TWI405639B - 具有混合黏結的多功能研磨工具 - Google Patents

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Srinivasan Ramanath
Robert F Corcoran Jr
Thomas K Puthanangady
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Lynn L Harley
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Saint Gobain Abrasives Inc
Saint Gobain Abrasifs Sa
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Description

具有混合黏結的多功能研磨工具
本揭示案係關於研磨技術，且更特定言之，係關於適於(例如)同時執行多種功能(諸如，硬質脆性材料之分割及拋光)之研磨工具。
在超研磨工業中通常已知樹脂-金屬或所謂的"混合"黏結。用於金剛石工具之第一樹脂黏結係基於酚系系統。不久已發現，樹脂本身對於一些應用而言自身並非最佳的。因此，工具製造者引入次要填料以改質樹脂之性質且使能夠改良工具在各種應用中之效能。詳言之，在需要更大脆性之易碎黏結時引入碳化矽粉末，且在需要更強之更堅韌黏結時引入銅粉末(例如，銅金屬黏結工具在古代與天然金剛石粉末一起用於切割寶石)。該等填料仍用於許多習知酚系樹脂黏結系統中。
在20世紀70年代，認為，在一些應用中，混合樹脂-金屬黏結之性質可增強效能。更詳言之，若可將金剛石分布於連續金屬相中(對於耐磨性及長壽命)，且若可將連續樹脂相併入微結構中(對於較低耐磨性及易切性質)，則可獲得兩種系統之益處。此技術首先成功地用於Resimet黏結系統中，其中主要組份為穩定地緊固金剛石或CBN晶粒之經冷壓且燒結之金屬多孔結構。次要黏結組份為將孔隙率完全浸透於金屬黏結結構中之真空鑄塑樹脂。結果為具有兩個相互滲透連續金屬(青銅)及樹脂(環氧樹脂)相之微結構。英國專利第1,279,413號描述該等黏結系統之細節。此混合黏結類型之典型應用係在碳化物切割工具之研磨中(尤其係在需要良好固角能力時)，且典型砂礫尺寸係在篩網範圍FEPA D46及更粗糙內(亦即，325篩網及更粗糙，或44微米及更粗糙)。
酚系樹脂具有良好耐熱性，但聚醯亞胺甚至更佳，因此，當DuPont在20世紀70年代後期引入該等樹脂類型時，首批應用中之一者係在金剛石工具中。美國專利第4,001,981號及第4,107,125號描述聚醯亞胺黏結之超研磨工具。如在酚系樹脂工具中，使用各種填料來改質黏結之性質，且亦使用銅及青銅粉末。該等聚醯亞胺基黏結通常用於產生大量熱之情況(亦即，黏結必須耐高溫之情況)中。主要實例應用係在圓形燒結碳化物工具(諸如，鑽孔機及端銑刀)之開槽中。
需要更大精度及切割品質之更嚴格應用在歷史上已使用不同工具組態及黏結類型。舉例而言，且如所知，硬碟驅動器(HDD)為眾多消費型電子應用(包括電腦及遊戲控制台、行動電話及個人數位助理、數位相機及視訊記錄器，及數位媒體播放器(例如，MP3播放器))中所使用之常用儲存機構。HDD設計通常包括繞轉軸而自旋之圓形磁性"唱片"(資料記錄於其上)。隨著唱片自旋，使用讀寫頭來偵測及/或修改其正下方之唱片儲存位置之磁化。讀寫頭本身附接至"滑塊"，滑塊為允許讀寫頭在唱片上方維持一致"飛行高度"之空氣動力學形狀之塊體。滑塊連接至致動器總成(例如，馬達及臂)，致動器總成操作以將讀寫頭移動至唱片上之任何儲存位置。滑塊組件之製造呈現許多挑戰。舉例而言，隨著使用HDD之電子設備之形狀因數減小，構成HDD之組件(包括滑塊，其可為一便士之尺寸的約1/50至1/100)之尺寸亦減小。因而，必須將滑塊切割成相當精確之尺寸。加劇此製造複雜性之原因在於：滑塊通常係由硬質脆性材料(例如，Al2 O3 -TiC，參見(例如)美國專利第4,430,440號)製成，該等材料難以在不引起諸如切屑及過度切口之問題的情況下被切割。
因此，持續需要可將硬質脆性材料切割成精確尺寸之新型研磨工具。
