多孔磨具和制造該用具的方法

專利名稱：多孔磨具和制造該用具的方法
(1)發明領域本發明主要涉及磨料和適用于對硬質和/或脆性材料進行表面研磨和拋光的磨具。本發明尤其涉及到具有互連孔結構的多孔粘結研磨制品，及其制造方法。本發明所述的磨料可在高性能的研磨操作中使用，例如在電子元件制造中常用的背面研磨硅片、碳化鋁鈦和碳化硅片。
(2)背景資料人們一般熟知使用多孔磨料可改善機械研磨工序。孔隙通常提供例如冷卻劑和潤滑劑等研磨液的流動通道，該研磨液可促使更有效地切割，減少金相損傷(例如表面燒結)，并最大限度地延長用具的壽命。孔隙也可從被研磨的物品上去除材料間隙(例如碎片或細屑)，這一點在被研磨的物品相對較軟或要求表面拋光達到一定條件(例如硅片的背面研磨)時尤為重要。
以前對制造具有多孔結構的研磨制品和/或用具的嘗試一般可歸類為兩種方法中的一種。在第一種方法中，通過將形成孔的有機介質(例如磨碎的核桃殼)加入到研磨制品中而制造多孔結構。這些介質在燒結中進行熱分解，從而在硬化了的磨具中留下空腔或孔。這種方法的實例包括Carmen等人的5,221,294號美國專利、Wu的5,429,648號美國專利、Grotoh等人的A-91-161273號日本專利和Satoh等人的A-91-281174號日本專利。在第二種方法中，可通過將例如空心氧化鋁之類的閉孔材料加入到研磨制品中而制造多孔結構。其實例可查看Sheldon等人的5,203,886號美國專利。
在一個可選用的方法中，Wu等人在5,738,696和5,738,697號美國專利(其內容均參考引用于此)中透露研磨制品和使用長徑比至少為5∶1的纖維狀磨粒來制造該制品的方法。由于細長磨粒的填充特性差，因而研磨制品的孔隙率和滲透率增加，適用于相對高性能的研磨。
隨著市場對諸如發動機、耐火設備和電子儀器(例如硅和碳化硅片、磁頭、顯示窗)等產品中精密元件要求的增長，在對陶瓷和其他相對堅硬和/或脆性材料進行極為精密地研磨和拋光中使用的改良的磨具的需求也在增長。經證實，本技術領域已知的這些研磨制品并不能完全滿足上文所述的要求。因此，需要一種改良的研磨制品和磨具，尤其是包含相對較高孔隙率的上述物品。
本發明一方面包括制造研磨制品的方法。該方法包括將磨粒、粘結材料和分散體顆粒的混合物混勻，該混合物包含大約0.5～25體積％磨粒，大約19.5～49.5％的粘結材料和大約50～80體積％的分散體顆粒。該方法還包括將上述混合物壓制成研磨壓實復合材料，對該復合材料進行熱加工，并將其在溶劑中浸沒一段時間，基本上溶解所有的分散體，使該分散體溶解在溶劑中。這一方面的一個變換方式是，所述粘結材料包含大約35～85重量％的銅、大約15～65重量％的錫和大約0.2～1.0重量％的磷。這一方面的另一變換方式是，所述分散體包含粒狀氯化鈉，所述溶劑包含沸水。
另一方面，本發明包括用于分段砂輪的研磨段。該研磨段包含復合材料，所述復合材料包含大量超級磨粒和在大約370～795℃的溫度范圍內燒結在一起的金屬粘結基質。該復合材料中分布著大量的互連孔。該復合材料包含大約0.5～25體積％的磨粒，大約19.5～49.5％的金屬粘結劑和大約50～80體積％的互連孔隙。上述金屬粘結基質包含大約35～70重量％的銅，大約30～65重量％的錫和大約0.2～1.0重量％的磷。所述眾多超級磨粒選自金剛石和立方氮化硼，該超級磨粒的平均粒度小于大約300微米。
另一方面，本發明包括分段砂輪。該砂輪包括芯體和圓形周邊，該芯體的最小比強度為2.4Mpa-cm3/g，芯體的密度為0.5～8.0g/cm3。上述砂輪還包括由大量段節組成的研磨輪緣，其每一個段節都包含具有大量磨粒和在大約370～795℃的溫度范圍內燒結在一起的金屬粘結基質的復合材料，且該復合材料中分布著大量的互連孔，該復合材料包含大約50～80體積％的互連孔隙。該砂輪仍還包含用于連接上述芯體和上述各段節的熱穩定粘結劑。
另一方面，本發明包括制造包含大約40～80體積％的互連孔隙的研磨制品的方法。該方法包括將磨粒、有機或其他非金屬粘結材料和分散體顆粒的混合物混勻，該混合物包含大約0.5～25體積％的磨粒、大約19.5～65體積％的有機粘結材料和大約40～80體積％的分散體顆粒。該方法還包括將上述混合物壓制成研磨壓實復合材料，對該復合材料進行熱加工，并將其在溶劑中浸沒一段時間，以基本上溶解所有的分散體，使該分散體溶解在溶劑中。這一方面的一個變換方式是，所述分散體包含粒狀糖，所述溶劑包含沸水。
另一方面，本發明包括用于分段砂輪的研磨段。該研磨段包含復合材料，所述復合材料包含大量超級磨粒和固化在一起的非金屬粘結基質。該復合材料中分布著大量的互連孔，且包含大約0.5～25體積％的磨粒、大約19.5～65％的非金屬粘結劑和大約40～80體積％的互連孔隙。所述眾多超級磨粒選自金剛石和立方氮化硼，所述眾多超級磨粒的平均粒度小于大約300微米。
另一方面，本發明包括分段砂輪。該砂輪包括芯體和圓形周邊，該芯體的最小比強度為2.4Mpa-cm3/g，芯體的密度為0.5～8.0g/cm3。上述砂輪還包括由大量段節組成的研磨輪緣，其每一個段節都包含復合材料，所述復合物材料包含磨粒和固化在一起的非金屬粘結基質。該復合材料中分布著大量的互連孔，且包含大約40～80體積％的互連孔隙。該砂輪還包含用于連接芯體和每一個上述大量段節的熱穩定粘結劑。


圖1為本發明所述研磨段實施方式的示意圖；且圖2A為包含16個圖1所示研磨段的砂輪實施方式的局部示意圖；圖2B為沿圖2A中的“A”-“A”線得到的截面視圖；和圖2C為顯示圖2B中110部位的局部放大視圖。
本發明包括可用于精磨、拋光或切割操作的多孔研磨制品。本發明所述研磨砂輪的一個實例是用于分段砂輪100的研磨段10(實例如圖1和2所示，這將在下文實施例1中作更詳細的說明)。本發明所述研磨制品的一個實施方式包含大約50～80體積％的互連孔隙。本發明所述的研磨制品的另一個實施方式包含諸如有機粘結材料(如酚醛樹脂)之類的非金屬粘結劑，并包含大約40～80體積％的互連孔隙。本發明也包括制造多孔研磨制品的方法。包括一個或多個本發明所述研磨制品(如段節10)的砂輪(如砂輪100)在對諸如硅片、碳化硅、碳化鋁鈦等硬質和/或脆性材料進行鏡面拋光研磨方面具有潛在的優勢。這些砂輪在對以上材料進行鏡面拋光研磨期間，無需打磨(或修整)砂輪的研磨面，因而具有更多的優點。在下文的討論和實施例中可顯示出本發明的其他潛在優勢。
與常識(如查看Ishihara的60-118,469號日本專利)相反，本發明一方面制得互連孔隙大于50體積％，尤其是孔隙率約為50～80體積％的研磨制品，當研磨硬質和/或脆性材料時，可在無需完全犧牲研磨制品機械完整性的情況下，提供優質的研磨性能。因此，本發明所述的研磨制品的實施方式包含至少50體積％的互連孔隙和有效量的至少一種磨粒和粘結材料。該研磨制品還任選包含填充物、潤滑劑和熟悉該工藝的人所知的其他成分。這些研磨制品最好包含大約50～80體積％的互連孔隙，最好是包含大約50～70體積％的互連孔隙。
實質上，任何一種磨粒都可用在本發明所述的研磨制品中。傳統的磨料包括，但不限于氧化鋁、氧化硅、碳化硅、氧化鋯-氧化鋁、石榴石和磨粒粒度在大約0.5～5000微米(較好在大約2～300微米)范圍內的金剛砂。也可使用磨粒粒度與傳統磨粒極為相似的超級磨粒，該超級磨粒包括，但不限于裹有或未裹有金屬涂層的金剛石和立方氮化硼(CBN)。磨粒的尺寸和種類的選擇通常依據工件的特性和研磨工藝的類型而改變。對于超級精加工(即“鏡面精加工”)研磨，需要較小粒度的超級磨粒，例如在大約0.5～120微米的范圍內，以至在大約0.5～75微米的范圍內。一般而言，較小(即較細)的粒度適用于精細研磨和表面拋光操作，而較大(即較粗)的粒度適用于刨削、修磨和其他需要去除相對較多材料的操作。
