[發明專利]一種砂輪用復合材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202110591065.8
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113199410A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 邢波;張櫻凡;趙金墜
• 申請（專利權）人: 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司
• 主分類號: B24D3/04
• 分類號: B24D3/04;B24D3/34;B24D18/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發明提供了一種砂輪用復合材料的制備方法及應用，采用易與金剛石磨料發生化學反應的硅材料作為結合劑，使兩者發生熱固化反應，在接觸界面生成碳化硅過度層，有效解決了傳統工件加工用金剛石材料存在的問題。本發明制備的砂輪用復合材料能夠用于超硬材料砂輪，包括硅片減薄砂輪和晶圓切割加工用砂輪等，能夠大大提高結合劑對金剛石磨料的把持力，加工溫度低，結合劑成分簡單，能夠有效提高砂輪使用壽命和工件加工質量，提高了產品成品率。

技術領域

本發明涉及磨具領域，具體涉及一種砂輪用復合材料的制備方法及應用。

背景技術

金剛石由于硬度高（莫氏硬度為10）常常用于砂輪制備領域，如陶瓷結合劑超硬砂輪、硅片減薄砂輪及晶圓切割加工用砂輪中，金剛石砂輪工作層直接參與端面磨削加工或切割加工，其組織結構及機械性能起著關鍵性作用。

金剛石在砂輪領域的應用主要包括：

（1）陶瓷結合劑超硬砂輪

陶瓷結合劑超硬砂輪通常由基體和工作層構成。工作層通常由若干磨料塊拼接而成（如圖1所示），磨料塊主要由超硬磨料、陶瓷結合劑和氣孔組成，陶瓷結合劑對磨料起到粘接把持作用，主要由長石、黏土和硼玻璃等煉制而成。磨料塊直接參與磨削加工，因此磨料塊的組織結構及其機械性能對砂輪使用影響較大。陶瓷結合劑超硬砂輪具有自銳性好、加工精度高等優勢而被廣泛應用于航空航天、電工電子、汽車等領域。

但是目前砂輪磨料塊制備工藝繁瑣，通常需要制備出配方設計合理的陶瓷結合劑，然后結合劑、磨料等通過混料、成型、熱固化等工序制備出砂輪磨料塊，環節較多，工藝穩定性難以控制，生產周期長，生產效率低。

（2）硅片減薄砂輪

硅片生產加工工序較多，工藝過程較為復雜，且質量標準要求較高。經過外圓磨、切片、倒角、研磨、拋光、清洗后，半導體硅晶棒形成硅晶圓片，其中厚度減薄加工是硅片生產工藝較為關鍵的工序，直接決定后續工序加工的合格率。由于硅片為硅質材料，莫氏硬度達到7，且脆性較高，因此厚度減薄工藝采用了由硬度更高的金剛石（莫氏硬度為10）作為原材料制成的金剛石砂輪（如圖2所示）。

鑒于硅片材料較為珍貴，要求加工精度較高，金剛石砂輪通常呈盤狀，其工作層厚度常為幾毫米至幾十毫米。金剛石砂輪工作層直接參與硅片的端面磨削加工，其組織結構及機械性能對硅片的磨削質量起著關鍵性作用。金剛石砂輪的工作層通常由金剛石磨料與結合劑經混料、壓制成型、熱固化等工序制備而成，常用結合劑有陶瓷和樹脂兩種，對磨料起到粘接把持作用。

（3）晶圓切割加工用砂輪

在芯片制備過程中，晶圓切割工藝顯得尤為重要，直接決定芯片成品的合格率。由于晶圓為硅質材料，莫氏硬度達到7，且脆性較高，因此切割工藝采用了由硬度更高的金剛石（莫氏硬度為10）作為原材料制成的金剛石砂輪（如圖3所示）。

鑒于晶圓材料較為珍貴，要求切割過程切縫較窄，故金剛石砂輪通常呈薄片狀，其工作層厚度常為幾十微米，甚至幾微米。金剛石砂輪工作層直接參與晶圓的切割加工，其組織結構及機械性能對晶圓的切割質量起著關鍵性作用。

由于晶圓切割加工用金剛石砂輪工作層厚度通常只有幾微米到幾十個微米，金屬或樹脂結合劑的韌性較高，但剛性不足，切割過程讓刀而導致切割縫出現偏移或傾斜現象，造成成品率降低。

上述砂輪加工過程均用到了金剛石材料，金剛石砂輪工作層是由磨料與結合劑構成的復合材料，金剛石磨料具有較高的硬度、強度、導熱率，較低的密度（3.52g/cm³）、線膨脹系數和較強的化學惰性，結合劑材料與之差異較大，目前金剛石砂輪在加工及使用過程中均存在以下問題：

（1）結合劑對金剛石的把持力不足

①由于金剛石具有較強的化學惰性，不易與其他材料發生化學反應，故陶瓷或樹脂結合劑對金剛石通常是機械包鑲結合，兩者并未發生化學反應，結合界面存在較寬的縫隙（如圖2所示），導致結合劑對金剛石的把持力不足，金剛石磨料易脫落，造成砂輪使用壽命縮短。