schleifkörnern durch eine Vielzahl von Techniken und Apparaten übertragen werden. Diese schlossen beispielsweise ein: automatisierte Robotersysteme zum Orientieren und Anordnen von Objekten, grafische Bilder (beispielsweise CAD-Entwürfe), Übertragungen auf Laserschneide- oder chemische Photolack-Ätz-Apparatur zum Herstellen von Vorlagen oder Modellformen, Laser- oder Photolack-Apparatur für Direktaufbringungen der Anordnung auf einem Werkzeugträger, einer automatisierten Klebepunkt-Verteil- bzw. -Abgabe-Apparatur, einem mechanischen Stanz-Apparatur und dergleichen.
Wie in dieser Druckschrift verwendet, bezeichnet "Werkzeugträger" eine mechanische Unterschicht, Trägerkörper oder Rand bzw. Randzone, auf der die Anordnung der Schleifkörner angehaftet wird. Ein Werkzeugträger kann aus vielfältigen Vorformen von starren Werkzeugen und flexiblen Unterschichten ausgewählt wer den. Substrate, die Vorformen von starren Werkzeugen sind, weisen vorzugsweise eine geometrische Form mit einer Dreh-Symmetrieachse auf. Die geometrische Form kann einfach sein oder sie kann komplex sein, dadurch dass sie eine Vielzahl von geometrischen Formen, die entlang der Drehachse zusammengesetzt sind, enthalten kann. In diesen Kategorien von Schleifwerkzeugen umfassen bevorzugte geometrische Formen oder Arten von Vorformen von starren Werkzeugen Scheiben, Randzonen, Ringe, Zylinder und stumpfkegelige Formen, zusammen mit Kombinationen von diesen Formen. Diese Vorformen von starren Werkzeugen können hergestellt sein aus Stahl, Aluminium, Wolfram oder anderen Metallen und Metalllegierungen und Zusammensetzungen von diesen Materialien mit beispielsweise keramischen oder polymerischen Materialien und anderen Materialien mit ausreichender Abmessungs-Stabilität zur Verwendung beim Herstellen von Schleifwerkzeugen.
Flexible Unterschicht-Substrate enthalten Beläge, Folien, Gewebe, Vliesstoff-Bögen, Netzgewebe, Siebe, perforierte Streifen und Laminate sowie Kombinationen aus diesen, zusammen mit jeder anderen Art von Unterschichten, die im Stand der Technik zum Herstellen von Schleifwerkzeugen bekannt sind. Die flexiblen Unterschichten können in der Form von Riemen, Scheiben, Bögen, Kissen, Rollen, Bändern oder anderen Formen, so wie die beispielsweise für beschichtete Schleif(Sandpapier)Werkzeuge sein. Diese flexiblen Unterschichten können aus flexiblem Papier, Polymer- oder Metallbögen, Folien oder Laminaten aufgebaut sein. Schleifkörner können an dem Werkzeugträger durch eine Vielzahl von Schleifverbindungsmaterialien angehaftet sein, so wie sie in der Herstellung von verbundenen oder beschichteten Schleifwerkzeugen bekannt sind. Bevorzugte abrasive Verbindungsmaterialien enthalten Klebstoff-Materialien, Hartlöt-Materialien, Galvanik-Materialien, elektromagnetische Materialien, elektrostatische Materialien, verglaste Materialien, Metallpulver-Verbundmaterialien, Polymer-Materialien und Harz-Materialien, sowie Kombinationen aus diesen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anordnung von nichtangrenzenden Punkten auf den Werkzeugträger angewendet oder aufgedruckt werden, so dass die Schleifkörner direkt mit dem Träger verbunden sind. Eine direkte Übertragung der Anordnung auf das Substrat kann ausgeführt werden, indem eine Anordnung von Klebetropfen oder metallische Lötpastentropfen auf dem Substrat angeordnet werden und dann auf jedem Tropfen ein Schleifkorn zentriert wird. In einer alternativen Technik kann ein Roboterarm benutzt werden, um eine Anordnung von Schleifkörnern aufzunehmen, wobei ein einzelnes Korn an jedem Punkt der Anordnung gehalten wird, und dann kann der Roboterarm die Anordnung der Körner auf einer Werkzeugoberfläche, die mit einer Oberflächenschicht aus Klebstoffpaste oder metallischer Lötpaste vorbeschichtet worden ist, platzieren. Die Klebstoffpaste oder die metallische Lötpaste fixiert die Schleifkörner vorübergehend auf ihrer Position bis das Bauteil weiterverarbeitet worden ist, um den Mittelpunkt jedes Schleifkorns auf jedem Punkt der Anordnung permanent zu befestigen.
