一种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置的制造方法
【专利摘要】一种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，包括用于放置弥散强化磨盘坯体的磨盘模具，所述磨盘模具安装在支架上，所述弥散强化磨盘坯体的基体为介质材料，所述介质材料含有极性分子和弥散强化颗粒，所述装置还包括用于使得腔体内发生微波电磁场实现加热的微波发生器，所述磨盘模具位于微波发生器的腔体。本实用新型提供一种低表面损伤、效率较高、有效适用于大尺寸的加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置。
【专利说明】
一种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及精密和超精密加工技术领域，尤其是一种用于蓝宝石晶片超精密加工的磨盘制作装置。
【背景技术】
[0002]蓝宝石因其优良的性能，广泛应用于精密机械和光电信息领域，是LED中第三代半导体材料(GaN)外延生长的主要衬底材料。蓝宝石单晶(α_Α1203)属于典型的硬、脆、难加工材料，硬度极高(莫氏硬度9)。目前，蓝宝石晶片加工技术及设备基本套用单晶硅片的加工工艺及设备，缺乏对其加工各阶段工艺的优化，使得整体加工效率低，成品率低。蓝宝石晶片大批量生产所采用的典型加工工艺流程:切片(多线切割)、平整(磨削、粗研磨、精研磨)，表面光整(粗抛光、精抛光)等工序。其中，蓝宝石晶片精研磨工序采用紫铜盘或锡盘作磨盘，以金刚石磨料为磨粒、和碱性研磨液的游离磨粒加工工艺。蓝宝石晶片精研磨工序采用紫铜盘或锡盘作为研磨盘，游离磨粒方式加工，无法同时满足蓝宝石晶片高效率去除和低损伤加工要求。通过改变磨盘材料的机械和物理性能，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡。
[0003]为实现蓝宝石晶片高效率去除和低损伤加工要求，一种复合铜铁基材料磨盘提出。复合铜铁基材料磨盘主要由紫铜粉、纯铁粉、结合剂和填充剂四部分组成，它们构成磨盘的总体。传统磨盘制作时在成型方法上主要为热压成型，对磨盘坯体加热硬化成型多是利用热辐射、热传导或对流等方式将热量传递到磨盘坯体的表面，然后热传递到物体的内部，是一种从外到内的升温过程，物体表面和内部存在较大温度梯度。磨盘坯体加热硬化成型过程温度控制不当，磨盘将产生开裂、翘曲等成型磨盘缺陷，影响磨盘使用。特别是磨盘尺寸越大、磨盘坯体加热硬化成型越困难，磨盘坯体加热硬化成型已成为约束磨盘质量的瓶颈。
[0004]因此，研发一种用于蓝宝石晶片低表面损伤、高效率的超精密加工的磨盘尤为必要。
【发明内容】
[0005]为了克服现有固着磨粒磨盘制作技术的容易开裂、效率较低、无法适用于大尺寸的不足，本实用新型提供一种低表面损伤、效率较高、有效适用于大尺寸的加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]—种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，包括用于放置弥散强化磨盘坯体的磨盘模具，所述磨盘模具安装在支架上，所述弥散强化磨盘坯体的基体为介质材料，所述介质材料含有极性分子和弥散强化颗粒，所述装置还包括用于使得腔体内发生微波电磁场实现加热的微波发生器，所述磨盘模具位于微波发生器的腔体。
[0008]进一步，所述支架安装在旋转台上，所述旋转台的转轴伸出所述腔体外，所述转轴与驱动装置连接。
[0009]再进一步，所述微波发生器的腔体安装红外测温仪。
[0010]本实用新型的技术构思为:对磨盘热固化成型，利用微波磁场感应产生电场加热理论，实现磨盘坯体整体加热，改善了加热的均匀性。改变了传统固着磨粒磨盘热固化成型加热利用热辐射、热传导或对流等方式将热量传递到被加热磨盘坯体的表面，然后热传递到磨盘坯体内部，磨盘坯体表面和内部存在较大温度梯度，进而造成固着磨粒磨盘开裂、翘曲等成型磨盘缺陷。
