一種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置的制造方法
【專利摘要】一種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，包括用于放置彌散強化磨盤坯體的磨盤模具，所述磨盤模具安裝在支架上，所述彌散強化磨盤坯體的基體為介質材料，所述介質材料含有極性分子和彌散強化顆粒，所述裝置還包括用于使得腔體內發生微波電磁場實現加熱的微波發生器，所述磨盤模具位于微波發生器的腔體。本實用新型提供一種低表面損傷、效率較高、有效適用于大尺寸的加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置。
【專利說明】
一種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及精密和超精密加工技術領域，尤其是一種用于藍寶石晶片超精密加工的磨盤制作裝置。
【背景技術】
[0002]藍寶石因其優良的性能，廣泛應用于精密機械和光電信息領域，是LED中第三代半導體材料(GaN)外延生長的主要襯底材料。藍寶石單晶(α_Α1203)屬于典型的硬、脆、難加工材料，硬度極高(莫氏硬度9)。目前，藍寶石晶片加工技術及設備基本套用單晶硅片的加工工藝及設備，缺乏對其加工各階段工藝的優化，使得整體加工效率低，成品率低。藍寶石晶片大批量生產所采用的典型加工工藝流程:切片(多線切割)、平整(磨削、粗研磨、精研磨)，表面光整(粗拋光、精拋光)等工序。其中，藍寶石晶片精研磨工序采用紫銅盤或錫盤作磨盤，以金剛石磨料為磨粒、和堿性研磨液的游離磨粒加工工藝。藍寶石晶片精研磨工序采用紫銅盤或錫盤作為研磨盤，游離磨粒方式加工，無法同時滿足藍寶石晶片高效率去除和低損傷加工要求。通過改變磨盤材料的機械和物理性能，達到藍寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡。
[0003]為實現藍寶石晶片高效率去除和低損傷加工要求，一種復合銅鐵基材料磨盤提出。復合銅鐵基材料磨盤主要由紫銅粉、純鐵粉、結合劑和填充劑四部分組成，它們構成磨盤的總體。傳統磨盤制作時在成型方法上主要為熱壓成型，對磨盤坯體加熱硬化成型多是利用熱輻射、熱傳導或對流等方式將熱量傳遞到磨盤坯體的表面，然后熱傳遞到物體的內部，是一種從外到內的升溫過程，物體表面和內部存在較大溫度梯度。磨盤坯體加熱硬化成型過程溫度控制不當，磨盤將產生開裂、翹曲等成型磨盤缺陷，影響磨盤使用。特別是磨盤尺寸越大、磨盤坯體加熱硬化成型越困難，磨盤坯體加熱硬化成型已成為約束磨盤質量的瓶頸。
[0004]因此，研發一種用于藍寶石晶片低表面損傷、高效率的超精密加工的磨盤尤為必要。
【發明內容】
[0005]為了克服現有固著磨粒磨盤制作技術的容易開裂、效率較低、無法適用于大尺寸的不足，本實用新型提供一種低表面損傷、效率較高、有效適用于大尺寸的加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置。
[0006]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]—種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，包括用于放置彌散強化磨盤坯體的磨盤模具，所述磨盤模具安裝在支架上，所述彌散強化磨盤坯體的基體為介質材料，所述介質材料含有極性分子和彌散強化顆粒，所述裝置還包括用于使得腔體內發生微波電磁場實現加熱的微波發生器，所述磨盤模具位于微波發生器的腔體。
[0008]進一步，所述支架安裝在旋轉臺上，所述旋轉臺的轉軸伸出所述腔體外，所述轉軸與驅動裝置連接。
[0009]再進一步，所述微波發生器的腔體安裝紅外測溫儀。
[0010]本實用新型的技術構思為:對磨盤熱固化成型，利用微波磁場感應產生電場加熱理論，實現磨盤坯體整體加熱，改善了加熱的均勻性。改變了傳統固著磨粒磨盤熱固化成型加熱利用熱輻射、熱傳導或對流等方式將熱量傳遞到被加熱磨盤坯體的表面，然后熱傳遞到磨盤坯體內部，磨盤坯體表面和內部存在較大溫度梯度，進而造成固著磨粒磨盤開裂、翹曲等成型磨盤缺陷。
