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行業新聞

金剛石超薄切割砂輪減薄研磨工藝的研究

日期:2018-01-21



高精度超薄切割砂輪具有切割槽寬小,切割精度高,切斷口平滑均勻,廢品率低,切割效率高等優點,被廣泛應用于對硅片、玻璃、藍寶石等電子信息產業領域各種貴重材料及元器件的精密微細切割和開槽加工等。

目前,使用的超薄切割砂輪大致可分為三大類: 電鍍、樹脂及金屬燒結。常規電鍍超薄切割砂輪厚度為0.015-0.1 mm,能獲得較薄的厚度,但切割壽命短;常規樹脂結合劑超薄切割砂輪的厚度為 0.1- 0.5mm,但生產成本較高,而且由于其本身硬度較低等原因,使其在切割時容易出現偏擺和大槽寬的現象; 而燒結型金屬結合劑金剛石超薄切割砂輪( 下文簡稱金剛石超薄切割砂輪)常規厚度約為0.1 mm,具有結合強度高、成型性好、使用壽命長等顯著優點,成為硅晶圓劃片的重要加工工具。

但由于熱壓燒結條件的限制,金剛石超薄切割砂輪并不能直接燒結到預期的尺寸,燒結后毛坯件的厚度不均勻,一般大于使用尺寸。這樣的金剛石超薄切割砂輪如果直接用來劃切,對被劃切材料的劃切寬度、崩邊大小、裂片效果有直接的影響,甚至在極高的轉速條件下會使得自身碎裂,產生危險。

隨著光電材料切割技術的發展,超薄切割砂輪的厚度要求越來越小,其厚度越薄,被切材料消耗越少,有著非常明顯的經濟和社會效益。因此,對真空熱壓燒結后的金剛石超薄切割砂輪的減薄修整的要求也就越來越迫切。

目前,國內外對金剛石超薄切割砂輪減薄方式的研究報道非常少。雖然對普通的金剛石燒結砂輪有多種修整方式,但是對于金剛石超薄切割砂輪的減薄修整,由于其砂輪厚度薄,平面度要求高等特殊要求,傳統的修整方法很難直接應用。針對燒結型金屬基金剛石超薄切割砂輪減薄修整的要求,提出使用平面研磨的方法進行修整,并利用厚度尺寸均勻性和相對翹曲度兩個指標重點分析了砂輪的裝夾以及研磨工藝對減薄修整效果的影響。

1 實驗條件與方案

金剛石超薄切割砂輪是由M22 /36 的金剛石微粉和300目的銅錫合金粉末均勻混合燒結而成。首先是通過真空熱壓燒結制成毛坯,然后用金剛石銼刀去除其毛刺,最后篩選符合尺寸規格的工件作為實驗試樣。試樣尺寸規格為: 外徑Φ58mm,內徑Φ40mm,厚度0.5mm( ± 0.05 mm) ,相對翹曲度在 0.140 ~ 0.160mm 的試樣工件,如圖 1 所示。

圖 1 金剛石超薄切割砂輪毛坯

實驗是在 Nanopoli-100 拋光機上進行,將試樣工件固定在不銹鋼工具盤上,工具盤在導輪和鑄鐵盤的帶動下做自轉運動,此時磨料相對于超薄切割砂輪做滾軋和微量切削運動,使后者變薄,實驗加工示意圖如圖 2 所示。加工前用 M10 /20 的金剛石微粉( 質量濃度 2% ) 對帶四方槽的灰鑄鐵盤進行修整。實驗過程中研磨液循環使用,在研磨過程中使用 SKZD - 2 型自動滴料器防止磨料出現團聚沉淀現象。

圖 2 研磨實驗加工示意圖

厚度尺寸均勻性和相對翹曲度對超薄切割砂輪的安裝精度、切割過程中的切縫寬度、崩邊大小等都有很大的影響,因此將這兩個幾何參數作為金剛石超薄切割砂輪減薄研磨工藝的評價指標。對厚度尺寸均勻性采用 SKCH - IA 精密測厚儀( 數顯式) 檢測,儀器測量精度 1 μm,將其放在 00 級測量平臺上,頂針式觸頭沿其周向連續隨機測量 30 次,取最大值與最小值的差值表示厚度尺寸的均勻性; 相對翹曲度則采用基恩士激光位移傳感器( LK-G150) ,儀器測量精度 1 μm,將金剛石超薄切割砂輪置于光滑的大理石平面上處于自由狀態,采用無接觸式并沿其圓周方向連續隨機進行測量 30 次,最高點和最低點的差值即為相對翹曲度。本實驗中采用雙面膠、固體蠟、鑲嵌( 在工具盤上加工一個環形槽,尺寸精度為 ± 0.005 mm,形位誤差0.012 mm,如圖 3 所示) 三種方式將金剛石超薄切割砂輪固定在工具盤上,然后將其置于拋光機上進行研磨。