[0011]弥散强化是材料学近年研究的一种复合材料新方法，在基体金属中加入稳定性高、呈弥散分布的第二相颗粒，以阻碍基体颗粒位错运动，达到强化基体目的。弥散颗粒加入量与基体体积分数比小，不影响基体金属固有的物理化学性质。采用纯紫铜粉、纯铁粉、结合剂、弥散强化颗粒，以弥散强化原理制作的铜铁基磨盘为复合材料磨盘，其弹性模量、磨盘材料表面硬度可调控，加工性能介于纯铜盘和锡盘加工性能之间，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡，进而有效减少后续抛光工序所需加工时间，提高整体加工效率，降低生产成本。
[0012]同时，弥散强化原理的磨盘中使用的所述弥散强化颗粒(如氧化铈、氧化硅等)在加工过程中会与蓝宝石工件产生固相反应，实现工件材料高效去除。这是因为工件(蓝宝石晶片)表面存在面缺陷，工件表面的原子结合能呈一定分布。当弥散强化颗粒在蓝宝石晶片表面划过，因机械和热的作用，弥散强化颗粒和蓝宝石晶片表面的原子相互扩散，一些弥散强化颗粒原子挤入蓝宝石晶片材料表层，降低了蓝宝石晶片材料表面的结合能；当下一个弥散强化颗粒划过蓝宝石晶片表面时，由于蓝宝石晶片表层原子结合能的降低，材料很容易被去除。因此，依靠弥散强化颗粒和蓝宝石晶片材料之间产生的化学机械作用实现材料的去除，促进监宝石晶片尚效超精密加工。
[0013]本实用新型的有益效果主要表现在:1.在磨盘热固化时，采用微波磁感应产生电场加热方式，微波可均匀渗透到磨盘坯体的内部，改善了加热的均匀性，解决传统热固化方式中热量传递到被加热磨盘坯体的表面，然后热传递到磨盘坯体内部，磨盘坯体表面和内部存在较大温度梯度，防止开裂、翘曲等磨盘成型缺陷产生。与传统热固化加热方式相比，微波电磁加热方式热固化成型固着磨粒磨盘的加工成本降低，并且制作方便。2.采用弥散强化原理的铜铁基磨盘为复合材料磨盘，解决原蓝宝石晶片精研阶段采用纯铜盘和锡盘，单一材料的磨盘，其机械和物理性能不可调，实现铜基磨盘弹性模量、磨盘材料表面硬度等性能可调控，使弥散强化原理的铜基磨盘加工性能介于纯铜盘和锡盘加工性能之间，达到蓝宝石晶片研磨加工的低表面损伤和高材料去除率的平衡;3.弥散强化原理的磨盘中使用的所述弥散强化颗粒(如氧化铈、氧化硅等)在加工过程中会与蓝宝石工件产生固相反应，实现工件材料有效去除，促进监宝石晶片尚效超精密加工。
【附图说明】
[0014]图1是加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置的示意图
[0015]图2是是基体中弥散强化原理示意图。
[0016]图3是弥散强化原理的磨盘研磨加工示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0018]参照图1?图3，一种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，包括用于放置弥散强化磨盘坯体I的磨盘模具2，所述磨盘模具2安装在支架5上，所述弥散强化磨盘坯体I的基体为介质材料，所述介质材料含有极性分子和弥散强化颗粒，所述装置还包括用于使得腔体内发生微波电磁场实现加热的微波发生器4，所述磨盘模具2位于微波发生器的腔体8。
[0019]进一步，所述支架5安装在旋转台6上，所述旋转台6的转轴伸出所述腔体外，所述转轴与驱动装置7连接。
[0020]本实施例中，弥散强化磨盘坯体I置于微波磁场中，所述的微波磁场产生的磁感强度会在所述的磨盘中金属粉末表面感应出电场而产生电流，所述的电流会在所述的金属粉末中产生热量，进而使得磨盘整体加热，微波均匀渗透到磨盘坯体的内部，改善了加热的均匀性。
[0021]所述的弥散强化磨盘包括以下组份:按质量百分比计，基体材料为纯紫铜粉，65?80% ;纯铁粉，5?8% ;结合剂10?15%，弥散强化颗粒材料2?15% ;所述的弥散强化颗粒材料为可与的蓝宝石晶片材料发生固相反应的材料。
[0022]所述的结合剂为热固性树脂，所述热固性树脂包括以下一种或两种及两种以上组合:热固性树脂，包括:酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺一甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或聚酰亚胺。
[0023]所述的弥散强化颗粒材料为以下一种或两种及两种以上组合:氧化铈、氧化硅、氧化铁、氧化镁、氧化铬、氧化铝或碳化硅。