本揭示案之一實施例提供一種適於(例如)以單程來分割及拋光硬質脆性材料之多功能研磨工具。工具包括金屬/金屬合金與樹脂之混合黏結，及與混合黏結摻合之複數個精細研磨砂礫。金屬合金可為青銅，其可(例如)基本上由以重量計為50/50之銅及錫組成，且樹脂可為聚醯亞胺，諸如，獲自E. I. du Pont de Nemours and Company之VespelSP1聚醯亞胺、獲自Saint-Gobain Performance Plastics Corporation之Meldin 7001聚醯亞胺，或相當聚醯亞胺。工具可為大體上平直的且具有250微米或更少之大體上均一厚度。在特定實例情況下，工具為1A8型輪或1A1型輪，且具有約65微米或更少之厚度(根據本揭示案，其他輪類型將為顯而易見的)。在一特定組態中，工具包括約1體積百分比(體積%)至50體積%之樹脂(諸如，聚醯亞胺)、約40體積%至85體積%之金屬/金屬合金(諸如，青銅)及約5體積%至40體積%之精細研磨砂礫。在另一更特定組態中，工具包括約10體積%至40體積%之樹脂(諸如，聚醯亞胺)、約45體積%至75體積%之金屬/金屬合金(諸如，青銅)及約10體積%至25體積%之精細研磨砂礫。在另一更特定組態中，工具包括約11.25體積%之聚醯亞胺、約70體積%之青銅及約18.75體積%之精細研磨砂礫，其中每一組份具有+/-20%之容許度。聚醯亞胺可(例如)基本上由具有約40微米或更少之平均直徑之粒子組成，且青銅可基本上由具有約40微米或更少之平均直徑之粒子組成，且精細研磨砂礫可基本上由以50至75濃度且具有約40微米或更少之平均直徑之金剛石組成。在一更特定該組態中，青銅基本上由具有約10微米或更少之平均直徑之粒子組成。工具可包括於包括以成排狀排列之複數個該等工具(個別地形成且耦接在一起之相異工具，或形成為單體結構之工具)之多刀片組態中。
本揭示案之另一實施例提供一種適於(例如)分割及/或拋光硬質脆性材料之研磨工具。工具係類似於上文所論述之工具而經組態，但具有在30微米至125微米之範圍內的大體上平直且大體上均一之厚度。
本揭示案之另一實施例提供一種適於(例如)分割及/或拋光硬質脆性材料之研磨工具。工具包括金屬或金屬合金與樹脂之混合黏結，樹脂與小於500℃(例如，在約100℃至450℃之範圍內，或甚至更具體言之，在約160℃至400℃之範圍內)之熱偏轉溫度(例如，如藉由ASTM標準D648所量測)或其他相當處理溫度參數(其中樹脂在不熔融的情況下軟化，通常被稱作"軟化溫度")相關聯。金屬或金屬合金(例如，青銅)在樹脂之熱偏轉溫度或軟化溫度下具有液相或瞬間液相，且在室溫下具有介於1MPa.m0.5 與5MPa.m0.5 之間的斷裂韌度。樹脂(例如，聚醯亞胺)可具有在約3%至25%之範圍內的延性。工具進一步包括與混合黏結摻合之複數個精細研磨砂礫。在各種替代性實施例中，工具可具有250微米或更少之大體上平直且大體上均一之厚度。在一特定情況下，工具為能夠以單程來分割及拋光硬質脆性材料之多功能工具。如本文中所論述之各種其他研磨工具參數可同樣地應用於該等替代性實施例。
本揭示案之另一實施例提供一種用於製造適於(例如)分割及/或拋光硬質脆性材料之研磨工具的方法。方法包括提供預選定比例之微粒成份，包括研磨晶粒、聚醯亞胺及預合金青銅(例如，約50重量%之銅及約50重量%之錫)。方法繼續混合微粒成份以形成大體上均一組合物、將大體上均一組合物置放於所要形狀之模具中且將模具加壓至在約25MPa至200MPa之範圍內的壓力歷時有效地形成模製物品之持續時間(例如，5分鐘至30分鐘)。方法繼續將模製物品加熱至小於500℃(例如，在約100℃至450℃之範圍內，或甚至更具體言之，在約160℃至400℃之範圍內)之溫度歷時有效地燒結青銅且軟化聚醯亞胺之持續時間，藉此將研磨晶粒與燒結黏結整合成大體上連續金屬合金相與大體上連續或大體上不連續聚醯亞胺相之複合物，且接著將複合物冷卻以形成研磨工具。方法可繼續精研或以其他方式修整研磨工具之側面以提供所要程度之平直度及厚度(例如，雙側面精研，其中同時精研工具之相對側面以提供約250微米或更少之大體上均一厚度)。在一替代性實施例中，方法包括由初始研磨工具形成多個較薄工具，其中每一較薄工具具有250微米或更少之大體上均一厚度，藉此提供多刀片研磨工具(成排狀組態)。在一該情況下，由初始研磨工具形成多個較薄工具係使用放電加工(EDM)來實現。
本文中所描述之特徵及優點不為全包括性的，且詳言之，鑒於圖式、說明書及申請專利範圍，許多額外特徵及優點對於一般熟習此項技術者而言將為顯而易見的。此外，應注意，本說明書中所使用之語言主要係出於可讀性及指導性目的而經選擇，且將不限制發明性標的物之範疇。
本發明揭示可將硬質脆性材料切割成相對精確尺寸之研磨工具及技術。可(例如)在鏡面修整切割應用中使用包括金屬或金屬合金(例如，青銅)與樹脂(例如，聚醯亞胺)基質之混合黏結以及精細研磨砂礫之工具，藉此使能夠進行"1X"或"單程"多功能研磨加工。根據本揭示案，眾多工具類型及應用將為顯而易見的，包括用於電子設備製造之研磨產品，諸如，薄1A8刀片(單刀片或多刀片組態)及其他該等切割刀片。