Geeignete Klebstoffe für diesen Zweck umfassen beispielsweise Epoxy, Polyurethan, Polyimid und Acrylat-Zusammensetzungen und Modifizierungen und Kombinationen aus diesen. Bevorzugte Klebstoffe weisen nicht-Newton'sche Eigenschaften (Struktur-Viskose) auf, um während des Platzierens der Tropfen oder Beschichtungen einen ausreichenden Fluss zu erlauben, und dennoch den Fluss zu hemmen, um die Lagegenauigkeit der Schleifkornanordnung aufrecht zu erhalten. Die Merkmale der offenen Wartezeit beim Kleben können so gewählt werden, dass sie an den Zeitablauf der verbleibenden Herstellungsschritte angepasst sind. Schnell aushärtende Klebstoffe (beispielsweise mit einem UV-Strahlungshärter) werden für die meisten Herstellungsvorgänge bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Microdrop^®-Apparatur, die von der Microdrop GmbH, Norderstedt, Deutschland, erhältlich ist, verwendet werden, um eine Anordnung von Klebetropfen auf der Oberfläche des Werkzeugträgers niederzuschlagen.
Die Oberfläche des Werkzeugträgers kann eingekerbt oder angeritzt sein, um die direkte Anordnung der Schleifkörner auf den Punkten der Anordnung zu unterstützen.
In einer Alternative um die Bestückung der Anordnung auf dem Werkzeugträger zu führen, kann die Anordnung auf eine Vorlage übertragen oder aufgedruckt werden und Schleifkörner auf die Anordnung der Punkte auf der Vorlage angehaftet werden. Die Körner können durch permanente oder vorübergehende Mittel auf der Vorlage angehaftet werden. Die Vorlage dient entweder als ein Halter für Körner, die auf der Anordnung ausgerichtet werden, oder als ein Mittel für die permanente Anordnung der Körner in dem endgültigen Bauteil des Schleifwerkzeugs.
In einem bevorzugten Verfahren wird auf der Vorlage eine Anordnung von Vertiefungen oder Perforierungen entsprechend der gewünschten Anordnung eingeschrieben, und Schleifkörner werden auf der Vorlage vorübergehend befestigt mittels eines vorübergehenden Haftvermittlers oder durch Anlegen eines Vakuums oder durch eine elektromagnetische Kraft oder durch eine elektrostatische Kraft, oder durch andere Mittel, oder durch eine Kombination oder eine Reihe von Mitteln. Die Schleifkorn-Anordnung kann von der Vorlage auf die Oberfläche des Werkzeugträgers entfernt werden und die Vorlage dann entfernt werden, während sichergestellt wird, dass die Körner an ausgewählten Punkten der Anordnung zentriert bleiben, so dass das gewünschte Raster der Punkte auf dem Träger erzeugt wird.
In einer zweiten Ausführungsform kann eine gewünschte Punktanordnung von Positionsklebern (beispielsweise ein wasserlöslicher Kleber) auf einer Vorlage erzeugt werden (mittels einer Maske oder einer Anordnung von Mikrotröpfchen) und dann kann auf jedem Punkt des Positionsklebers ein Schleifkorn zentriert werden. Die Vorlage wird dann auf einem mit einem Verbindungsmaterial (beispielsweise einem wasserunlöslichen Klebstoff) beschichteten Werkzeugträger platziert und das Korn wird von der Vorlage abgelöst. In dem Fall einer aus einem organischen Material hergestellten Vorlage kann der Zusammenbau bzw. das Bauteil thermisch behandelt werden (beispielsweise bei 700 bis 950°C) um die Metallverbindung, die zum Anhaften der Körner auf dem Träger verwendet wird, zu löten oder zu sintern, wobei die Vorlage und der Positionsklebstoff durch thermischen Abbau entfernt wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Anordnung der Körner, die auf der Vorlage angehaftet sind, gegen die Vorlage angedrückt werden, um die Kornanordnung entsprechend der Höhe gleichförmig auszurichten und dann kann die Anordnung mit dem Werkzeugträger verbunden werden, so dass die Spitzen der verbundenen Körner auf einer im Wesentlichen gleichförmigen Höhe gemessen von dem Werkzeugträger sind. Geeignete Techniken zum Ausführen dieses Vorganges sind im Stand der Technik bekannt und beschrieben, beispielsweise in den US-Patent-Nr. A-6,159,087, A-6,159,286 und 6,368,198 B1.