實質上，在制造粘結研磨制品中普遍使用的任何一種粘結材料都可用在本發明所述研磨制品中，作為基材。例如，可以使用金屬的、有機的、樹脂的或玻璃化的粘結劑(如必要的話，需添加合適的固化劑)，一般選用金屬粘結劑。通常選用斷裂韌度在大約1.0～6.0MPa m1/2范圍內的金屬粘結劑，其斷裂韌度在大約1.0～3.0MPa m1/2范圍內更好。關于斷裂韌度的更多細節可在Ramanath等人的6,093,092號和6,102,789號美國專利中獲取，其內容均參考引用于此，在下文中稱之為Ramanath專利。
在金屬粘結基質中使用的材料包括，但不限于青銅、銅鋅合金(即黃銅)、鈷、鐵、鎳、銀、鋁、銦、銻、鈦、鋯，以及它們的合金和混和物。人們發現金屬粘結基質組合物通常是銅和錫的混和物。適用于本發明所述研磨制品的組合物應包含大約35～85重量％的銅和大約15～65重量％的錫。所述組合物較好包含大約35～70重量％的銅、大約30～65重量％的錫，并可任選地添加大約0.2～1.0重量％的磷(如銅磷合金)。可任選地使用具有鈦或氫化鈦、鉻或其他熟知的超級研磨活性材料的粘結材料，上述超級研磨活性材料能在選取的燒結條件下，在超級磨粒表面上顆粒和粘結劑之間形成碳化物或氮化物的化學鍵合，從而加強顆粒/粘結劑的結合。顆粒/粘結劑間較強的相互作用力通常會減少顆粒因研磨而脫落的情況，否則會損傷工件，并縮短磨具的壽命。
適用作有機粘結劑的例子是熱固性樹脂，但也可使用其它類型的樹脂。該樹脂較好是環氧樹脂或酚醛樹脂，且可以以液態或粉末狀使用。合適的熱固性樹脂的具體例子包括酚醛樹脂(例如線型酚醛清漆和可熔酚醛樹脂)、環氧樹脂、不飽和聚酯、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、氰酸酯、三聚氰胺等。
本發明所述研磨制品的實施方式包含大約50～80體積％的互連孔隙，其平均孔隙尺寸在大約25～500微米范圍內。通過向磨粒和粘結劑的混合物中加入足夠量的分散體顆粒，以確保在模制的研磨制品(在燒結之前和之后)中，有較高百分比的分散體顆粒能與其他分散體顆粒相接觸，從而在制造過程中形成互連孔隙。
一個所需多孔材料的實施方式包含大約0.5～25體積％的超級磨粒和大約30.5～49.5體積％的金屬粘結基質，該兩組分在大約370～795℃的溫度下、在大約20～33Mpa的壓力下燒結在一起。上述金屬粘結基質包含大約35～70重量％的銅、大約30～65重量％的錫和大約0.2～1.0重量％的磷。上述超級磨粒包含粒度在大約0.5～300微米之間的金剛石(在具體實施方式
中，約為0.5～75微米)。
其它所需多孔材料的實施方式包含大約40～80體積％的互連孔隙，其平均孔隙尺寸在大約150～500微米之間。這些實施方式還包含大約0.5～25體積％的超級磨粒和大約19.5～65體積％的有機粘結劑，且兩組分在約100～200℃的溫度下(對于聚酰亞胺樹脂是約400～450℃的溫度范圍)和約20～33Mpa的壓力下固化在一起。(較好使用針狀分散體，即分散體的長徑比大于或等于2∶1，從而得到約40～50體積％的互連孔隙)。可采用傳統的粉末冶金/聚合體制造工藝來制造本發明所述的研磨制品。將合適的尺寸和組成的磨粒、粘結劑和分散體粉末混合均勻，模制成合適的形狀，并在較高的溫度和壓力下進行燒結/固化，從而生成相對緊密的復合材料，其密度較好至少是理論密度的95％(通常約為理論密度的98～99％)。對于包含金屬粘結基質的研磨制品，通常在大約370～795℃的溫度和約20～33Mpa的壓力下對這些粉末進行燒結。例如，在一個實施方式中，首先在401℃下將粉末混合物加熱20分鐘。然后在401℃的溫度和22.1Mpa的壓力下將該粉末燒結10分鐘。冷卻后，將包含彼此充分接觸的分散體的研磨壓實復合材料浸沒在溶劑中，以選擇性地除去(即溶解)該分散體。得到的研磨制品呈泡沫狀結構，并包含磨料和粘結基質的混合物，并具有完全不規則分布的互連孔網絡(即，因分散體溶解而形成空腔)。
基本上可以使用任何一種能迅速溶解在諸如水、酒精、丙酮之類溶劑中的分散體。通常，人們會選用易溶于水的分散體，例如氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、硅酸鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鎂等，以及它們的混合物。對于在一些研磨中的應用(如硅片和其他電子元件)，可選用非離子(即非鹽類)分散體，例如糖、糊精、多糖低聚物。最好選用那些在水中具有較高的溶解性和較快的溶解動力學的分散體，例如氯化鈉或糖。宜選用的分散體也可具有較高的熔點(mp)，以經受住燒結過程。例如氯化鈉的熔點約為800℃。對于需要非常高的燒結溫度的研磨制品，可使用硅酸鋁鈉(mp1650℃)、硫酸鎂(mp1124℃)、磷酸鉀(mp1340℃)、硅酸鉀(mp976℃)、偏硅酸鈉(mp1088℃)和它們的混合物作為分散體。
分散體的粒度通常在大約25～500微米范圍之間。在一個令人滿意的實施方式中，分散體的粒度分布在大約74～210微米之間(即，包含的分散體顆粒比美國篩目(標準篩)70更細，但比美國篩目200更粗)。在另一個令人滿意的實施方式中，分散體的粒度分布在大約210～300微米之間(即，包含的分散體顆粒比美國篩目50更細，但比美國篩目70更粗)。在又一令人滿意的實施方式中，使用糖作為分散體，其粒度分布在大約150～500微米的范圍內(即，包含的分散體顆粒比美國篩目35更細，但比美國篩目100更粗)。
上文所述的研磨制品可以用來制造基本上任何類型的磨具。常用的用具包括表面砂輪(例如，ANSI 2A2T型或2A2TS型砂輪以及1A和1A1型砂輪)以及杯形砂輪(例如ANSI 2型或6型砂輪，或119V型圓錐杯形砂輪)。上述研磨砂輪可包括芯體(例如，圖2A-2C中的芯體20)，該芯體具有一個中心孔，以便將砂輪固定在磨床上，且該芯體設計用于支撐沿著它的圓周邊排列的多孔研磨輪緣(例如，可查看圖2A中的砂輪100，在下文中參考實施例1作出更詳細的論述)。通常使用一種在研磨條件下具有熱穩定性的膠結劑將砂輪的這兩部分粘結在一起。而且該砂輪及其組件要能承受在砂輪圓周速率上升到至少80米/秒，更好是上升至160米/秒或更高時產生的應力。
在一個實施方式中，上述芯體的外形基本上呈圓形。該芯體包含具有最小比強度為2.4Mpa-cm3/g，更好是40～185Mpa-cm3/g的任何材料。該芯體材料的密度為0.5～8.0g/cm3，較好約為2.0～8.0g/cm3。適合作上述材料的例子有鋼鐵、鋁、鈦、青銅、它們的復合物和合金，以及它們的混合物。也可以使用具有指定最小比強度的增強塑料來制造上述芯體。復合材料和增強芯體材料通常包含常為粉末狀的金屬或塑料基質的連續相，并將較硬的、更具彈性的、和/或密度較小的纖維狀或顆粒狀的材料作為不連續相加入到該粉末中。適合在本發明所述用具的芯體中使用的增強材料的例子有玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、陶瓷纖維、陶瓷顆粒，以及諸如玻璃、多鋁紅柱石、氧化鋁和Z-Light陶瓷微球之類的空心填充材料。通常合適的金屬芯體材料包括ANSI 4140、2024、6065和7178的鋼鋁合金。Ramanath專利中提供了關于合適的芯體材料、屬性等更多細節。