[0024]本实施例中，实例1:所述的基于弥散强化原理的铜基磨盘包括以下组份:按质量百分比计，基体材料为纯紫铜粉，70% ;纯铁粉，5%，结合剂15%，弥散强化颗粒材料10%，控制磨盘模具表面温度120° ±5° ;实例2:基体材料为纯紫铜粉，75% ;纯铁粉，6% ;结合剂12%，弥散强化颗粒材料7%，控制磨盘模具表面温度150° ±5° ;实例3:基体材料为纯紫铜粉，65% ;纯铁粉，8% ;结合剂12%，弥散强化颗粒材料15%，控制磨盘模具表面温度180°± 5° ;实例4:基体材料为纯紫铜粉，80% ;纯铁粉，5% ;结合剂10 %，弥散强化颗粒材料5 %，控制磨盘模具表面温度210° ±5° ;实例5:基体材料为纯紫铜粉，78% ;纯铁粉，5% ;结合剂15%，弥散强化颗粒材料2%，控制磨盘模具表面温度100° ±5°。
[0025]在制作所述的弥散强化磨盘时，首先将所述的弥散强化颗粒材料与所述的结合剂充分均匀混合;然后将所述的纯紫铜粉和所述的纯铁粉逐量分步骤加入到混合均匀的所述的弥散强化颗粒材料与所述的结合剂混料中，过程采用振动方式搅拌混合，实现纯紫铜粉、纯铁粉、弥散强化颗粒、结合剂混合均匀;将混合好的弥散强化磨盘制作材料均匀平铺于磨盘模具型腔内，压制成型，然后将所述的磨盘模具置于微波加热炉内，热固化。
[0026]图1是微波磁感应加热制作磨盘示意图。将已加压成型的弥散强化磨盘坯体I连同磨盘模具2—起置于旋转台6上支架5上，磨盘模具2采用陶瓷材料制作，磨盘模具外有保温石棉。固化时，微波磁感应加热器腔体8上的微波发生器4向磨盘坯体I发出微波。驱动装置7(比如电机)通过旋转台6、支架5带动磨盘坯体I和磨盘模具2旋转，使微波均匀渗透磨盘坯体I。固化开始阶段，因为磨盘模具2陶瓷材料的吸波性能，有助于磨盘坯体迅速升速。微波固化的最后阶段，依靠磨盘模具2外保温石棉的保温作用加热固着磨粒磨盘坯体。红外测温仪3安装在腔体8上，监测磨盘模具2表面温度，进而控制微波发生器4发射功率。
[0027]图2为磨盘的弥散强化原理示意图。磨盘基体21在研磨加工过程中受剪切力过程中产生形变，增强颗粒(如S12颗粒)22弥散分布在磨盘中形成硬质点，阻碍基体材料21的位错运动，达到改变磨盘整体的弹性模量、表面硬度等性能参数的效果。
[0028]图3为弥散强化原理的磨盘研磨加工示意图。弥散强化磨盘以紫铜粉31和纯铁粉32为基体，增强颗粒33(如Si02微粉，硬度7，低于蓝宝石但高于纯铜)作为增强体，结合剂34对紫铜粉31、纯铁粉32、增强颗粒33起把持作用。增强颗粒33弥散分布在紫铜粉31和纯铁粉32中形成硬质点，实现加工时基于弥散强化原理的磨盘，其表面局部塑性优于紫铜盘，可使磨液37中大的金刚石磨粒35易于陷入磨盘表面，避免其对工件36(蓝宝石晶片)表面产生大划痕损伤；同时，基于弥散强化原理的磨盘，其整体刚性优于锡盘，在一定载荷下，可保持较高的工件材料去除率。加工过程中，增强颗粒33与工件36，在机械和热作用下，二者间产生固相反应，促进监宝石晶片1?效超精密加工D
【主权项】
1.一种加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，包括用于放置弥散强化磨盘坯体的磨盘模具，所述磨盘模具安装在支架上，其特征在于:所述弥散强化磨盘坯体的基体为介质材料，所述介质材料含有极性分子和弥散强化颗粒，所述装置还包括用于使得腔体内发生微波电磁场实现加热的微波发生器，所述磨盘模具位于微波发生器的腔体。2.如权利要求1所述的加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，其特征在于:所述支架安装在旋转台上，所述旋转台的转轴伸出所述腔体外，所述转轴与驱动装置连接。3.如权利要求1或2所述的加工蓝宝石晶片的弥散强化磨盘制作装置，其特征在于:所述微波发生器的腔体安装红外测温仪。
【文档编号】B24D18/00GK205552315SQ201620114133
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】邓乾发, 吕冰海, 郁炜, 杭伟, 郭伟刚, 王洁
【申请人】浙江工业大学