在一例示性應用中，所揭示工具可用於讀寫頭滑塊之鏡面修整分割中。通常，以兩步驟加工來製造由諸如氧化鋁-碳化鈦(Al2 O3 -TiC)之硬質脆性材料製成之讀寫頭滑塊，該加工涉及使用金屬黏結工具之分割步驟及使用樹脂黏結工具之後續離散拋光步驟。根據本揭示案之一實施例而經組態之工具能夠以單程(在本文中亦被稱作"1X加工")來執行分割及拋光。根據本揭示案應瞭解，注意，該等實施例亦可用於多程或"2X"加工中(若需要如此)。
更詳言之，此實例實施例之刀片包括金屬/金屬合金(諸如，青銅)及樹脂(諸如，聚醯亞胺樹脂)與精細金剛石研磨砂礫以用於分割/拋光硬質且脆性之材料(諸如，氧化鋁-碳化鈦)。金屬合金實質上可為大體上連續或離散的，但大體上連續可具有與切口品質及工具磨損相關聯之某些效能益處，且可在聚醯亞胺之處理溫度下以固相或液相進行燒結。另外，金屬合金可將剛性轉移至工具(亦即，在金屬合金與聚醯亞胺之間無界面滑動)，且其硬度可小於工作材料之硬度。合適聚醯亞胺(或其他相當樹脂)通常具有低伸長率%及高熱穩定性。根據本揭示案應進一步瞭解，本揭示案不意欲限於青銅及聚醯亞胺。更確切而言，青銅可(例如)由在樹脂之軟化溫度(例如，如(例如)藉由ASTM標準D648所量測之熱偏轉溫度)下具有液相或瞬間液相且在室溫下具有介於1MPa.m0.5 與5MPa.m0.5 之間的斷裂韌度之任何金屬或金屬合金替換。或者，聚醯亞胺可(例如)由具有小於500℃(例如，在約160℃至400℃之範圍內)之軟化溫度且在約3%至25%之範圍內之延性的任何樹脂或聚合物替換。一般而言，樹脂及金屬合金類型之特定選擇使得工具出於製造及耐久性之目的而具有足夠脆性，但具有足夠延性以耐受研磨及處置應力(亦即，過度剛性工具易於斷裂)。
樹脂之含量可在(例如)約1體積百分比(體積%)至50體積%之範圍內，而金屬/金屬合金之含量可在(例如)約40體積%至85體積%之範圍內。金屬合金可為具有(例如)以重量計為60/40至40/60銅/錫(例如，以重量%計為50/50)之青銅。在約40至100濃度之範圍內的濃度下，金剛石含量(或其他合適研磨晶粒)可在(例如)10體積%至30體積%之範圍內。金剛石砂礫粒子可具有(例如)直徑不大於40微米、較佳在1微米至12微米之範圍內且更佳在1微米至3微米之範圍內的平均直徑。青銅粉末及聚醯亞胺粒子可具有(例如)不大於40微米且更佳為30微米或更少之平均直徑。實際組合物將視諸如所要平直度及剛性/延性以及自打磨能力及沿切口(若存在)之允許切屑程度之因素而改變。該等工具在用於硬質脆性工件之1X分割/拋光加工中(諸如，在微電子晶圓組件(例如，矽晶圓及Al2 O3 -TiC滑塊)之製造中)良好地表現。
研磨劑不意欲限於金剛石，且可為基本上任何合適研磨劑，諸如，CBN、熔融氧化鋁、燒結氧化鋁、碳化矽或其混合物。研磨劑之選擇視諸如經切割材料及所需工具成本之因素而定。如所知，視所使用特定研磨劑而定，研磨晶粒可具備性質將變化之塗層。舉例而言，若研磨劑為金剛石或CBN，則可使用研磨劑上之金屬塗層(例如，鎳)來改良研磨性質。類似地，在某些研磨或切割應用中，若晶粒經塗佈有氧化鐵或矽烷(諸如，γ胺基丙基三乙氧基矽烷)，則熔融氧化鋁之研磨品質得以增強。同樣地，燒結溶膠凝膠及播晶種溶膠凝膠氧化鋁研磨劑在其經供應有二氧化矽塗層時展現增強型研磨性質，或在一些情況下，若燒結研磨劑經矽烷處理，則可導致改良。可操作研磨砂礫尺寸亦可視所要效能而變化，且根據本揭示案之一些實施例，砂礫尺寸為40微米或更精細。
在各種替代性實施例中，本申請案之工具可具有250微米或更少、較佳為100微米或更少、更佳為70微米或更少且甚至更佳為65微米或更少之厚度。儘管工具類型及其尺寸亦可變化(視目標應用而定)，但一該實例工具為1A8型輪，其具有約30微米至130微米(例如，65微米或更少)之厚度、約50毫米至150毫米(例如，110mm)之外徑及約35mm至135mm(例如，90mm)之內徑。多功能刀片之研磨截面通常自輪之外徑延伸至輪之內徑，但在合適時，亦可使用自外徑延伸至距內徑之某距離之部分研磨截面。
工具可(例如)在約300℃至420℃下由粉末摻合物製成。在一該實施例中，金屬合金之選擇使得存在於合金中之相中之至少一者在該溫度下熔融，此引起工具之改良型可燒結性、更好金剛石保持性、增強型工具剛性，及用於提取分割/拋光加工中所產生之熱之路徑。聚醯亞胺通常不擁有在處理溫度下之熔點，而僅軟化。可使用高壓來確保在形成加工(例如，模製)期間密化完全。
一市售研磨工具由鈷金屬、樹脂及精細金剛石砂礫組成。然而，鈷之使用可造成許多問題。具體言之，鈷基產品通常脆性極大且趨向於在處理及使用時斷裂。另外，鈷之使用產生燒結不足且擁有不良砂礫保持性之結構(此係因為鈷在與合適樹脂相關聯之處理溫度下未極好地流動)。視情形而定，鈷可危害環境。此外，歸因於在鈷-樹脂界面處之滑動，鈷之高剛性可能不轉移至工具。諸如所使用樹脂類型及填料之選擇及處理溫度之其他因素亦在工具效能中起作用(例如，樹脂之有益品質在經受過度溫度時劣化)。