圖 3 鑲嵌固定

對于磨料的進料方式,實驗采取了兩種進料方式:一種是傳統的進料方式,磨粒從工具盤外圍進入磨削區; 另一種是對工具盤的結構進行了改進,在其中間部分,環鑲嵌槽內徑周圍均布 8 個直徑為 6 mm 的通孔,如圖 4 所示,使得磨料內外同時進入磨削區。實驗采用單因素比較法,加工參數如表 1。通過對研磨參數的優化控制,實現對金剛石超薄切割砂輪的精密加工。

圖 4 改進后的工具盤結構

2 實驗結果與分析

2. 1 試樣工件固定方式的影響

圖 5 是不同工件固定方式所得到的加工效果圖。由圖 5 可知,在相同的研磨工藝條件下,采用雙面膠和固體蠟黏結金剛石超薄切割砂輪時,相對翹曲度為0.500 mm 以上,比鑲嵌方式高出了近 42% ; 厚度均勻性為 0.090 mm 以上,而鑲嵌方式為 0.060 mm。

圖 5 不同固定方式對加工效果的影響

采用雙面膠或固體蠟黏結時產生的誤差大于鑲嵌固定,并且在研磨后均需要通過溶解或加熱的方式將其去除,才能將工件與工具盤分離。此過程還會使工件的翹曲變形加劇,且操作過程繁瑣,而鑲嵌固定則可使工件快速放入或取出。通過實驗結果分析,采用鑲嵌方式可有效控制工件厚度尺寸的均勻性和相對翹曲度,還可提高工作效率。

2. 2 磨料進料方式的影響

采用傳統的進料方式,獲得的金剛石超薄切割砂輪在徑向上的尺寸會有較大的差異,外圈較薄而內圈較厚,尺寸偏差在 0.01 ~ 0.03 mm。而采用新的進料方式后,金剛石超薄切割砂輪徑向厚度尺寸偏差小于0.005 mm。使用傳統的進料方式,磨料運動主要是通過鑄鐵盤的運轉帶動,因此,使磨料具有一定的離心力,磨料在離心力的作用下,由外向內對超薄切割砂輪進行滾扎或切削,見圖 6 所示。而改進后的工具盤結構下,磨料在離心力的作用下,可以同時從超薄切割砂輪的內圈和外圈進入砂輪端面進行研磨減薄,如圖 7 所示。

圖6.磨粒運動示意圖

砂輪端面受力更加均勻,避免了超薄切割砂輪因受力不均引起的翹曲變形。另一方面,改進后的工具盤,將使得更多的磨粒參與到研磨中,提高了研磨的效率。通過實驗結果分析,說明該進料方式能提高超薄切割砂輪的尺寸精度。

2. 3 研磨工藝參數的影響

在確定了試樣固定方式及磨料進料方式后,實驗中將厚度為 0.5 mm 的金剛石超薄切割砂輪燒結毛坯減薄到 0.38 mm,并研究了各研磨參數的影響規律。

2. 3. 1 單面研磨時間的影響

圖 8 是單面研磨時間對加工效果的影響圖。由圖8 可看出,其他研磨工藝參數相同的條件下,在給定的單面研磨時間范圍內,隨著單面研磨時間的增加,對超薄切割砂輪的厚度尺寸均勻性的改善效果變差,相對翹曲度也變大。

圖 8 單面研磨時間對加工效果的影響

隨著研磨時間的延長,磨料與工件接觸的時間增加,去除率增加。在相同去除余量的情況下,厚度尺寸被修正次數變少,則其厚度尺寸均勻性變差。由于磨粒在研磨超薄切割砂輪端面時分布的并不十分均勻,最大磨粒之間存在一定間隔,在研磨壓力下,金剛石超薄切割砂輪就會產生形變。隨著研磨時間的增加,其研磨形變就會不斷的累積,則相對翹曲度變大。

