一种超薄陶瓷指纹片研磨工艺的制作方法

本发明涉及一种超薄陶瓷指纹片研磨设备及其研磨工艺，适用0.04-0.3mm超薄片玻璃、陶瓷、硅晶、蓝宝石等硬脆性材料研磨抛光领域。

背景技术：

随着2013年，苹果iphone5s引入指纹技术以后，手机的开机设置也从最初的数字密码、图形解锁演变到了现在的指纹识别，我们的手机也变得越来越安全了。短短两三年光景，千元机、甚至百元机也已经有了大量机型搭载了指纹识别技术，可以说指纹识别几乎已成为了手机的必备功能。指纹识别的功能也从之前的单一解锁，到现在的解锁、支付以及启动各种应用等等功能，保护用户信息安全的同时极大的方便了用户的日常使用。2016年，搭载指纹识别设备的市场规模至少达到5亿台，此类生物识别应用未来还会应用到手机以外的领域，估计到2018年，这一规模还会增加到17亿台的水平。

指纹识别市场潜力巨大，但在技术应用上却并不是那么容易的。鉴于指纹识别模组面积小，应用环境复杂，但是要求识别灵敏度和速度高，这就对对指纹识别芯片以及表面保护材料也提出了非常高的要求，目前比较成熟的方案有蓝宝石、涂覆式(coating)、陶瓷盖板以及玻璃四种方案。蓝宝石方案硬度高，耐腐蚀，但存在成本较高，抗摔能力不强成本和性能方面，蓝宝石方案优点硬度高、耐腐蚀，缺点成本高、抗摔能力不强、韧性差无法做到更薄(目前最薄0.175mm)；涂覆式方案优点成本低，缺点涂层硬度低、容易磨损和受汗水腐蚀、外观效果差；玻璃方案优点成本低，缺点硬度较低、介电常数低、抗弯强度差无法做到更薄(目前最薄0.175mm)；氧化锆陶瓷方案优点硬度较高、耐腐蚀、介电常数高、抗弯强度好能够做到更薄厚度(目前最薄0.08mm，受加工设备及成本影响)，能够实现更快更高更灵敏的识别效果，缺点成本比蓝宝石低但比其他方案成本高。据了解，氧化锆陶瓷盖板目前已在多家知名品牌手机中得到应用，未来有机会在更智能手机应用中逐渐普及。

目前限制氧化锆陶瓷指纹盖板的全面替代使用最大的障碍还是成本和加工工艺方面；影响成本的主要方面在于后加工，加工工艺方面是指目前传统加工工艺(目前最薄只能做到0.08mm)不能加工出更薄的(厚度<0.08mm)的薄片陶瓷，因为相对于陶瓷的韧性和强度，能够做到更薄对于识别反应速度更快，用户体验更强；要想降低传统的氧化锆陶瓷指纹识别盖板后加工的成本和加工更薄的薄片陶瓷，主要在于开发更先进、更高良率、更高效率的工艺及设备。目前研磨抛光氧化锆陶瓷指纹片的工艺为：1.粗磨：采用小直径(9b)双面研磨机铸铁盘+蓝钢牙板+sic(绿碳化硅)对原材料(厚度一般为0.25-0.35mm)进行一次减薄到0.1-0.15mm；2.中磨：采用小直径(9b)双面研磨机铜盘+蓝钢片+钻石液对第一次减薄的料进行二次减薄到0.08-0.09mm并降低表面粗糙度；3.精抛：采用双面研磨机抛光皮+蓝钢片+硅溶胶进行精抛到成品。缺点：1.由于产品厚度薄，使用的行星盘(蓝钢片)只能比产品厚度更薄，为了保证强度只能使用小直径行星轮从而限制了大直径行星轮的使用，每次加工产品数量较少影响加工效率；在加工过程只能使用低速、低压的加工参数从而影响加工效率；容易在加工过程中发生炒机(行星盘变形损坏、产品破碎)现象，工艺复杂、加工过程不稳定影响良率、效率。2.由于氧化锆陶瓷指纹片对表面粗糙度、平整度要求非常高,加工过程中行星轮公转和自转只有几个固定速比，不能更好的实现产品在运动的过程轨迹杂乱、无规律，使得表面不均匀粗糙度大，容易出现波纹不良。3.在精抛的过程中温度升高，导致产品表面产生橘皮不良，并引起硅溶胶凝结过快形成硬颗粒状导致产品表面划伤不良。4.无法实现更薄产品(厚度〈0.08mm)的加工。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高效、稳定并能够加工超薄(0.04mm≤厚度＜0.08mm)陶瓷指纹片研磨抛光的工艺，并能够实现量产。本发明的技术方案是：