In einer alternativen Ausführungsform werden Schleifkörner auf der Vorlage permanent befestigt und das Schleifkorn/Vorlagebauteil wird auf dem Werkzeugträger mit einer Klebeverbindung, Lötverbindung, galvanischen Verbindung oder durch andere Mittel montiert. Geeignete Techniken zum Ausführen dieses Vorganges sind im Stand der Technik bekannt und offenbart, beispielsweise in den US-Patent-Nr. A-4,925,475, A-5,131,924, A-5,817,204, A-5,980,678, A-6,159,286, 6,286,498 B1 und 6,368,198 B1.
Andere geeignete Techniken zum Montieren von Schleifwerkzeugen, die mit der selbst-vermeidenden Schleifkornanordnungen nach der Erfindung hergestellt werden, sind in den US-Patent-Nr. A-5,380,390 und A-5,620,489 offenbart.
Die oben beschriebenen Techniken zum Herstellen von Schleifwerkzeugen, die in kontrollierten, zufälligen Raumanordnungen angeordnete, nicht-angrenzende Schleifkörner eingebaut haben, können bei der Herstellung von vielen Kategorien von Schleifwerkzeugen eingesetzt werden. Unter diesen Werkzeugen sind Abdreh- bzw. Abrichtwerkzeuge oder Konditionierungswerkzeuge für CMP-Kissen, Werkzeuge für den Rückschliff von elektronischen Bauteilen, Schleif- und Polierwerkzeuge für Augenvorgänge wie die Endbearbeitung von Linsenoberflächen und Rändern, Abrichträder und Scheibenabrichter zum Aufpolieren der Arbeitsfläche von Schleifrädern, Schleifmühlenwerkzeuge, komplexe geometrische super-abrasive Werkzeuge (beispielsweise galvanisierte CBN-Kornräder für Hochgeschwindigkeits-Kriechgang-Schleifen), Schleifwerkzeuge für grobes Schleifen von "kurzspanenden" Materialien, wie Si3N4, die eine Tendenz aufweisen, feine, leicht zusammengepackte Abschleifpartikel zu erzeugen, die Schleifwerkzeuge verstopfen, und Schleifwerkzeuge, die zum Endbearbeiten von "langspanenden" Materialien verwendet werden wie Titan, Inconel-Legierungen, hoch-zugfeste Stähle, Messing und Kupfer, die eine Tendenz aufweisen, gummiartige Späne auszubilden, die die Oberfläche des Schleifwerkzeugs verschmieren.
Derartige Werkzeuge können mit beliebigen im Stand der Technik bekannten Schleifkörnern hergestellt werden, einschließlich beispielsweise Diamant, kubisches Bor-Nitrit (CBN), Bor-Suboxid, verschiedenartige Aluminiumkörner wie Elektrokorund, gesinterte Tonerde, entkernte oder nicht-entkerntes gesintertes Sol-Gel-Aluminium-Tonerde, mit oder ohne zugefügten Modifikatoren, Ton-Zirkon-Erde-Körner, Oxy-Nitrit-Tonerde-Körner, Silizium-Karbid, Wolfram-Karbid und Modifikationen und Kombinationen aus diesen.