與使用鈷相關聯之另一微妙但顯著之問題係關於磁性質。詳言之，鈷被認為將易於磁化之硬質鐵磁性材料。為此，咸信鈷基刀片中之鈷可能擾亂經分割及拋光之工件(例如，Al2 O3 -TiC滑塊)之磁性質。此可歸因於在切割期間在工件之表面上所拾取之殘餘鈷污染(例如，隨著工具磨損，自工具釋放鈷且其中之一些黏附至工件或嵌入於工件中)，或歸因於工具中之鈷影響研磨區周圍之局部磁場之效應，局部磁場隨後與工件相互作用。
與該等習知鈷基產品對比，根據本揭示案之一實施例而組態之工具已展示藉由維持合適延性程度來耐受處理及高研磨力之優良能力，且可用以在較高切割深度下進行研磨。另外，例示性金屬合金不包括任何鈷，且在與聚醯亞胺相關聯之處理溫度下充分地流動以提供極佳可燒結性、砂礫保持性、剛性及延性。此外，青銅之金屬合金為非磁性的且因此不影響研磨區周圍之局部磁場，或污染具有磁性粒子之工件表面。美國專利第5,313,742號、第6,200,208號及第6,485,532號提供與能夠切割硬質脆性材料之習知研磨工具有關之額外細節。'742、'208及'532專利中之每一者之全文係以引用的方式併入本文中。
因此，根據該等實施例而組態之研磨工具可用於在製造Al2 O3 -TiC滑塊及由硬質脆性材料製成之其他該等組件時所執行之同時1X分割及拋光操作中。在更通用意義上，根據該等實施例而組態之研磨工具可用以對傳統上利用一工具進行分割或以其他方式進行切割且利用另一工具進行拋光之精細修整工件執行涉及切割與拋光之組合的1X加工。該等工具亦可用於非1X應用(例如，2X)中(若需要如此)。所揭示工具提供相對於習知工具之改良型工具壽命、更好邊緣品質(良好垂直性及無切屑或低程度之切屑)及更好修整(無刮痕或很少刮痕)。另外，工具藉由使能夠進行二合一(two-in-one)加工而有效地降低與時間、人工及功率相關聯之製造成本。
實例工具組態#1
在根據本揭示案之一實施例之一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有約65微米之厚度、約110毫米之外徑及約90mm之內徑，且刀片組合物如下：31.25體積百分比之VespelSP1聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)、50體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)，及18.75體積%之金剛石(在75濃度下，且具有1微米至3微米之平均直徑)。金剛石可為(例如)1μm至3μm(-8μm)RB Amplex金剛石，或1μm至2μm(-8)RVM CSG Diamond Innovations金剛石。根據本揭示案，其他合適金剛石類型及來源將為顯而易見的。關於工具尺寸及組合物之容許度可為(例如)+/-10%，但視特定應用以及所要精度及效能而定，亦可使用更鬆容許度(例如，+/-20%或更多)或更緊容許度(例如，+/-5%或更少)。
工具之薄度減少浪費之工作材料，但仍具有允許精度分割及邊緣品質之平直度(在大體上垂直切口壁之情況下的低切口損失，諸如，在垂直平面之15度內或更好)。平直度指代輪之軸向厚度在所有半徑處自心軸孔之半徑至輪之外徑大體上均一。在一實施例中，此薄平直工具厚度係藉由將工具雙側面精研直至65微米來達成。亦可使用單側面精研，但必須小心，以便不使工具失真(例如，使用冷卻技術且分配額外製造時間)。
在此特定實例實施例中，工具包括大體上連續金屬合金相(預合金青銅)與大體上連續或大體上不連續聚醯亞胺相。此1A8工具設計可用於(例如)需要同時分割及拋光之1X應用中。青銅之大體上連續金屬合金相改良工具之剛性(曝露工具之高縱橫比，因此，剛性有助於控制切口)，且聚醯亞胺將順應性程度添加至工具結構，使得在切割期間，工具側面上之金剛石經輕微地向後壓入黏結中，藉此限制其所採取切割之深度，且因此改良工件上之邊緣修整。
與類似組態之鈷基聚醯亞胺工具相比，此實例多功能工具關於邊緣平直度及最接近於邊緣之切屑厚度而相當地表現。然而，根據此實施例而組態之工具比鈷基工具相對地更硬，且展現相對於鈷基工具之更低工具磨損及更小切口。另外，AFM(原子力顯微鏡)分析展示：與由鈷基工具所提供之43之工件邊緣修整Ra相比，此工具提供27之更好工件邊緣修整Ra。