可以通過首先制造單個具有如上所述預選的尺寸、組成和孔隙度的段節(例如可查看圖1所示的段節10，在下文中參考實施例1作出更詳細的論述)，來制造砂輪(如，圖2A所示的砂輪100)。可以對砂輪進行壓模和燒結、燒制，或采用本技術領域常用的各種工藝進行固化。在這些工藝中，有熱壓(在約14～28Mpa的壓力下)、冷壓(在約400～500Mpa或更高的壓力下)，和在鋼模中熱壓印(在約90～110Mpa的壓力下)。熟練的技工容易知道，冷壓(和較小強度的熱壓印)僅用于高壓縮強度(即抗壓)的分散體顆粒。對于金屬粘結研磨制品，優選進行熱壓(在大約350～500℃和22Mpa的條件下)。對于其中使用含糖分散體的有機粘結研磨制品，最好進行冷壓或“暖”壓(溫度小于約160℃)。在5,827,337號美國專利中詳述了關于壓制和熱處理技術的更多細節，其內容均參考引用于此。
在壓合、熱處理和浸沒于溶劑中之后，通常采用傳統技術對這些段節進行拋光。該傳統技術包括使用玻璃化砂輪或碳化物切割砂輪進行研磨或切削，以生產出所需尺寸和容差的研磨輪緣段節。然后可以使用合適的粘結劑(例如，可查看圖2A-2C，在下文也會有論述)，將上述段節粘結到芯體的圓周邊。合適的粘結劑包括樹脂與硬化劑重量比為10∶1的353-NDT環氧樹脂(EPO-TEK，Billerica，MA)，和TechnodyneHT-18環氧樹脂(由Taoka Chemicals，JP獲得)，且后者的改性胺硬化劑是以約100重量份樹脂與含約19重量份硬化劑的比例混合而成的。Ramanath專利中提供了關于粘結劑、其特性以及它們在金屬粘結砂輪中的應用等更多細節。
可選用的砂輪制造方法包括形成磨料、粘結劑和分散體的粉末狀混合物的段節前體，將該段節前體壓模在芯體的圓周上，并進行加熱和加壓，以便在原處制成并粘結上述段節(即對芯體和輪緣進行共燒結)。共燒結之后，將砂輪浸沒在所選的溶劑中，以使分散體從輪緣中溶解出來，從而得到多孔的研磨輪緣(如上文所述)。對于這種任選的工藝，最好使用不含氯離子的分散體(如氯化鈉)，因為一旦芯體的材料中包含鋁或鋁合金(如合金7075)，則鋁合金會在有氯離子存在的情況下出現坑槽。
本發明所述的研磨制品和用具(如圖2A所示的砂輪100，并在下文中作更詳細的論述)適宜用在研磨陶瓷材料上，這些陶瓷材料包括各種氧化物、碳化物、氮化物和硅化物，例如四氮化三硅、二氧化硅和氧氮化硅、穩定的氧化鋯、氧化鋁(如藍寶石)、碳化硼、氮化硼、二硼化鈦和氮化鈦，以及這些陶瓷的復合物；也可用在研磨某些金屬基質的復合材料上，例如燒結碳化物、多晶鉆石和多晶立方氮化硼。使用這些磨具，可對單晶或多晶陶瓷進行研磨。而且，本發明所述研磨制品和用具尤其適合于研磨在電子工業中使用的材料，例如硅片(用于制造半導體)、碳化鋁鈦(用于制造磁頭)和其他基材。
對本發明上述各方面所作的修改僅僅是進行舉例。顯然，本領域那些技術人員容易地對上述說明性的實施方式進行其他修改。所有這些修改和變動都被認為是在附帶權利要求書所闡述的發明范圍和精神內。
以下實施例僅用來舉例說明本發明所述制品和方法的各種具體實施方式
。應認為，本發明的范圍并不限于此處所述的實施方式，而是由下文權利要求書進行界定。除非另有說明，在實施例中的所有份數和百分數都是按重量計。
實施例1依據本發明所述的原理，使用下文所述的材料和方法，制造呈2A2TS型金屬粘結的金剛石砂輪形式的砂輪100。
將粉末狀金屬合金(如下所述)和非碘化的食鹽(由Shaw′s，Inc.，Worcester，MA購得)混合，其中金屬合金與食鹽的重量比為65∶35，相當于金屬合金與食鹽的體積比為31.56∶68.44。在SpexTM碾磨機(由SPEX Company，Metuchen NJ制造)中，將上述食鹽(主要是氯化鈉)壓碎，并用篩子分離出粒度分布在大約74～210微米范圍內(即，比美國篩目200更粗，但比美國篩目70更細)的食鹽顆粒。
上述粉末狀的金屬合金包含43.74重量％的銅粉(枝狀FS級，粒度為325目，由Sintertech International Marketing Corp.，Ghent，NY購得)、6.24重量％的磷/銅粉(1501級，粒度為325目，由New Jersey ZincCompany，Palmerton，PA購得)和50.02重量％的錫粉(MD115級，粒度為-100/+325目，最大值為0.5％，由AlcanMetal PowdersInc.，Elizabeth，NJ)的混合物。
將粒度分布在約3～6微米的細金剛石磨料添加到上述金屬合金/食鹽的混合物中(將2.67克的金剛石加入到61.29克的金屬合金/食鹽混合物中)，并使用TurbulaTM攪拌器(由Glen Mills，Inc.Clifton NJ制造)對得到的混合物進行徹底攪拌，直到該混合物混合均勻。此時得到的混合物中包含大約5體積％的金剛石、大約30體積％的金屬粘結基質和大約65體積％的食鹽。在將上述混合物進行攪拌之前，先向該混合物中加入三滴DL 42TM礦物油精(Worcester Chemical，Worcester，MA購得)，有助于防止所述成分分離。然后將混合物分成16等份(每一份對應著在砂輪100上使用的16個研磨段10中的一個)。將每一等份都放置在石墨模具中，并在22.1MPa(3200磅/平方英尺)的壓力、407℃的溫度下熱壓10分鐘，直到形成最終密度超過理論值的95％的基質。冷卻后，將段節10浸沒在相對較多(如0.5升)的沸水中45分鐘，從中去除鹽。然后用去離子(DI)水徹底沖洗段節10。重復該清洗過程，以確保完全去除鹽。隨后的重量損失和能量分散X射線(EDX)測試證實已經除去段節中幾乎所有的食鹽。
圖1所示的是一個段節10的示意圖。將每一個段節10研磨成所需的尺寸和容差，以配合經機械加工的鋁芯體20的圓周邊(圖2A-2C所示的2A2TS型砂輪)。段節10的側面呈拱形，其彎曲部分11的外徑為127毫米(5英寸)，其彎曲部分12的內徑為124毫米(4.9英寸)。當從正面(或背面)觀察時，段節10的長度13為47毫米(1.8英寸)，其寬度14為6.3毫米(0.25英寸)。
如圖2A所示，使用段節10來構造2A2TS型面磨削式的砂輪100。砂輪100包括16個粘結在鋁芯體20上對稱的段節10，形成具有開槽輪緣104的外徑102約為282毫米(11.1英寸)的砂輪100。如110處所示，分段輪緣從鋁芯體20的表面上突出約為3.9毫米(0.16英寸)的距離112。采用環氧樹脂/胺硬化劑的膠結體系(Technodyne HT-18粘結劑，由Taoka Chemicals，JP購得)，將研磨段10和鋁芯體20裝配在一起，使砂輪具有由16個研磨段10組成的開槽輪緣104。對芯體和段節10之間的接觸表面進行除油污和噴砂處理，以確保足夠粘結性。