Wie hierin verwendet, bezeichnet "Schleifkorn" ein einzelnes abschleifendes Korn bzw. Schrot, Schneidpunkte und Zusammensetzungen, die eine Vielzahl von abschleifenden Körnern umfassen, und Kombinationen aus diesen. Jede beim Herstellen von Schleifmitteln verwendete Verbindung kann eingesetzt werden, um die Anordnung der Schleifkörner mit der Werkzeugoberfläche oder der Vorlage zu verbinden. Beispielsweise umfassen geeignete Metallverbindungen, wie Bronze, Nickel, Wolfram, Kobalt, Eisen, Kupfer, Silber und Legierungen und Kombinationen aus diesen. Metallverbindungen können in der Form einer Lötung, einer galvanisierten Schicht, einem Presskörper oder einer Matrix aus gesintertem Metallpulver, einem Lötmetall, oder Kombinationen aus diesen, zusammen mit optionalen Zusatzstoffen wie einem sekundären Infiltranten, Hartfüllteilchen und anderen Zusatzstoffen zum Verbessern der Herstellung oder der Leistungsfähigkeit sein. Geeignete Harze oder organische Verbindungen enthalten Epoxy-, Phenol-, Polyimid- und andere Materialien, und Kombinationen aus Materialien, die im Stand der Technik von befestigten und beschichteten Schleifkörnern zum Herstellen von Schleifwerkzeugen verwendet werden. Verglaste Verbindungsmaterialien, wie Glasvorstufen-Mischungen, pulverförmige glasartige Weißporzellanmasse, keramische Pulver und Kombinationen aus diesen, können in Kombination mit einem Klebverbindungsmaterial verwendet werden. Diese Mischung kann als eine Abdeckschicht auf einem Werkzeugträger aufgebracht oder als eine Matrix von Tropfen auf dem Substrat aufgebracht werden, beispielsweise in der Art und Weise, die in JP 99201524 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
Beispiel 1
Ein CMP-Kissen-Konditionierwerkzeug mit selbst-vermeidender Schleifkornanordnung wird hergestellt, indem zunächst ein scheibenförmiges Stahlsubstrat (runde Platte mit 4 inch Durchmesser, 0.3 inch dick) mit einer Lötpaste beschichtet wird. Die Lötpaste enthält ein Löt-Füllmaterial-Legierungspulver (LM Nicrobraz^®, bezogen von Wall Colmonoy Corporation) und ein lösemittelfreies, flüchtiges, organisches Bindemittel (Vitta Löt-Gel-Bindemittel, Englisch: Braze-Gel binder, bezogen von Vitta Corporation), der 85 Gew.% Binder und 15 Gew.% Tripropylenglykol enthält. Die Lötpaste enthält 30 Vol.% Bindemittel und 70 Vol% Metallpulver. Lötpaste wird auf der Scheibe mit einer gleichförmigen Dicke von 0.008 inch mittels einer Schaberplatte beschichtet.
Diamantschleifkörner (100/200 Maschenweite, FEPA Größe D 151, MBG 660 Diamant, bezogen von GE Corporation, Worthington, Ohio) wird auf einen mittleren Durchmesser von 151/139 Mikrometer gesiebt. Ein Vakuum wird auf einen Hebearm, der mit einer 4 inch, scheibenförmigen Stahlvorlage, die das in 4 veranschaulichte, selbst-vermeidende Anordnungsraster trägt, ausgestattet ist, angewendet. Das Raster ist als eine Anordnung von Perforierungen, die in ihrer Größe 40 – 50 % kleiner ausgelegt sind als der mittlere Durchmesser der Schleifkörner, ausgebildet. Die auf dem Hebearm montierte Vorlage wird über den Diamantkörnern positioniert, ein Vakuum wird angewendet zum Anhaften der Diamantkörner an jeder Perforation, überschüssige Körner werden von der Vorlagenoberfläche abgebürstet, so dass nur ein Diamant in jeder Perforierung übrig bleibt und die Diamanten tragende Vorlage wird über dem mit Lötmittel beschichteten Werkzeugträger positioniert. Das Vakuum wird ausgeschaltet, nachdem jeder Diamant mit der Oberfläche der Lötpaste berührt worden ist, während die Paste immer noch nass ist, wodurch die Anordnung der Diamanten auf die Lötpaste übertragen wird. Die Paste bindet die Anordnung der Diamanten vorübergehend, wobei die Körner für weitere Verarbeitung am richtigen Ort befestigt werden. Das zusammengesetzte Werkzeug wird dann bei Raumtemperatur getrocknet und in einem Vakuumofen für 30 Minuten auf einer Temperatur von etwa 980 – 1060°C gelötet, um die Anordnung der Diamanten permanent mit dem Substrat zu verbinden.
Beispiel 2
Ein Diamant-Rad (Typ 1A1-Rad; 100 mm Durchmesser, 20 mm dick mit einer 25 mm-Bohrung) für Augen-Grobschleif-vorgänge mit einer pseudo-zufälligen Verteilung einer einzelnen Schicht von Diamantschleifkörnern entsprechend den in 3 veranschaulichten, selbst-vermeidenden Anordnungsmuster wird in der folgenden Art und Weise hergestellt. Eine von zwei Methoden wird für die Übertragung der Anordnung auf den Werkzeugträger (Vorform) verwendet.