表1概述在實例1實施例與鈷基工具之間此比較性分析之效能參數。該等資料係基於工具穿過工件之第一列或第一通過。對於額外通過(列)而言，磨損率之差異變得進一步顯著。舉例而言，在15個列(24個槽)之後，工具磨損對於鈷基工具而言為約36微米且對於實例1實施例而言為約28微米。在約100mm/min之台板速度(table speed)及9000RPM之工具速度下進行比較性測試。
另外，注意，將實例1實施例之工具速度自9000RPM增加至(例如)11000RPM至18000RPM(視機器之上限而定)會改良邊緣平直度且降低對工具打磨之需要。另一方面，若執行中間工具打磨操作(例如，在每一列或列之子集之間)為可接受的，則可使用更低工具速度。
關於粒度，通常不存在特定需求。已如本文中所描述而使用市售尺寸之各種工具組件，其具有可接受之結果(亦如本文中所描述)。然而，通常咸信更精細粒度之青銅可操作以改良金剛石分布及工具效能。因此，在本文中所描述之一些實施例中，使用在10微米或更少之範圍內的青銅粒子(例如，以改良1微米至3微米金剛石之分布)。然而，且根據本揭示案應瞭解到，更大青銅粒子(例如，在30微米範圍內)亦為有效的。
實例工具組態#2
在根據本揭示案之一實施例之另一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有如先前所描述之尺寸及如下之刀片組合物：21.25體積百分比之VespelSP1聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)、60體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)，及18.75體積%之金剛石(在75濃度下，且具有1微米至2微米之平均直徑)。關於容許度之先前論述同樣地可應用於此處。
此實例多功能工具提供42之工件表面修整Ra，其中其他效能參數保持與實例1實施例相當。
實例工具組態#3
在根據本揭示案之一實施例之另一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有如先前所描述之尺寸及如下之刀片組合物：11.25體積百分比之VespelSP1聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)、70體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有約5微米至8微米之平均直徑)，及18.75體積%之金剛石(在75濃度下，且具有1微米至3微米之平均直徑)。關於容許度之先前論述同樣地可應用於此處。
此實例多功能工具提供48之工件表面修整Ra，其中其他效能參數保持與實例1實施例相當。然而，此工具提供相對於實例1實施例之改良型平直度、更好入口及出口幾何形狀(無刮痕之切割入口及出口)，且減少列之間的打磨操作。
實例工具組態#4
在根據本揭示案之一實施例之另一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有如先前所描述之尺寸及如下之刀片組合物：30.25體積百分比之VespelSP1聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)、57.25體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有5微米至8微米之平均直徑)，及12.5體積%之金剛石(在50濃度下，且具有1微米至2微米之平均直徑)。關於容許度之先前論述同樣地可應用於此處。
此實例多功能工具展現與實例1實施例相當之效能參數。
實例工具組態#5
在根據本揭示案之一實施例之另一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有如先前所描述之尺寸及如下之刀片組合物：20.25體積百分比之VespelSP1聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約30微米之平均直徑)、67.25體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有5微米至8微米之平均直徑)，及12.5體積%之金剛石(在50濃度下，且具有1微米至2微米之平均直徑)。關於容許度之先前論述同樣地可應用於此處。
此實例多功能工具展現與實例3實施例相當之效能參數。
除了先前所描述之效能測試以外，針對具有變化量之研磨劑含量以及青銅-聚醯亞胺比率之許多樣本而量測磨損測試資料，以測定該等變化對工具磨損之效應。儘管歸因於變化之金剛石濃度(例如，60濃度至75濃度)而不存在工具磨損之顯著改變，但可藉由增加青銅含量(例如，65體積%至70體積%或75體積%對應於工具磨損之降低)來達成工具磨損之顯著改變。