實施例2研磨性能評價對依據上文實施例1中所述的方法制造的金屬粘結分段砂輪(砂輪2-A)進行硅片精細背面研磨性能的測試。建議使用一種市售的、在樹脂粘結劑中包含相同磨料粒度和濃度的砂輪(砂輪規格為D3/6MIC-IN.656-BX623，由Saint GobainAbrasives，Inc.Worcester，MA購得)作為對比砂輪，對硅片進行精細的背面研磨，并與本發明所述的砂輪一起進行測試。這個對比砂輪包含大約5體積％的金剛石磨料、大約62體積％的空心玻璃微球、大約12體積％的樹脂和大約21體積％的孔隙。上述玻璃微球包含大約15體積％的玻璃殼。因此，該對比砂輪可以認為是包含大約9.3體積％的玻璃殼和大約73.7體積％的非互連的孔隙(即大約21％體積％的孔隙加上大約52.7體積％的中空玻璃微球的中空內部)。
研磨測試條件為研磨測試條件機械Strasbaugh 7AF型砂輪規格粗糙軸Norton#3-R1B69精細軸D3/6MIC-IN.656-BX623(作為對比)砂輪2-A砂輪尺寸2A2TSSA型280×29×229毫米(11×9/8×9英寸)研磨方式雙研磨先進行粗研磨，后進行精細研磨精細研磨工藝砂輪轉速4,350轉數/分冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料硅片，N型100取向，直徑為150毫米(6英寸)，初始厚度為0.66毫米(0.026英寸)(由Silicon Quest，CA購得)磨去的材料第一步10μm；第二步5μm；第三步5μm；一次磨削量2μm進料速度第一步1μm/s；第二步0.7μm/s；第三步0.5μm/s；一次磨削量0.5μm/s運作速度699轉數/分鐘，恒定不變停止時100轉粗研磨工藝砂輪轉速3,400轉/分冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料硅片，N型100取向，直徑為150毫米(6英寸)，初始厚度為0.66毫米(0.026英寸)(由Silicon Quest，CA購得)磨去的材料第一步10μm；第二步5μm；第三步5μm；一次磨削量10μm進料速度第一步3μm/s；第二步2μm/s；第三步1μm/s；一次磨削量5μm/s工作速度590轉數/分鐘，恒定不變停止時50轉在磨具需要進行修整和敷料時，本測試設立的條件如下修整和敷料操作粗砂輪無精細砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh粗敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步150μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變實施例2的研磨測試結果如下文表1所示。使用樹脂粘結的對比砂輪和本發明所述的多孔砂輪(砂輪2-A)，對50個硅片進行精細研磨。如表1所示，對于至少50個硅片，對照砂輪和發明的砂輪顯示出相對穩定的峰值法向力。每個砂輪也需要近似相同的峰值法向力。這種類型的研磨性能非常適用于硅片的背面研磨，這是因為這些較低的力度和恒穩態的條件將工件受到的熱損傷和機械損傷減至最小。
此外，本發明所述多孔砂輪在無需對其進行敷料的情況下，即可對至少50個硅片提供上文所述的非常適宜的研磨作業。
總之，實施例2表明發本明砂輪對硅片具有非常合適的背面研磨性能，而出乎意料的是(對于金屬粘結的砂輪)與樹脂粘結的對比砂輪相比，前者使用更少的功率更小。
表1
實施例3研磨性能評價對依據上文實施例1所述的方法制造的金屬粘結的分段砂輪(砂輪3-A)進行超級精加工背面研磨蝕刻硅片的性能測試。建議使用在上文的實施例2中詳細介紹的市售砂輪作為對比砂輪，對硅片進行精加工背面研磨，并與本發明所述的砂輪一同進行測試。
研磨測試條件為研磨測試條件機械Strasbaugh 7AF型砂輪規格粗糙軸無精細軸D3/6mic-20BX623C(作為對比)砂輪3-A砂輪尺寸2A2TSSA型280×29×229毫米(11×9/8×9英寸)研磨方式單研磨只使用精細軸精細研磨工藝
砂輪轉速4,350轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料硅片，N型100取向，直徑為150毫米(6英寸)，初始厚度為0.66毫米(0.026英寸)(由Silicon Quest，CA購得)磨去的材料第一步10μm；第二步5μm；第三步5μm；一次磨削量2μm進料速度第一步1μm/s；第二步0.7μm/s；第三步0.5μm/s；一次磨削量0.5μm/s運作速度699轉/分鐘，恒定不變停止時100轉當磨具需要進行修整和敷料時，本測試設立的條件如下修整和敷料操作精細砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh粗敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步150μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變實施例3的研磨測試結果如下文表2所示。使用樹脂粘結的對比砂輪對55個蝕刻硅片進行精加工背面研磨。因為蝕刻硅片的表面相對光滑，所以在對蝕刻硅片進行背面研磨的操作中沒有采用粗研磨的步驟。如表2所示，隨著研磨的部分越來越多，峰值法向力就相對不斷地增加，最終增至研磨機停機的數值。使用本發明所述的多孔砂輪對75個蝕刻硅片進行研磨。表2也顯示出，在整個實驗進程中，峰值法向力保持較低和穩定的值。這些結果清楚地表明本發明的砂輪具有自敷料特性。
這種類型的研磨性能非常適合于硅片的背面研磨，這是因為這些較低的力度和恒穩態的環境將工件受到的熱損傷和機械損傷降至最小。而且，砂輪的自敷料特性提供了一種無需對砂輪進行敷料(或修整)的背面研磨操作。結果，與使用傳統的砂輪得到的結果相比，本發明所述的砂輪能增加出料量、減少作業成本、并具有穩定的研磨效果。
總之，實施例3表明本發明的砂輪對蝕刻硅片具有非常合適的背面研磨性能，而完全不需要對該砂輪進行敷料。在這個應用中，本發明的砂輪的性能完全優于傳統的樹脂粘結砂輪的性能。
表2
*由于法向力超過機械的限值而使研磨機停機實施例4研磨性能評價對采用與上文實施例1所述的方法相似的方式制造的兩個金屬粘結的分段砂輪進行研磨性能測試。這兩個砂輪都包含粒度分布在大約63～74微米之間(即該顆粒比美國篩目200更細，且比美國篩目230更粗)的大約14體積％的金剛石磨料。這兩個砂輪還包含大約21體積％的金屬粘結劑(其組成如實施例1所述)和大約65體積％的互連孔隙。使用如實施例1中所述粒度為-70/+200美國篩目的食鹽分散體制造第一個砂輪(砂輪4-A)，其產生的孔隙尺寸在大約74～210微米的范圍內(孔隙尺寸被認為與除去的食鹽分散體的尺寸近似相等)。使用粒度為-50/+70美國篩目的食鹽制造第二個砂輪(砂輪4-B)，其產生的孔隙尺寸在大約210～300微米范圍內。雖然無法測量，但預計該砂輪的孔隙尺寸較大，并包含較大的金屬粘結劑的細絲尺寸。此處術語“細絲”與熟練技工熟知的正常用法一致，是指位于互連孔隙之間相連接的基質材料(即多孔結構的骨架)。