Verfahren A:
Unter Verwendung des Abdrucks der Schleifkornanordnung der 3 werden in einem klebenden Abdeckband (wasserlöslich) durch Photolack-Technologie Löcher mit einem bis zu 1,5-mal größerem Durchmesser als dem mitteleren Korndurchmesser erzeugt und dann wird das Band auf der Arbeitsoberfläche einer scheibenförmigen Vorform eines Werkzeugs aus rostfreiem Stahl, das mit einem (wasserunlöslichen) Klebstoff beschichtet worden ist, befestigt, so dass der wasserunlösliche Klebstoff durch die Löcher der Maske bloßliegt. Schleifkörner aus Diamant (FEPA D251; 60/70 US Maschenweite Korngröße; mittlerer Durchmesser von 250 Mikrometern; Diamanten bezogen von GE Corporation, Worthington, Ohio) werden in die Löcher des Abdeckbandes angeordnet und mittels des bloßliegenden, wasserunlöslichen Klebstoffs, der die Vorform beschichtet, angehaftet. Das Abdeckband wird dann von der Vorform abgewaschen.
Der Trägerkörper wird auf einem Schaft aus rostfreiem Stahl montiert und elektrisch kontaktiert. Nach Kathoden-Entfettung wird das Bauteil in einem galvanischen Beschichtungsbad eingetaucht (ein Nickelsulfat enthaltendes Watt's Elektrolyt). Eine Metallschicht wird elektrolytisch bis zu einer mittleren Dicke von 10 – 15 % des Durchmessers der angehafteten Schleifkörner aufgebracht. Das Bauteil wird dann aus dem Behälter entfernt und in einem zweiten Galvanisierschritt wird eine allumfassende Nickelschichtdicke von 50 – 60 % der mittleren Korngröße aufgebracht. Der Zusammenbau wird abgespült und das überzogene Werkzeug mit einer einzelnen Schicht von pseudo-zufälligen Verteilung von Schleifkörnern wird von dem Schaft aus rostfreiem Stahl entfernt.
Verfahren B
Die Werte des Koordinatensatzes in 3 werden direkt auf eine scheibenförmige Vorform eines Werkzeugs in der Form einer Anordnung von klebenden Micro-Tröpfchen übertragen. Die Vorform des Werkzeugs wird auf einem Positioniertisch angeordnet, der mit einer Drehachse ausgestattet ist (Microdrop Apparatur, bezogen von Microdrop GmbH, Norderstedt, Deutschland), der zum exakten Platzieren von Klebetropfen (einer UV-härtenden, modifizierten Acrylat-Zusammensetzung) durch ein Mikro-Dosier-System entworfen ist, wie in EP 1208945 A1 beschrieben. Jeder Klebetropfen hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der mittlere Durchmesser (250 Mikrometer) der Schleifkörner aus Diamant. Nachdem die Mitte eines Diamantkorns auf jeden Tropfen des Klebstoffs platziert worden ist und der Klebstoff aushärten gelassen worden ist und die Kornanordnung auf der Vorform angehaftet ist, wird die Werkzeug-Vorform auf einem Schaft aus rostfreiem Stahl montiert und elektrisch kontaktiert. Nach Kathoden-Entfettung wird der Zusammenbau eingetaucht in ein elektrolytisches Beschichtungsbad (ein Nickelsulfat enthaltendes Watt's Elektrolyt) und eine Metallschicht mit einer mittleren Dicke von 60 % des Durchmessers der angehafteten Korngröße wird aufgebracht. Der Werkzeugzusammenbau wird dann aus dem Behälter entfernt, gespült, und ein galvanisch beschichtetes Werkzeug mit einer Einzelschicht von Schleifkörnern, die in der in 3 gezeigten Anordnung angeordnet sind, wird von dem Schaft aus rostfreiem Stahl entfernt.