實例工具組態#6
在根據本揭示案之一實施例之另一特定研磨工具組態中，工具為1A8型輪，其具有約65微米之厚度、約110毫米之外徑及約90mm之內徑，且刀片組合物如下：26.5體積百分比之Meldin 7001聚醯亞胺(其中粉末粒子具有約10微米之平均直徑)、54.8體積%之青銅(以銅及錫之重量計為50/50，其中粉末粒子具有約8微米之平均直徑)，及18.7體積%之金剛石(在75濃度下，且具有1微米至2微米之平均直徑)。金剛石可為(例如)1μm至2μm(-8μm)1μm至2μm(-8)RVM CSG Diamond Innovations金剛石。關於工具尺寸及組合物之容許度可為(例如)+/-10%，但視特定應用以及所要精度及效能而定，亦可使用更鬆容許度(例如，+/-20%或更多)或更緊容許度(例如，+/-5%或更少)。工具係以類似於實例1中之工具之方式來製造。
工具之薄度減少浪費之工作材料，但仍具有允許精度分割及邊緣品質之平直度(在大體上垂直切口壁之情況下的低切口損失，諸如，在垂直平面之15度內或更好)。平直度指代輪之軸向厚度在所有半徑上自心軸孔之半徑至輪之外徑大體上均一。在一實施例中，此薄平直工具厚度係藉由將工具雙側面精研直至65微米來達成。亦可使用單側面精研，但必須小心，以便不使工具失真(例如，使用特定冷卻技術且分配額外製造時間)。
在此特定實例實施例中，工具包括大體上連續金屬合金相(預合金青銅)與大體上連續或大體上不連續聚醯亞胺相。此1A8工具設計可用於(例如)需要同時分割及拋光之1X應用中。青銅之大體上連續金屬合金相改良工具之剛性(曝露工具之高縱橫比，因此，剛性有助於控制切口)，且聚醯亞胺將順應性程度添加至工具結構，使得在切割期間，工具側面上之金剛石經輕微地向後壓入黏結中，藉此限制其所採取切割之深度，且因此改良工件上之邊緣修整。
與類似組態之鈷基聚醯亞胺工具相比，此實例多功能工具關於邊緣平直度及最接近於邊緣之切屑厚度而相當地表現。
表2概述在實例6實施例與鈷基工具之間此比較性分析之效能參數。在此實例中，在允許對工具充分地切割以達到穩態之後測定工具效能。例如，在達到穩態之後經35次切割而測定工具磨損。在約100mm/min之台板速度及9000RPM之工具速度下進行比較性測試。
製造如本文中所描述之研磨工具之方法可包括以下步驟中之一或多者：
(a)提供預選定比例之微粒成份，其包括超研磨晶粒(例如，具有1微米至2微米之平均直徑的精細金剛石)、聚醯亞胺，及基本上由約40重量%至約60重量%之銅及約40重量%至約60重量%之錫組成之預合金青銅；
(b)將微粒成份混合以形成大體上均一組合物，其可使用任何合適摻合裝置(例如，雙錐體滾筒、雙殼式V形滾筒、帶式摻合器、臥式轉鼓滾筒，及固定殼/內螺桿混合器)來形成；
(c)將大體上均一組合物置放於所要形狀之模具(例如，1A8工具)中；
(d)將模具加壓至在約25MPa至200MPa之範圍內的壓力歷時有效地形成模製物品之持續時間；
(e)將模製物品加熱至小於500℃(例如，在約100℃至450℃之範圍內，或甚至更具體言之，在約160℃至400℃之範圍內)之溫度歷時有效地燒結青銅且軟化聚醯亞胺之持續時間，藉此將研磨晶粒及燒結黏結整合成大體上連續金屬合金相與大體上連續或大體上不連續聚醯亞胺相之複合物(例如，較高含量(諸如，30體積%或更多)之聚醯亞胺趨向於提供大體上連續相，而較低含量(諸如，小於30體積%)趨向於提供大體上不連續相；然而，注意，任一相為可接受的且提供可接受之結果)；
(f)將複合物冷卻以形成研磨工具；及
(g)精研工具之側面以提供所要程度之平直度及厚度(例如，工具之軸向厚度在所有半徑上自心軸孔之半徑至工具之外徑大體上均一，其中最終厚度為(例如)約65微米)。可將此精研實施為雙側面精研，以便進一步改良平直度。
研磨砂礫(例如，金剛石)通常存在於青銅相及聚醯亞胺相兩者中，但主要存在於青銅相中。聚醯亞胺相比青銅相更具彈性，且向研磨工具賦予一定程度之彈性，咸信其控制由研磨砂礫在切割邊緣上所採取之切割之深度，且可能控制工具之側壁(假定輪組態)，以便降低歸因於所意欲研磨加工而採取之切屑尺寸且因此產生所需表面修整。
可藉由使用冷壓或熱壓技術之密化來製造本文中所描述之研磨工具。在冷壓加工(有時被稱作無壓燒結)中，將複合組份之摻合物引入至所要形狀之模具中且在室溫下施加高壓以獲得緊密但易碎之模製物品。高壓可(例如)在25MPa至200MPa之範圍內。隨後，減輕壓力且自模具移除模製物品，接著加熱至燒結溫度。可(例如)在惰性氣體氣氛中將模製物品加壓至低於預燒結模製壓力之壓力(例如，小於約100MPa或甚至更具體言之，小於約50MPa)的同時進行用於燒結之加熱。亦可在真空下進行燒結。在此低壓燒結期間，可將模製物品(例如，1A8型之薄研磨輪)置放於模具中及/或夾於平板之間，以在燒結期間幫助維持其平直度。在熱壓加工中，將微粒黏結組合物之摻合物放於模具(通常由石墨製成)中，且如在冷壓加工中加壓至高壓。然而，利用惰性氣體且在升高溫度的同時維持高壓，藉此在工具預成型坯處於壓力下的同時達成密化。