[0011]彌散強化是材料學近年研究的一種復合材料新方法，在基體金屬中加入穩定性高、呈彌散分布的第二相顆粒，以阻礙基體顆粒位錯運動，達到強化基體目的。彌散顆粒加入量與基體體積分數比小，不影響基體金屬固有的物理化學性質。采用純紫銅粉、純鐵粉、結合劑、彌散強化顆粒，以彌散強化原理制作的銅鐵基磨盤為復合材料磨盤，其彈性模量、磨盤材料表面硬度可調控，加工性能介于純銅盤和錫盤加工性能之間，達到藍寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡，進而有效減少后續拋光工序所需加工時間，提高整體加工效率，降低生產成本。
[0012]同時，彌散強化原理的磨盤中使用的所述彌散強化顆粒(如氧化鈰、氧化硅等)在加工過程中會與藍寶石工件產生固相反應，實現工件材料高效去除。這是因為工件(藍寶石晶片)表面存在面缺陷，工件表面的原子結合能呈一定分布。當彌散強化顆粒在藍寶石晶片表面劃過，因機械和熱的作用，彌散強化顆粒和藍寶石晶片表面的原子相互擴散，一些彌散強化顆粒原子擠入藍寶石晶片材料表層，降低了藍寶石晶片材料表面的結合能；當下一個彌散強化顆粒劃過藍寶石晶片表面時，由于藍寶石晶片表層原子結合能的降低，材料很容易被去除。因此，依靠彌散強化顆粒和藍寶石晶片材料之間產生的化學機械作用實現材料的去除，促進監寶石晶片尚效超精密加工。
[0013]本實用新型的有益效果主要表現在:1.在磨盤熱固化時，采用微波磁感應產生電場加熱方式，微波可均勻滲透到磨盤坯體的內部，改善了加熱的均勻性，解決傳統熱固化方式中熱量傳遞到被加熱磨盤坯體的表面，然后熱傳遞到磨盤坯體內部，磨盤坯體表面和內部存在較大溫度梯度，防止開裂、翹曲等磨盤成型缺陷產生。與傳統熱固化加熱方式相比，微波電磁加熱方式熱固化成型固著磨粒磨盤的加工成本降低，并且制作方便。2.采用彌散強化原理的銅鐵基磨盤為復合材料磨盤，解決原藍寶石晶片精研階段采用純銅盤和錫盤，單一材料的磨盤，其機械和物理性能不可調，實現銅基磨盤彈性模量、磨盤材料表面硬度等性能可調控，使彌散強化原理的銅基磨盤加工性能介于純銅盤和錫盤加工性能之間，達到藍寶石晶片研磨加工的低表面損傷和高材料去除率的平衡;3.彌散強化原理的磨盤中使用的所述彌散強化顆粒(如氧化鈰、氧化硅等)在加工過程中會與藍寶石工件產生固相反應，實現工件材料有效去除，促進監寶石晶片尚效超精密加工。
【附圖說明】
[0014]圖1是加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置的示意圖
[0015]圖2是是基體中彌散強化原理示意圖。
[0016]圖3是彌散強化原理的磨盤研磨加工示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0018]參照圖1?圖3，一種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，包括用于放置彌散強化磨盤坯體I的磨盤模具2，所述磨盤模具2安裝在支架5上，所述彌散強化磨盤坯體I的基體為介質材料，所述介質材料含有極性分子和彌散強化顆粒，所述裝置還包括用于使得腔體內發生微波電磁場實現加熱的微波發生器4，所述磨盤模具2位于微波發生器的腔體8。
[0019]進一步，所述支架5安裝在旋轉臺6上，所述旋轉臺6的轉軸伸出所述腔體外，所述轉軸與驅動裝置7連接。
[0020]本實施例中，彌散強化磨盤坯體I置于微波磁場中，所述的微波磁場產生的磁感強度會在所述的磨盤中金屬粉末表面感應出電場而產生電流，所述的電流會在所述的金屬粉末中產生熱量，進而使得磨盤整體加熱，微波均勻滲透到磨盤坯體的內部，改善了加熱的均勻性。
[0021]所述的彌散強化磨盤包括以下組份:按質量百分比計，基體材料為純紫銅粉，65?80% ;純鐵粉，5?8% ;結合劑10?15%，彌散強化顆粒材料2?15% ;所述的彌散強化顆粒材料為可與的藍寶石晶片材料發生固相反應的材料。
[0022]所述的結合劑為熱固性樹脂，所述熱固性樹脂包括以下一種或兩種及兩種以上組合:熱固性樹脂，包括:酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺一甲醛樹脂、環氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺。