Zusammenfassung
Schleifwerkzeuge umfassen Schleifkörner, die in einer Anordnung nach einem nichtgleichförmigen Muster mit einer ausschließenden Zone um jedes Schleifkorn herum angeordnet sind, und die ausschließende Zone weist eine Mindestabmessung auf, die den maximalen Durchmesser des gewünschten Strahlgut-Größenbereichs für die Schleifkörner übersteigt. Verfahren zum Entwerfen einer derartigen selbstvermeidenden Anordnungen von Schleifkörnern und zum Übertragen einer derartigen Anordnung auf ein Schleifwerkzeugteil werden beschrieben.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen von Schleifwerkzeugen mit einem definierten, ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum, umfassend die Schritte: (a) Definieren einer zweidimensionalen, planaren Fläche mit einer festgelegten Größe und Form; (b) Definieren einer gewünschten Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration für die planare Fläche; (c) zufälliges bzw. zufallsbasiertes Erzeugen einer Reihe von zweidimensionalen Koordinatenwerten; (d) Beschränken jedes Paares der zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwerte auf Koordinatenwerte, die sich von beliebigen benachbarten Paare von Koordinatenwerten um einen Mindestwert (k) unterscheiden; (e) Erzeugen einer Anordnung der beschränkten, zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwerte mit ausreichend vielen Paaren, als Punkte in einer grafischen Darstellung aufgetragen, um die gewünschte Schleifkorn-Konzentration für die festgelegte, zweidimensionale, planare Fläche und die festgelegte Schleifkorn-Korngröße zu erbringen; und (f) Zentrieren eines Schleifkorns auf jedem Punkt in der Anordnung.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der Anordnung der Schleifkörner mit einem abrasiven Verbindungsmaterial, um an jedem Punkt der Anordnung ein Schleifkorn zu befestigen.
Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der Anordnung der Schleifkörner mit einem Substrat, zum Ausbilden eines Schleifwerkzeugs.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: eine Vorform eines starren Werkzeugs und eine flexible Unterschicht, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Vorform des starren Werkzeugs eine geometrische Form mit einer Dreh-Symmetrieachse aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die geometrische Form der Vorform des starren Werkzeugs ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Scheibe, Randzone, Ring, Zylinder und stumpfkegelige Formen, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die flexible Unterschicht ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Beläge, Folien, Gewebe, Vliesstoff-Bögen, Netzgewebe, Siebe, perforierte Bögen, Laminate und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei die flexible Unterschicht umgewandelt wird in eine Form, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Riemen, Scheiben, Bögen, Kissen, Rollen und Bänder.
Das Verfahren nach Anspruch 2 umfassend die Schritte: (a) Aufdrucken der Anordnung der beschränkten, zufällig erzeugten Koordinatenwerte, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Darstellung, auf einen Werkzeugträger; und (b) Befestigen eines Schleifkorns an jedem Punkt der Anordnung auf dem Werkzeugträger mit einem abrasiven Verbindungsmaterial.
Das Verfahren nach Anspruch 2, umfassend die Schritte: (a) Aufdrucken der Anordnung der beschränkten, zufällig erzeugten Koordinatenwerte, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Darstellung, auf eine Vorlage; (b) Befestigen eines Schleifkorns an jedem Punkt der Anordnung auf der Vorlage zum Ausbilden einer Schleifkornanordnung; (c) Übertragen der Schleifkornanordnung auf einen Werkzeugträger; und (d) Anhaften der Schleifkornanordnung auf dem Werkzeugträger mit einem abrasiven Verbindungsmaterial.
Das Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt des Entfernens der Vorlage von dem Werkzeugträger.
Das Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der die Anordnung der Schleifkörner tragenden Vorlage mit dem Werkzeugträger zum Ausbilden des Schleifwerkzeugs.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei das abrasive Verbindungsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Klebstoff-Materialien, Hartlöt-Materialien, Galvanik-Materialien, elektromagnetische Materialien, elektrostatische Materialien, verglaste Materialien, Metallpulver-Verbundmaterialien, Polymer-Materialien und Harz-Materialien, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anordnung durch einen Satz kartesischer Koordinaten (x, y) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anordnung durch einen Satz von Polar-Koordinaten (r, θ) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Anordnung ferner durch einen Satz kartesischer Koordinaten (x, y) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mindestwert (k) den maximalen Durchmesser der Schleifkörner übersteigt.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Mindestwert (k) mindestens 1,5-mal der maximale Durchmesser der Schleifkörner ist.
Das Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt des Umwandelns der Schleifkornanordnung von einer zweidimensionalen Struktur in eine dreidimensionale Struktur durch Aufrollen der Schleifkornanordnung zu einer konzentrischen Rolle.