注意，此方法可用以製造單刀片或多刀片組態。關於由個別製造之工具構成之多刀片組態(成排組態)，存在對於成排之每一成員工具之合適容許之額外考慮。更詳言之，儘管單一刀片實施例中之容許度為可接受地更高，但成排組態中之該等高容許度可疊加以提供不良結果(例如，缺乏所要精度)。因此，且根據本揭示案之一實施例，成排中所包括之個別工具之容許度使得任何所得堆疊均處於可接受範圍內。成排工具可(例如)由諸如氧化鋁或鋼之材料之間隔物分離。或者，另一實施例為藉由自較厚工具形成單體多刀片結構而製造之多刀片工具。可使用先前所描述之製造步驟(a至f，及(視情況)g)來製造較厚工具，其中初始工具厚度足以允許自其形成所要數目之個別工具(例如，3600微米或更厚)。在彼初始工具厚度內所形成之個別工具中之每一者可(例如)在125微米(或更少)下且由直徑小於薄外部工具之內部結構本身分離。該單體結構有效地在個別工具之間提供內建式間隔物，藉此降低容許變數。用於切割之具有厚內部截面及薄外部截面之個別工具的成排總成描述於先前併入之美國專利第5,313,742號中。此原理(厚內部截面及薄外部截面)可用於如本文中所描述之單體結構中。可(例如)藉由放電加工(EDM)來實現自初始較厚工具形成個別工具，但可使用其他合適加工技術(例如，磨銑、線鋸，等等)。諸如精研之修整技術可用以進一步改進個別工具之參數(厚度及平直度)。
已出於說明及描述之目的而呈現本揭示案之實施例之前述描述。其不意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。根據本揭示案，許多修改及變化為可能的。舉例而言，注意VespelSP1聚醯亞胺可接受地用於實施例中，但亦可使用其他相當聚醯亞胺或具有與金屬合金及研磨劑適當地相互作用之品質的聚合物。同樣地，輪類型可變化(例如，1A1、1A8或任何相對較薄研磨輪組態)。本發明之範疇不意欲由此詳細描述限制，而是由此處隨附之申請專利範圍限制。
本揭示案之摘要僅經提供以遵守美國需求，且因而，在其將不用以解釋或限制申請專利範圍之範疇或含義的情況下經提交。另外，在前述實施方式中，各種特徵可出於使本揭示案精簡之目的而群組在一起或描述於單一實施例中。本揭示案不應被解釋為反映以下意圖：所主張實施例需要比每一請求項中所明確地敍述之特徵更多的特徵。更確切而言，如以下申請專利範圍所反映，發明性標的物可針對少於所揭示實施例中之任一者的所有特徵。因此，將以下申請專利範圍併入實施方式中，其中每一請求項保持獨立以使能夠且離散地描述所主張標的物。

Claims (29)

  1. 一種多功能研磨工具，其包含：聚醯亞胺與包含青銅之大體上連續金屬相之混合黏結；及與該混合黏結摻合之複數個精細研磨砂礫；其中該工具係一薄且大體上為平直之輪，其具有一為250微米或更少之大體上均一厚度。
  2. 如請求項1之多功能研磨工具，其中該工具為一1A8型輪，其具有一為約100微米或更少之厚度。
  3. 如請求項1之多功能研磨工具，其中該工具為一1A1型輪，其具有一為約100微米或更少之厚度。
  4. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其具有一為70微米或更少之大體上均一厚度。
  5. 如請求項4之多功能研磨工具，其具有一為65微米或更少之大體上均一厚度。
  6. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該工具包括約1體積百分比(體積%)至50體積%之聚醯亞胺、約40體積%至85體積%之青銅，及約5體積%至40體積%之精細研磨砂礫。
  7. 如請求項6之多功能研磨工具，其中該工具包括約10體積%至40體積%之聚醯亞胺、約45體積%至75體積%之青銅，及約10體積%至25體積%之精細研磨砂礫。
  8. 如請求項7之多功能研磨工具，其中該工具包括約11.25體積%之聚醯亞胺、約70體積%之青銅，及約18.75體積 %之精細研磨砂礫，其中每一組份具有一為+/-20%之容許度。
  9. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該青銅基本上由以重量計為60/40至40/60之銅及錫組成。
  10. 如請求項9之多功能研磨工具，其中該青銅基本上由以重量計為50/50之銅及錫組成。