2. 3. 2 鑄鐵盤轉速

圖 9 是鑄鐵盤轉速對加工效果的影響圖。由圖 9可知,隨著鑄鐵盤轉速的增加,超薄切割砂輪的厚度尺寸均勻性和相對翹曲度都得到了一定程度的改善。當鑄鐵盤轉速從 60 r/min 提高到 120 r/min 時,厚度尺寸均勻性提高了 38.46%,而相對翹曲度降低了 7.27%。因為隨著鑄鐵盤轉速的增加,磨料所獲得的速度增加,磨料所受到的離心力也增大,從而改變了磨料在徑向和切向方向上的流向以及與工件的接觸時間。當離心力較小時,由于工具盤和鑄鐵盤之間空間的限制,磨料易積聚在一起,造成工件某些部位不受磨粒的切削作用。隨著離心力的增加,磨料分布的更加均勻,磨料對工件的研磨更加充分。

圖 9 鑄鐵盤轉速對加工效果的影響

2. 3. 3 磨料粒度的影響

圖 10 是金剛石磨料粒度對加工效果的影響圖。由圖 10 可以看出,隨著金剛石顆粒的減小,金剛石超薄切割砂輪厚度尺寸的均勻性和相對翹曲度都有一定的改善,特別是在 200 /230 到 M22 /36 之間,改善尤為明顯。

圖 10 金剛石磨料粒度對加工效果的影響

實驗中可以發現,當磨料粒度較大時,磨料在研磨液中極易沉降,使得研磨過程中,研磨液濃度變化較大,磨料在鑄鐵盤上分布不均勻,研磨時壓力分布不均勻,導致切削深度不同。同時,在研磨過程中,不可能所有的磨料都參與材料的去除過程,只有與工件表面接觸的那一些磨料中最粗的磨粒參與這個過程。相同的研磨液濃度下,參與研磨的實際研磨磨粒隨著磨料粒度增大而減少,研磨壓力會隨著磨料粒度減小而減小。隨著磨料粒度的減小,更多的磨料與工件接觸,對工件的研磨壓力更小且受力更均勻,磨粒對工件的刻劃深度更淺,則磨粒克服此阻力所需的離心力更小,所以材料去除均勻性更好,能獲得較好的厚度尺寸均勻性和較低的相對翹曲度。

2. 3. 4 研磨壓力的影響

圖 11 是研磨壓力對加工效果的影響圖。由圖 11可知,隨著作用在超薄切割砂輪上研磨壓力的變大,超薄切割砂輪的厚度尺寸均勻性變差,相對翹曲度變大。特別是當研磨壓力在 1.13 × 104~1.65 × 104Pa 時,厚度尺寸均勻性和相對翹曲度變化很大。

圖 11 研磨壓力對加工效果的影響

隨著壓力的增大,金剛石磨粒對超薄切割砂輪的切削深度變大,參與切削的磨料顆粒變多,切削深度有著明顯的差別,去除材料不一致性被凸顯出來,形成的應力也會增加,從而使厚度尺寸均勻性和相對翹曲度變大。在研磨過程中,磨料顆粒做復雜的運動,通過磨料和被加工件之間的碰撞和摩擦,磨粒對工件表面進行滾軋和微量刻劃去除材料。隨著研磨壓力變大,磨粒對工件表面刻劃深度也增加,磨粒對工件的作用力變大,從而給工件引入了一定變形量,使得相對翹曲度變大。

3 結論

( 1) 采用鑲嵌方式固定超薄切割砂輪,減少了裝卸工序,提高了工作效率,加工效果得到一定程度的提高。

( 2) 采用內外同時進料的研磨方式減薄金剛石超薄切割砂輪,提高了研磨效率和徑向厚度尺寸均勻性,其尺寸精度小于 0.005 mm。

( 3) 在給定的工藝參數下,隨著單面研磨時間的減少,鑄鐵盤轉速的增加,磨料粒度的減小、研磨壓力的降低,可提高金剛石超薄切割砂輪的厚度尺寸均勻性和降低相對翹曲度增幅。


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