Ein Verfahren zum Herstellen von Schleifwerkzeugen mit einem definierten, ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum, umfassend die Schritte: (a) Definieren einer zweidimensionalen planaren Fläche mit einer festgelegten Größe und Form; (b) Definieren einer gewünschten Schleifkorn-Korngröße und -Konzentration für die planare Fläche; (c) Definieren einer Reihe von Koordinatenwertepaaren (x₁, y₁), so dass die Koordinatenwerte entlang mindestens einer Achse auf eine numerische Folge beschränkt sind, wobei sich jeder Wert von dem nächsten Wert um einen konstanten Betrag unterscheidet; (d) Entkoppeln jedes definierten Koordinatenwertepaares (x₁, y₁) zum Erbringen eines Satzes von definierten x-Werten und eines Satzes von definierten y-Werten; (e) zufälliges bzw. zufallsbasiertes Auswählen aus den Sätzen der x- und y-Werte einer Reihe von zufälligen Koordinatenwertepaaren (x, y), wobei jedes Paar Koordinatenwerte aufweist, die sich von den Koordinatenwerten von jedem beliebigen benachbarten Koordinatenwertepaar um einen Mindestwert (k) unterscheiden; (f) Erzeugen einer Anordnung von zufällig ausgewählten Koordinatenwertepaaren mit ausreichend vielen Paaren, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Darstellung, zum Erbringen der gewünschten Schleifkorn-Konzentration für die festgelegte zweidimensionale Fläche und die festgelegte Schleifkorn-Korngröße; und (g) Zentrieren eines Schleifkorns auf jedem Punkt der Anordnung.
Das Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der Anordnung von Schleifkörnern mit einem abrasiven Verbindungsmaterial, um an jedem Punkt der Anordnung ein Schleifkorn zu befestigen.
Das Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der Anordnung der Schleifkörner mit einem Träger zum Ausbilden eines Schleifwerkzeugs.
Das Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: eine Vorform eines starren Werkzeugs und eine flexible Unterschicht und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Vorform des starren Werkzeugs eine geometrische Form mit einer Dreh-Symmetrieachse aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die geometrische Form der Vorform eines starren Werkzeugs ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Scheibe, Randzone, Ring, Zylinder und stumpfkegelige Formen, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die flexible Unterschicht ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Beläge, Folien, Gewebe, Vliesstoff-Bögen, Netzgewebe, Siebe, perforierte Bögen, Laminate und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die flexible Unterschicht umgewandelt wird in eine Form, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Riemen, Scheiben, Bögen, Kissen, Rollen und Bänder.
Das Verfahren nach Anspruch 21, umfassend die Schritte: a) Aufdrucken der Anordnung der beschränkten, zufallsbasiert erzeugten Koordinatenwertepaare, aufgetragen als Punkte einer grafischen Darstellung, auf einem Werkzeugträger; und b) Befestigen eines Schleifkorns an jedem der Anordnung auf dem Werkzeugträger mit einem abrasiven Verbindungsmaterial.
Das Verfahren nach Anspruch 21, umfassend die Schritte: a) Aufdrucken der Anordnung der begrenzten, zufällig erzeugten Koordinatenwerte, aufgetragen als Punkte einer grafischen Darstellung, auf einer Vorlage; b) Befestigen eines Schleifkorns an jedem Punkt der Anordnung auf der Vorlage zum Ausbilden einer Schleifkornanordnung; c) Übertragen der Schleifkornanordnung auf einen Werkzeugträger; und d) Anhaften der Schleifkornanordnung auf dem Werkzeugträger mit einem abrasiven Verbindungsmaterial.
Das Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend den Schritt des Entfernens der Vorlage von dem Werkzeugträger.
Das Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend den Schritt des Verbindens der die Anordnung der Schleifkörner tragenden Vorlage auf dem Werkzeugträger zum Ausbilden des Schleifwerkzeugs.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei das abrasive Verbindungsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Klebstoff-Materialien, Hartlöt-Materialien, Galvanik-Materialien, elektromagnetische Materialien, elektrostatische Materialien, verglaste Materialien, Metallpulver-Verbundmaterialien, Polymer-Materialien und Harz-Materialien, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Anordnung durch einen Satz kartesischer Koordinaten (x, y) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Anordnung durch einen Satz von Polarkoordinaten (r, θ) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Anordnung ferner durch einen Satz kartesischer Koordinaten (x, y) festgelegt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Mindestwert (k) den maximalen Durchmesser der Schleifkörner übersteigt.
Das Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Mindestwert (k) mindestens 1,5-mal der maximale Durchmesser der Schleifkörner ist.