  11. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該聚醯亞胺基本上由具有一為約40微米或更少之平均直徑的粒子組成。
  12. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該青銅基本上由具有一為約40微米或更少之平均直徑的粒子組成。
  13. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該等精細研磨砂礫基本上由具有一為約40微米或更少之平均直徑的金剛石組成。
  14. 如請求項13之多功能研磨工具，其中該等金剛石具有一為約1微米至12微米之平均直徑。
  15. 如請求項14之多功能研磨工具，其中該等金剛石具有一為約1微米至3微米之平均直徑。
  16. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該聚醯亞胺為Vespel® SP1聚醯亞胺。
  17. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該聚醯亞胺為Meldin 7001®聚醯亞胺。
  18. 如請求項1至3中任一項之多功能研磨工具，其中該工具 包括於一多刀片組態中，該多刀片組態包括以一成排狀組態之複數個該等工具。
  19. 一種研磨工具，其包含：樹脂與包含青銅之大體上連續金屬相之混合黏結，該樹脂具有一小於500℃之軟化溫度，其中該青銅在該樹脂之該軟化溫度下具有一液相或瞬間液相且在室溫下具有一介於1 MPa.m0.5 與5 MPa.m0.5 之間的斷裂韌度；及與該混合黏結摻合之複數個精細研磨砂礫；其中該工具係一薄且大體上為平直之輪，其具有一為250微米或更少之大體上均一厚度。
  20. 如請求項19之研磨工具，其中該軟化溫度為一如藉由ASTM標準D648所量測之熱偏轉溫度，且在160℃至400℃之範圍內。
  21. 如請求項19至20中任一項之研磨工具，其中該樹脂具有一在約3%至25%之範圍內的延性。
  22. 如請求項19至20中任一項之研磨工具，其中該樹脂為聚醯亞胺。
  23. 如請求項19至20中任一項之研磨工具，其中該工具為一能夠在一單程中分割及拋光硬質脆性材料之多功能工具。
  24. 一種用於製造研磨工具之方法，該方法包含以下步驟：提供預選定比例之微粒成份，其包括研磨晶粒、聚醯亞胺，及基本上由介於約40重量%與約60重量%之間的銅及介於約40重量%與約60重量%之間的錫組成之預合 金青銅；將該等微粒成份混合以形成一大體上均一組合物；將該大體上均一組合物置放於一所要形狀之一模具中；將該模具加壓至一在約25 MPa至200 MPa之範圍內的壓力歷時有效地形成一模製物品之一持續時間；將該模製物品加熱至一小於500℃之溫度歷時有效地燒結該青銅且軟化該聚醯亞胺之一持續時間，藉此將該等研磨晶粒及燒結黏結整合成大體上連續金屬合金相與一大體上連續或大體上不連續聚醯亞胺相之一複合物；將該複合物冷卻以形成該研磨工具；及精研該研磨工具之側面以提供所要程度之平直度及一為250微米或更少之厚度。
  25. 如請求項24之方法，其中將精研執行為雙側面精研，使得同時精研該研磨工具之相對側面。
  26. 一種用於製造研磨工具之方法，該方法包含以下步驟：提供預選定比例之微粒成份，其包括研磨晶粒、具有軟化溫度之樹脂，及在該樹脂之該軟化溫度下具有一液相或瞬間液相之青銅金屬合金；將該等微粒成份混合以形成一大體上均一組合物；將該大體上均一組合物置放於所要形狀之一模具中；將該模具加壓至一在約25 MPa至200 MPa之範圍內的壓力歷時有效地形成一模製物品之一持續時間；將該模製物品加熱至一小於500℃之溫度歷時有效地燒 結該金屬或金屬合金且軟化該樹脂之一持續時間，藉此將該等研磨晶粒及燒結黏結整合成包含青銅之大體上連續金屬相與一大體上連續或大體上不連續聚樹脂相之一複合物；將該複合物冷卻以形成該研磨工具；及精研該研磨工具之側面以提供所要程度之平直度及一為250微米或更少之厚度。
  27. 如請求項26之方法，其中該複合物經冷卻以形成一初始研磨工具；且進一步包含以下步驟：自該初始研磨工具形成多個較薄工具，每一較薄工具具有一為250微米或更少之大體上均一厚度，藉此提供一多刀片研磨工具。
  28. 如請求項26至27中任一項之方法，其中自該初始研磨工具形成多個較薄工具係使用放電加工(EDM)來實現。
  29. 如請求項26至27中任一項之方法，其進一步包含：精研至少一工具側面以提供所要程度之平直度及厚度。
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