[0023]所述的彌散強化顆粒材料為以下一種或兩種及兩種以上組合:氧化鈰、氧化硅、氧化鐵、氧化鎂、氧化鉻、氧化鋁或碳化硅。
[0024]本實施例中，實例1:所述的基于彌散強化原理的銅基磨盤包括以下組份:按質量百分比計，基體材料為純紫銅粉，70% ;純鐵粉，5%，結合劑15%，彌散強化顆粒材料10%，控制磨盤模具表面溫度120° ±5° ;實例2:基體材料為純紫銅粉，75% ;純鐵粉，6% ;結合劑12%，彌散強化顆粒材料7%，控制磨盤模具表面溫度150° ±5° ;實例3:基體材料為純紫銅粉，65% ;純鐵粉，8% ;結合劑12%，彌散強化顆粒材料15%，控制磨盤模具表面溫度180°± 5° ;實例4:基體材料為純紫銅粉，80% ;純鐵粉，5% ;結合劑10 %，彌散強化顆粒材料5 %，控制磨盤模具表面溫度210° ±5° ;實例5:基體材料為純紫銅粉，78% ;純鐵粉，5% ;結合劑15%，彌散強化顆粒材料2%，控制磨盤模具表面溫度100° ±5°。
[0025]在制作所述的彌散強化磨盤時，首先將所述的彌散強化顆粒材料與所述的結合劑充分均勻混合;然后將所述的純紫銅粉和所述的純鐵粉逐量分步驟加入到混合均勻的所述的彌散強化顆粒材料與所述的結合劑混料中，過程采用振動方式攪拌混合，實現純紫銅粉、純鐵粉、彌散強化顆粒、結合劑混合均勻;將混合好的彌散強化磨盤制作材料均勻平鋪于磨盤模具型腔內，壓制成型，然后將所述的磨盤模具置于微波加熱爐內，熱固化。
[0026]圖1是微波磁感應加熱制作磨盤示意圖。將已加壓成型的彌散強化磨盤坯體I連同磨盤模具2—起置于旋轉臺6上支架5上，磨盤模具2采用陶瓷材料制作，磨盤模具外有保溫石棉。固化時，微波磁感應加熱器腔體8上的微波發生器4向磨盤坯體I發出微波。驅動裝置7(比如電機)通過旋轉臺6、支架5帶動磨盤坯體I和磨盤模具2旋轉，使微波均勻滲透磨盤坯體I。固化開始階段，因為磨盤模具2陶瓷材料的吸波性能，有助于磨盤坯體迅速升速。微波固化的最后階段，依靠磨盤模具2外保溫石棉的保溫作用加熱固著磨粒磨盤坯體。紅外測溫儀3安裝在腔體8上，監測磨盤模具2表面溫度，進而控制微波發生器4發射功率。
[0027]圖2為磨盤的彌散強化原理示意圖。磨盤基體21在研磨加工過程中受剪切力過程中產生形變，增強顆粒(如S12顆粒)22彌散分布在磨盤中形成硬質點，阻礙基體材料21的位錯運動，達到改變磨盤整體的彈性模量、表面硬度等性能參數的效果。
[0028]圖3為彌散強化原理的磨盤研磨加工示意圖。彌散強化磨盤以紫銅粉31和純鐵粉32為基體，增強顆粒33(如Si02微粉，硬度7，低于藍寶石但高于純銅)作為增強體，結合劑34對紫銅粉31、純鐵粉32、增強顆粒33起把持作用。增強顆粒33彌散分布在紫銅粉31和純鐵粉32中形成硬質點，實現加工時基于彌散強化原理的磨盤，其表面局部塑性優于紫銅盤，可使磨液37中大的金剛石磨粒35易于陷入磨盤表面，避免其對工件36(藍寶石晶片)表面產生大劃痕損傷；同時，基于彌散強化原理的磨盤，其整體剛性優于錫盤，在一定載荷下，可保持較高的工件材料去除率。加工過程中，增強顆粒33與工件36，在機械和熱作用下，二者間產生固相反應，促進監寶石晶片1?效超精密加工D
【主權項】
1.一種加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，包括用于放置彌散強化磨盤坯體的磨盤模具，所述磨盤模具安裝在支架上，其特征在于:所述彌散強化磨盤坯體的基體為介質材料，所述介質材料含有極性分子和彌散強化顆粒，所述裝置還包括用于使得腔體內發生微波電磁場實現加熱的微波發生器，所述磨盤模具位于微波發生器的腔體。2.如權利要求1所述的加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，其特征在于:所述支架安裝在旋轉臺上，所述旋轉臺的轉軸伸出所述腔體外，所述轉軸與驅動裝置連接。3.如權利要求1或2所述的加工藍寶石晶片的彌散強化磨盤制作裝置，其特征在于:所述微波發生器的腔體安裝紅外測溫儀。
【文檔編號】B24D18/00GK205552315SQ201620114133
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】鄧乾發, 呂冰海, 郁煒, 杭偉, 郭偉剛, 王潔
【申請人】浙江工業大學