使用上文所述的兩個砂輪來對4.5平方英寸的AlTiC片進行粗研磨。研磨測試條件為研磨測試條件機械Strasbaugh 7AF型砂輪規格粗糙軸砂輪4-A砂輪4-B精細軸無砂輪尺寸2A2TSSA型280.16×28.90×228.65毫米(11×9/8×9英寸)研磨方式單研磨只使用粗糙軸粗研磨工藝砂輪轉速2,506轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料3M-310碳化鋁鈦片，114.3平方毫米(4.5平方英寸)，初始厚度為2.0毫米(0.8英寸)(由Minnesota Mining and Manufacturing Corporation，Minneapolis，MN購得)磨去的材料第一步100μm；第二步100μm；第三步100μm；一次磨削量20μm進料速度第一步0.7μm/s；第二步0.7μm/s；第三步0.7μm/s；一次磨削量0.5μm/s運作速度350轉/分鐘，恒定不變停止時0轉當磨具需要進行修整和敷料時，本測試設立的條件如下修整和敷料操作粗砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh粗敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步150μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變實施例4的研磨測試結果如下文表3所示。經觀察，這兩個砂輪都能成功地研磨AlTiC片，并隨著時間的延長顯示出相對穩定的峰值法向力和足夠的磨削量。使用包含相對細小的孔隙尺寸(且很可能包含相對細小的金屬粘結劑細絲尺寸)的第一個砂輪對AlTiC片研磨25分鐘(1500秒)。可觀察到大約35牛頓的相對穩定的峰值法向力，并有大約1150微米的AlTiC從片上磨去(材料的磨削速率約為46微米/分鐘)。觀察到該砂輪的磨損量約為488微米(材料的磨削量/砂輪的磨損量之比約為2.4)。使用包含相對較粗的孔隙尺寸(且很可能包含相對粗的金屬粘結劑的細絲尺寸)的第二個砂輪對AlTiC片研磨大約7分鐘(420秒)。可觀察到大約94牛頓的相對穩定的峰值法向力，并有大約2900微米的AlTiC從片上磨去(材料的磨削速率約為414微米/分鐘)。觀察到該砂輪的磨損量約為18微米(材料的磨削量/砂輪的磨損量之比約為160)。
總之，實施例4表明本發明所述多孔砂輪非常適合用于研磨AlTiC片。而且，這個實施例顯示本發明所述砂輪所具有的抗磨損性能和自敷料性能可通過調整該磨具的相對孔隙尺寸來進行改變。雖然并不打算拘泥于什么特殊理論，但是應認為，包含較小孔隙的砂輪的磨損量的增加與金屬粘結劑的強度減弱有關，這是由于金屬粘結劑的細絲尺寸減小了。然而，本實施例表明砂輪的性能可通過調節其中的相對孔隙尺寸來改變，以適應于特殊用途。
表3
實施例5研磨性能評價對依據上文實施例1所述方法制造的金屬粘結分段砂輪(砂輪5-A)進行50毫米(2英寸)單晶碳化硅片的精加工背面研磨的性能測試。建議使用上文實施例2中詳細介紹的市售砂輪作為對比砂輪，對硅片進行精加工背面研磨，并與本發明所述的砂輪一同進行測試。
研磨測試條件為研磨測試條件機械Strasbaugh 7AF型砂輪規格粗糙軸ASDC320-7.5MXL2040(S.P.)精細軸D3/6MIC-20BX623C(作為對比)砂輪5-A砂輪尺寸2A2TSSA型280.16×28.90×228.65毫米(11×9/8×9英寸)研磨方式雙研磨先進行粗研磨，后進行精細研磨精細研磨工藝砂輪轉速4,350轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料碳化硅片，單晶，直徑為50毫米(2英寸)，初始厚度為300微米(0.0075英寸)(由CREE Research，Inc.購得)磨去的材料第一步15μm；第二步15μm；一次磨削量5μm進料速度第一步0.5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量1.0μm/s運作速度350轉/分鐘，恒定不變停止時150轉粗研磨工藝砂輪轉速3,400轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料碳化硅片，單晶，直徑為50毫米(2英寸)，初始厚度為300微米(0.0075英寸)(由CREE Research Inc.購得)磨去的材料第一步10μm；第二步10μm；一次磨削量5μm進料速度第一步0.7μm/s；第二步0.3μm/s；一次磨削量1.0μm/s運作速度350轉/分鐘，恒定不變停止時0轉修整操作粗砂輪無精細砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh粗敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步150μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變實施例5的研磨測試結果如下文表4所示。如非常低的磨削速率所顯示，市場上出售的樹脂粘結砂輪實際上不能用來研磨碳化硅片。另一方面，本發明所述的多孔砂輪能成功地研磨非常堅硬和脆性的碳化硅片。在每一段48分鐘的運行時間內，大約有15微米的碳化硅被磨去，平均的磨削速率為0.31微米/分鐘。而且，研究發現本發明所述多孔砂輪能明顯降低材料表面的粗糙度(使用Zygo白光干涉儀測量，Zygo Corporation，Middlefield，CT)。如表4所示，使用本發明所述砂輪進行研磨，能將平均表面粗糙度(Ra)從大于100埃的初始值一直減小至小于約40埃(只有一個數據例外)。
總之，實施例5表明，本發明所述砂輪能夠為硬質、易碎的碳化硅片提供所需的研磨性能。在這一應用中，本發明砂輪的性能明顯優于傳統的樹脂粘結砂輪。
表4
實施例6基于控制流速和施加在多孔介質上的壓力之間關系的D’Arcy’s定律，通過滲透實驗定量測定多孔介質的孔隙度，用于評價本發明所述的砂輪。測定滲透性所使用的儀器和方法與在Wu等人的5,738,697號美國專利中所述的儀器和方法完全相同，即將高壓空氣施加在多孔測試樣品的平坦表面上。
多孔樣品的制備方式與實施例1中所述的方法基本相同，其中包含5體積％的3/6微米的金剛石磨料。改變食鹽和金屬粘結劑的相對量，以使得到的樣品包含大約0到大約80體積％的互連孔隙。在405℃的溫度和3200psi的壓力下，將測得直徑為1.5英寸、厚度為0.5英寸的樣品進行熱壓。冷卻之后，用碳化硅磨料漿(磨料粒度為180)對樣品進行手工研磨，以使樣品中的孔隙露出表面。然后如實施例1中所述，將該樣品浸沒在沸水中。對于每一個孔隙值都制備4個樣品。滲透率的平均測量結果如以下表5中所示。
以每單位時間(Q，立方厘米/秒)每單位壓力(P，水的英寸值)的空氣體積為單位記錄滲透率值，并貫穿直徑為1.5英寸(37.5毫米)和厚度為0.5英寸(12.7毫米)的樣品厚度進行測量。如人們所預料，對于不能有效包含互連孔隙的樣品，其滲透率的數值較低。可觀察到滲透率隨著孔隙率的增加而明顯增加。特別地，具有超過大約50％互連孔隙率的樣品，其特征是當孔隙的含量增加至大約50體積％以上時，樣品滲透率的數值超過約0.2立方厘米/秒/英寸水。
表5
實施例7按照與實施例1(見上文)中所述的方法基本相同的方式裝配出每個都包含16個段節的分段砂輪。然而，這些段節包含有機粘結劑(與實施例1中所述的金屬粘結劑不同)，并按下文所述的方法進行制造將粒狀糖(由Shaw’s Inc.，Worcester，MA購得)置于1加侖容量的油漆罐中，使用油漆振動器(由Red Devil，Inc.，Union，NJ制造)振蕩大約2小時，以除去粒狀糖上銳利的轉角和邊緣，從而有效地將這些粒狀糖“倒圓”。然后對粒狀糖進行篩選，以獲取粒度分布在大約250～500微米(即-35/+60美國篩目)之間的粒狀糖。