Das Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend den Schritt des Umwandelns der Schleifkornanordnung von einer zweidimensionalen Struktur in eine dreidimensionale Struktur durch Aufrollen der Schleifkornanordnung zu einer konzentrischen Rolle.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schleifkorn ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: einzelne abrasive Strahlgüter, Bearbeitungspunkte und Gemische mit einer Vielzahl von Strahlgütern, und Kombinationen davon.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Schleifkorn ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: einzelne abrasive Strahlgüter, Bearbeitungspunkte und Gemische mit einer Vielzahl von abrasiven Strahlgütern, und Kombinationen davon.
Ein Schleifwerkzeug mit Schleifkörnern, einer Verbindung und einem Träger, wobei die Schleifkörner einen ausgewählten maximalen Durchmesser und einen definierten Größenbereich aufweisen und wobei die Schleifkörner in einer einzigen Schichtanordnung durch die Verbindung auf dem Träger angehaftet sind, dadurch gekennzeichnet dass: (a) die Schleifkörner in der Anordnung entsprechend eines nicht gleichförmigen Musters mit einem ausschließenden Bereich um jedes Schleifkorn herum orientiert sind, und (b) jeder ausschließende Bereich einen Mindestradius aufweist, der den maximalen Radius der gewünschten Schleifkorn-Korngröße übersteigt.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 41, wobei jedes Schleifkorn angeordnet ist auf einem Punkt der Anordnung, die durch Begrenzen einer zufällig ausgewählten Reihe von Punkten auf einer zweidimensionalen Ebene festgelegt worden ist, so dass jeder Punkt von jedem anderen Punkt durch einen Mindestwert (k), der mindestens 1,5-mal dem maximalen Durchmesser der Schleifkörner ist, beabstandet ist.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 41, wobei jedes Schleifkorn angeordnet ist auf einem Punkt der Anordnung, die definiert worden ist durch: (a) Begrenzen einer Reihe von Koordinatenwertepaaren (x₁, y₁), so dass die Koordinatenwerte entlang mindestens einer Achse begrenzt sind auf eine numerische Folge, wobei jeder Wert sich vom nächsten Wert um einen konstanten Betrag unterscheidet; (b) Entkoppeln jedes definierten Koordinatenwertepaar (x₁, y₁) zum Erbringen eines Satzes ausgewählter x-Werte und eines Satzes ausgewählter y-Werte; (c) zufälliges bzw. zufallsbedingtes Auswählen aus dem Satz der x- und y-Werte einer Reihe von zufälligen Koordinatenwertepaaren (x, y), wobei jedes Paar Koordinatenwerte aufweist, die sich von den Koordinatenwerten von jedem benachbarten Koordinatenwertepaar um einen Mindestwert (k) unterscheiden; und (d) Erzeugen einer Anordnung der zufällig gewählten Koordinatenwertepaare mit ausreichend vielen Paaren, aufgetragen als Punkte in einer grafischen Anordnung, zum Erbringen der ausschließenden Zone um jedes Schleifkorn herum.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 41, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend eine Vorform eines starren Werkzeugs und eine flexible Unterschicht und Kombinationen davon.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 44, wobei die Vorform des starren Werkzeugs eine geometrische Form mit einer Dreh-Symmetrieachse aufweist.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 45, wobei die geometrische Form der Vorform des starren Werkzeugs ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Scheibe, Randzone, Ring, Zylinder und stumpfkegelige Formen, und Kombinationen davon.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 44, wobei die flexible Unterschicht ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Beläge, Folien, Gewebe, Vliesstoff-Bögen, Netzgewebe, Siebe, perforierte Bögen, Laminate und Kombinationen davon.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 47, wobei die flexible Unterschicht in eine Form umgewandelt worden ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Riemen, Scheiben, Bögen, Kissen, Rollen und Bänder.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 41, wobei die Verklebung ausgewählt worden ist aus der Gruppe umfassend Klebstoff-Materialien, Hartlöt-Materialien, galvanische Materialien, elektromagnetische Materialien, elektrostatische Materialien, verglaste Materialien, Metallpulver-Verbundmaterialien, Polymer-Materialien und Harz-Materialien, und Verbindungen davon.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 42, ferner umfassend den Schritt des Umwandelns der Schleifkornanordnung von einer zweidimensionalen Struktur in eine drei-dimensionale Struktur durch Rollen der Schleifkornanordnung zu einer konzentrischen Rolle.
Das Schleifwerkzeug nach Anspruch 41, wobei das Schleifkorn ausgewählt worden ist aus der Gruppe umfassend einzelne abrasive Strahlgüter, Bearbeitungspunkte und Gemische mit einer Vielzahl von abrasiven Strahlgütern, und Kombinationen davon.