[發明專利]一種藍寶石晶片高效超精密加工方法

在審

• 申請號: 201510324923.7
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104924195A
• 公開（公告）日: 2015-09-23
• 發明（設計）人: 鄧乾發;呂冰海;郁煒;周兆忠;趙天晨
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B24B37/04
• 分類號: B24B37/04;B24B37/11
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

技術領域

本發明涉及精密和超精密加工技術領域，尤其是一種藍寶石晶片高效超精密加工。

背景技術

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中：具有透波、多光譜共用等光學特性，并能承受惡劣環境，使其在軍事上成為艦載、機載和星載武器或設備的大尺寸窗口材料，在民用上正成為手機、平板電腦的新型面板材料；具有良好的電絕緣性、光透過率和匹配的晶格排列特性，使其成為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-Al2O3)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。

傳統加工方法中“切-磨-拋”成本占藍寶石晶片生產總成本的30％-50％，尤其因研磨工藝所造成的藍寶石晶片表面損傷層(表面殘余應力、應變、劃痕和位錯等)過深，在拋光階段往往需3～5小時或更長時間才能去除這些表面殘留缺陷，并且還有20％左右的藍寶石晶片拋光后需要返工，甚至偏薄而報廢，極大地增加了加工成本，成為制約藍寶石晶片大量應用的瓶頸。

藍寶石晶片精研磨工序采用紫銅盤作為加工盤,紫銅盤彈性模量和表面硬度較高，雖然工件材料去除率高，但易在晶片表面和亞表面造成劃痕、微裂紋、晶格位錯等損傷。錫盤彈性模量和表面硬度比紫銅盤低，加工時，工件材料裂紋等表面缺陷和亞表面損傷較少，但去除率低。紫銅盤和錫盤為單一材質材料，其彈性模量、磨盤材料表面硬度不可調控，無法同時滿足藍寶石晶片高效率去除和低損傷加工要求。因此，如果能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，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。

因此，研發一種應用于藍寶石晶片低表面損傷高效率的超精密加工方法尤為必要。

發明內容

為了克服現有的藍寶石晶片加工方法的表面損傷較大、加工效率較低的不足，本發明提供一種能實現低表面損傷、高加工效率的藍寶石晶片超精密加工方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種藍寶石晶片高效超精密加工方法，該方法采用基于彌散強化原理的銅基磨盤進行加工；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，70～85％；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；

加工過程中，裝夾在夾具中的工件置于所述的銅基磨盤上；磨液從注入口進入所述的銅基磨盤的加工區域；所述的工件上載荷、所述的銅基磨盤轉速、磨液磨料濃度和磨液流量，可精確控制。

進一步，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－甲醛樹脂、環氧樹脂、不飽和樹脂、聚氨酯或聚酰亞胺。

再進一步，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。

更進一步，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、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，將所述的磨盤模具置于熱燒結壓機中，壓制成型。

本發明的技術構思為：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、結合劑、彌散強化顆粒，以彌散強化原理制作的銅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。