將粉末狀的樹脂粘結劑預先通過美國篩目200的篩子進行篩選，以除去團塊。將粒度分布在大約3～6微米之間的細金剛石磨料粉末(由Amplex Corporation(Olyphant，Pennsylvania)購得)作為RB3/6加入到上述粉末狀的樹脂中，并混合直到兩組分完全混勻。將包含大約80體積％樹脂和大約20體積％磨料的混合物通過美國篩目為165的篩子篩分3遍，然后加入粒狀糖(按上文所述方法制備)。然后對上述樹脂/磨料/糖的混合物進行攪拌，直到三者完全混勻，并通過美國篩目為24的篩子篩分兩次。
制備三種復合混合物。第一個混合物(用于制造砂輪7-A)包含大約4體積％的金剛石磨料，大約20體積％的33-344樹脂粘結劑(雙酚-A改性的可熔酚醛樹脂，由Durez Corporation of Dallas，TX購得)，和大約76體積％的粒狀糖。第二個混合物(用于制造砂輪7-B)包含大約6體積％的金剛石磨料，大約30體積％的29-346樹脂粘結劑(長鏈流動酚醛清漆樹脂，由Durez Corporation of Dallas，TX購得)，和大約64體積％的粒狀糖。第三個混合物(用于制造砂輪7-C)包含大約6體積％的金剛石磨料，大約30體積％的29-108樹脂粘結劑(超長鏈流動雙酚-A改性的可熔酚醛樹脂，由Durez Corporation of Dallas，TX購得)，和大約64體積％的粒狀糖。
將上述樹脂/磨料/糖的混合物置于圓盤狀的鐵模具上，放平，并在大約135℃的溫度和大約4100psi(28MPa)的壓力下壓制大約30分鐘，直到基質達到大約99％的理論密度。冷卻后，用180粒度的砂紙輕輕打磨該圓盤，以除去模具外殼，并通過在沸水中浸沒大約2小時來除去糖分散體。除去糖后，對該圓盤進行干燥和烘焙，以完成樹脂的固化。干燥和烘焙過程如下。首先，在5分鐘內將圓盤加熱至60℃，并維持該溫度大約25分鐘。然后，在30分鐘內將圓盤加熱至90℃，并維持該溫度大約5小時。最后，在大約4小時內將圓盤加熱至160℃，并維持該溫度大約5小時。烘焙之后，將圓盤冷卻至室溫，并研磨制得在組裝砂輪中使用的段節。
對三個有機粘結的砂輪進行精加工背面研磨硅片的性能測試。研磨測試條件為研磨測試條件機械Strasbaugh 7AF型砂輪規格粗糙軸Norton#3-R7B69精細軸砂輪7-A砂輪7-B砂輪7-C砂輪尺寸2A2TSSA型280×29×229毫米(11×9/8×9英寸)研磨方式雙研磨先進行粗研磨，后進行精細研磨精細研磨工藝砂輪轉速4,350轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料硅片，N型100取向，直徑為150毫米(6英寸)，初始厚度為0.66毫米(0.026英寸)(由Silicon Quest，CA購得)
磨去的材料第一步10μm；第二步5μm；第三步5μm；一次磨削量2μm進料速度第一步1μm/s；第二步0.7μm/s；第三步0.5μm/s；一次磨削量0.5μm/s運作速度590轉/分鐘，恒定不變停止時100轉粗研磨工藝砂輪轉速3,400轉/分鐘冷卻劑去離子水冷卻劑流速3加侖/分鐘(11升/分鐘)工作材料硅片，N型100取向，直徑為150毫米(6英寸)，初始厚度為0.66毫米(0.026英寸)(由Silicon Quest，CA購得)磨去的材料第一步10μm；第二步5μm；第三步5μm；一次磨削量10μm進料速度第一步3μm/s；第二步2μm/s；第三步1μm/s；一次磨削量5μm/s運作速度590轉/分鐘，恒定不變停止時50轉當磨具需要進行修整和敷料時，本測試設立的條件如下修整和敷料操作粗砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh粗敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步190μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變精細砂輪使用直徑為150毫米(6英寸)的Strasbaugh的超精細敷料襯墊砂輪轉速1200轉/分鐘停止時25轉磨去的材料第一步150μm；第二步10μm；一次磨削量20μm進料速度第一步5μm/s；第二步0.2μm/s；一次磨削量2μm/s運作速度50轉/分鐘，恒定不變實施例7的研磨測試結果如以下表6中所示。使用本發明所述多孔樹脂粘結砂輪(砂輪7-A、7-B和7-C)對200個硅片進行精細研磨。對于至少200個硅片，本發明所述每一個砂輪都表現出相對穩定的約為90牛頓(即約為20磅)的峰值法向力。這種類型的研磨性能非常適合于硅片的背面研磨，這是因為這些較低的力度和恒穩態的條件將工件受到的熱損傷和機械損傷減至最小。而且，本發明所述多孔砂輪在無需對其進行敷料的情況下，即可對至少200個硅片提供上文所述的非常適用的研磨作業。
此外研究發現，樹脂型的砂輪能影響砂輪的磨損率。砂輪7-A和7-C顯示出較高的磨損率，其值分別為2.2和1.7微米/片，而砂輪7-B(包含長鏈流動酚醛環氧樹脂)顯示出較低的(且適宜的)磨損率，其值為0.5微米/片。
總之，實施例7表明，本發明所述包含有機粘結劑的砂輪提供了非常合適的背面研磨硅片的性能。
表權利要求
1.一種制造互連孔隙率至少為50體積％的磨具的方法，該方法包括a).將磨粒、粘結劑材料和分散體顆粒的混合物混勻，所述混合物中包含大約0.5～25體積％的磨粒，大約19.5～49.5體積％的粘結劑材料，和大約50～80體積％的分散體顆粒；b).將所述混合物壓制成研磨壓實復合材料；c).對所述復合材料進行熱加工；和d).將所述復合材料浸沒在溶劑中一段時間，以基本上溶解所有的分散體，所述分散體溶解在所述溶劑中；所述磨粒和所述粘結劑材料基本上不溶于所述溶劑。
2.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓制(b)和所述熱處理(c)基本上是同時進行的。
3.權利要求2所述的方法，其特征在于，所述混合物在約370～795℃的溫度和約20～33兆帕的壓力下壓制至少5分鐘。
4.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體顆粒在所述混合物中的體積％是大于或等于約50體積％；且小于或等于約70體積％。
5.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘結劑材料為金屬粘結劑。
6.權利要求5所述的方法，其特征在于，所述金屬粘結劑包含大約35～85重量％的銅和大約15～65重量％的錫。
7.權利要求5所述的方法，其特征在于，所述金屬粘結劑還包含大約0.2～1.0重量％的磷。
8.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘結劑材料是有機粘結劑。
9.權利要求8所述的方法，其特征在于，所述有機粘結劑包括酚醛樹脂。
10.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨粒包含選自金剛石和立方氮化硼的超級磨粒。
11.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨粒是金剛石。
12.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨粒的平均粒度大于或等于約0.5微米；和小于或等于約300微米。
13.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨粒的平均粒度大約或等于約0.5微米；和小于或等于約75微米。
14.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體是水溶性的鹽。
15.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體選自糖、糊精、多糖低聚物、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、硅酸鈉、偏硅酸鈉、磷酸鉀、硅酸鉀、碳酸鈉、硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鎂和它們的混合物。
16.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體包括氯化鈉。
17.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體包括糖。
18.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體的粒度大于或等于約25微米；和小于或等于約500微米。
19.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體的粒度分布范圍為大于或等于約74微米；和小于或等于約210微米。
20.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體的粒度分布范圍為大于或等于約210微米；和小于或等于約300微米。
21.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散體包括糖，且該分散體的粒度分布范圍為大于或等于約150微米；和小于或等于約500微米。
22.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑是水。
23.權利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑是沸水。
24.權利要求1所述的方法，其特征在于，在進行所述熱處理(c)之后以及所述浸沒(d)之前，對復合材料的至少一個表面進行打磨。
25.權利要求1所述的方法，所述方法制造滲透率大于或等于約0.2立方厘米/秒/英寸水的磨具。
26.一種磨具，它按照權利要求1所述的方法制造。
27.一種用于分段砂輪的研磨段，所述研磨段包含包含大量超級磨粒以及燒結在一起的金屬粘結基質的復合材料，在所述復合材料中分布著大量互連孔隙，所述復合材料包含大約0.5～25體積％的磨粒，大約19.5～49.5體積％的金屬粘結劑和大約50～80體積％的互連孔隙；所述金屬粘結基質包含大約35～70重量％的銅、大約30～65重量％的錫，和大約0.2～1.0重量％的磷，其中，所述大量的超級磨粒選自金剛石和立方氮化硼，所述超級磨粒的平均粒度小于約300微米。
28.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述復合材料在大約370～795℃的溫度下燒結。
29.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述復合材料包含大于或等于約50體積％的互連孔隙；和小于或等于約70體積％的互連孔隙。
30.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述大量互連孔隙的平均孔隙尺寸大于或等于約25微米；和小于或等于約500微米。
31.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述大量互連孔隙的平均孔隙尺寸大于或等于約74微米；和小于或等于約210微米。
32.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述大量互連孔隙的平均孔隙尺寸大于或等于約210微米；和小于或等于約300微米。
33.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述大量超級磨粒的平均粒度大于或等于約0.5微米；和小于或等于約75微米。
34.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述互連孔隙通過如下步驟形成a).在對復合材料進行燒結之前，向磨粒和金屬粘結劑中加入分散體；b).將所述燒結的復合材料浸沒在溶劑中，溶解所述分散體；所述研磨段基本上不含分散體顆粒。
35.權利要求27所述的研磨段，其特征在于，所述研磨段的滲透率大于或等于約0.2立方厘米/秒/英寸水。
36.一種分段砂輪，它包括芯體；包括大量權利要求27所述段節的研磨輪緣；和位于所述芯體和所述眾多段節之間的熱穩定粘結劑。
37.一種分段砂輪，它包括芯體，其最小比強度為2.4MPa-cm3/g，密度為0.5～8.0g/cm3，具有圓周邊；包括大量段節的研磨輪緣，所述各段節都包含由大量磨粒和燒結在一起的金屬粘結基質組成的復合材料，在所述復合材料中分布著大量的互連孔隙，所述復合材料包含大約50～80體積％的互連孔隙；在所述芯體和所述眾多段節之間的熱穩定粘結劑。
38.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述復合材料在大約370～795℃的溫度下燒結。
39.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述金屬粘結劑包含大約35～85重量％的銅和大約15～65重量％的錫。
40.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述金屬粘結劑還包含大約0.2～1.0重量％的磷。
41.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述磨粒包含選自金剛石和立方氮化硼的超級磨粒。
42.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述磨粒包括金剛石。
43.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述磨粒的平均粒度大于或等于約0.5微米；和小于或等于約300微米。
44.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述大量互連孔隙的平均孔隙尺寸大于或等于約25微米；和小于或等于約500微米。
45.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述大量互連孔隙的孔隙尺寸分布大于或等于約74微米；和小于或等于約210微米。
46.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述大量互連孔隙的孔隙尺寸分布大于或等于約210微米；和小于或等于約300微米。
47.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述互連孔隙通過如下步驟形成a).在燒結之前，將分散體加入到所述眾多段節的磨粒和金屬粘結劑中；b).將所述眾多段節浸沒在溶劑中，并溶解所述分散體；其中，所述各眾多段節基本上不含分散體顆粒。
48.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述各段節的滲透率大于或等于約0.2立方厘米/秒/英寸水。
49.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述熱穩定粘結選自環氧粘結劑粘結、冶金粘結、機械粘結、擴散粘結以及它們的組合。
50.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于，所述熱穩定粘結是環氧粘結劑粘結。
51.權利要求37所述的分段砂輪，其特征在于所述金屬粘結劑包含大約35～85重量％的銅，大約15～65重量％的錫，和大約0.2～1.0重量％的磷；所述磨粒包含粒度約為0.5～300微米的金剛石；和所述大量互連孔隙的平均孔隙尺寸約為25～500微米。
52.一種制備互連孔隙約為40～80體積％的磨具的方法，所述方法包括a).將磨粒、非金屬粘結劑材料和分散體顆粒的混合物混勻，所述混合物包含大約0.5～25體積％的磨粒，大約19.5～65體積％的非金屬粘結劑材料，和大約40～80體積％的分散體顆粒；b).將所述混合物壓制成研磨壓實復合材料；c).對所述復合材料進行熱處理；和d).將所述復合材料浸沒在溶劑中一段時間，以基本上溶解所有的分散體，所述分散體溶解在所述溶劑中；所述磨粒和非金屬粘結劑材料基本上不溶于所述溶劑。
53.權利要求52所述的方法，其特征在于，所述非金屬粘結劑材料是有機粘結劑材料。
54.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述有機粘結劑材料包含選自酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、氰酸酯樹脂、三聚氰胺聚合物，以及它們的混合物。
55.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述有機粘結劑材料是酚醛樹脂。
56.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述有機粘結劑材料是酚醛清漆樹脂。
57.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述有機粘結劑材料是可熔酚醛樹脂。
58.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述磨粒包含平均粒度如下的金剛石大于或等于約0.5微米；和小于或等于約300微米。
59.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述分散體顆粒基本上是非離子的。
60.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述分散體顆粒包括糖。
61.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述壓制步驟(b)包括在約100～200℃的溫度和約20～33兆帕的壓力下壓制至少5分鐘。
62.權利要求53所述的方法，其特征在于，所述熱處理步驟(c)在所述浸沒步驟(d)之后進行，所述熱處理步驟(c)包括在約100～200℃的溫度下烘焙至少1小時。
63.權利要求53所述的方法，其特征在于，在所述浸沒步驟(d)之前，對復合材料的至少一個表面進行打磨。
64.分段砂輪的研磨段，所述研磨段包含包含大量超級磨粒和固化在一起的非金屬粘結基質的復合材料，所述復合材料中分布著大量的互連孔隙，所述復合材料包含大約0.5～25體積％的磨粒，大約19.5～65體積％的非金屬粘結劑和大約40～80體積％的互連孔隙；和其中，所述大量的超級磨粒選自金剛石和立方氮化硼，所述超級磨粒的平均粒度小于約300微米。
65.權利要求64所述的研磨段，其特征在于，所述復合材料在約100～200℃的溫度下固化。
66.權利要求64所述的研磨段，其特征在于，所述大量的超級磨粒是金剛石，其平均粒度大于或等于約0.5微米；和小于或等于約75微米。
67.權利要求64所述的研磨段，其特征在于，所述互連孔隙通過如下所述步驟形成a).在固化復合材料之前，向磨粒和非金屬粘結劑中加入分散體；和b).將所述固化的復合材料浸沒在溶劑中，并溶解所述分散體；所述研磨段基本上不包含分散體顆粒。
68.權利要求67所述的研磨段，其特征在于，所述分散體是糖，所述溶劑是水，所述非金屬粘結劑是酚醛樹脂。
69.分段砂輪，它包括芯體，其最小比強度為2.4Mpa-cm3/g，密度為0.5～8.0g/cm3，具有圓周邊；包含大量段節的研磨輪緣，所述各段節各包含由磨粒和固化在一起的非金屬粘結基質組成的復合材料，所述復合材料中分布著大量的互連孔隙，所述復合材料包含大約40～80體積％的互連孔隙；和位于所述芯體和所述眾多段節之間的熱穩定粘結劑。
70.權利要求69所述的分段砂輪，其特征在于，所述復合材料在約100～200℃的溫度下固化。
71.權利要求69所述的分段砂輪，其特征在于，所述非金屬粘結基質是有機粘結基質。
72.權利要求71所述的分段砂輪，其特征在于，所述有機粘結基質是酚醛樹脂基質。
73.權利要求71所述的分段砂輪，其特征在于，所述互連孔隙通過如下所述步驟形成a).在固化復合材料之前，向磨粒和有機粘結劑中加入分散體；和b).將所述固化的復合材料浸沒在溶劑中，并溶解所述分散體；所述研磨段基本上不包含分散體顆粒。
74.權利要求73所述的分段砂輪，其特征在于，所述分散體是糖，所述溶劑是水，所述有機粘結基質是酚醛樹脂。
75.權利要求71所述的分段砂輪，其中，所述有機粘結基質是酚醛樹脂；所述磨粒是平均粒度約為0.5～300微米的金剛石；所述熱穩定粘結劑是環氧粘結劑；和所述互連孔隙通過如下步驟形成在固化復合材料之前，向磨粒和有機粘結劑中加入粒狀糖分散體，并將固化的復合材料浸沒在水溶劑中，溶解所述分散體。
全文摘要
研磨制品包含大約40～80體積％的互連孔隙，該制品可作為分段砂輪的段節使用，并涉及該制品的制造方法。上述方法包括將磨粒、粘結材料和分散體顆粒的混合物混勻，該混合物包含大約40～80體積％的分散體顆粒。在一個實施方案中，上述混合物包含大約50～80體積％的分散體顆粒。在另一個實施方案中，該混合物包含一種有機粘結材料和大約40～80體積％的分散體顆粒。然后將上述粉末狀混合物壓制成研磨壓實復合材料，并進行熱加工。冷卻后，將該復合材料浸沒在能基本上溶解所有分散體顆粒的溶劑中，得到多孔的粘結研磨制品。
文檔編號B24D3/32GK1589189SQ02823109
公開日2005年3月2日 申請日期2002年11月14日 優先權日2001年11月21日
發明者S·拉馬那塔, S·-T·布爾間, J·R·威爾森, J·A·S·伊柯達 申請人:圣戈本磨料股份有限公司