一种超薄陶瓷指纹片的研磨工艺，该研磨工艺通过超薄陶瓷指纹片研磨设备完成，包括以下步骤：

s1、选用铸铁盘做为上抛光盘，按照质量比1:5～30的研磨粉和水配成悬浮液，将混合好的悬浮液倒入装液器内并选择启动搅拌器；

s2、设定加工参数：上抛光盘转速设置在10～40rpm，吸气盘转速设制在5～50rpm，正反转设置相同时间，单位压力为0.2～0.7kg/cm²,介质流量为4l/min；

s3、通过气缸带动上抛光盘升起到安全高度，再将产品对准吸气孔摆放好，然后启动吸气开关并检查产品是否吸牢固，确定吸附牢固后将上抛光盘下压至产品上并启动加工程序；

s4、当产品的一面粗磨好后，停止上抛光盘和吸气盘运行，并将上抛光盘上移，将产品换面后将上抛光盘下移，并再次启动吸气开关，确定吸附牢固后，然后按照步骤s2中的加工程序进行再次启动加工，完成产品另一面的粗磨；

s5、更换铸铁盘，选用抛光皮做为上抛光盘，按照质量比1:2～6的硅溶胶和水组成抛光介质；将混合好的抛光介质倒入装液器内并选择启动搅拌器与控温系统，控温温度设置为25-40℃。

s6、设定加工参数：上抛光盘转速控制在10～40rpm，吸气盘转速控制在5～40rpm，正反转设置相同时间，单位压力为0.2～0.8kg/cm²，介质流量为5l/min；

s7、通过气缸带动上抛光盘升起到安全高度，再将产品对准吸气孔摆放好，然后启动控制箱上的吸气开关并检查产品是否吸牢固，确定吸附牢固后将上抛光盘下压至产品上并启动加工程序；

s8、当产品的一面精磨好后，停止上抛光盘和吸气盘运行，并将上抛光盘上移，将产品换面后将上抛光盘下移，并再次启动吸气开关，确定吸附牢固后，然后按照步骤s6中的加工程序进行再次启动加工，完成产品另一面的精磨；

s9、待产品的两面全部抛光好后，将产品取出放入干净水中清洗干净后取出。

所述的步骤s1中的研磨粉为具有相同粒度的b4c和多晶钻石微粉按照质量比10:1混合而成，其中b4c和多晶钻石微粉粒度为w3～w9中的一种。

所述的步骤s5中的硅溶胶的粒径为30～120nm。

所述的超薄陶瓷指纹片研磨设备包括机架以及安装在机架上的上抛光盘、下固定盘、升降机构、介质喷洒机构、旋转机构和控制箱，所述的上抛光盘通过位于机架上部升降机构驱动，下固定盘位于上抛光盘的下部，且与上抛光盘相对应；在所述的上抛光盘与下固定盘之间设置有数个带吸气孔的吸气盘，每一吸气盘的下部通过转轴转动的安装在下固定盘上，该吸气盘的外壁通过旋转机构驱动；吸气管的一端与每一吸气盘的吸气孔连通，另一端与真空泵连通，所述的真空泵、升降机构、介质喷洒机构以及旋转机构均接入控制箱。

所述的升降机构包括气缸、压力传感器、连接杆和球头轴承，所述的气缸安装在机架上，沿竖直方向设置；该连接杆的一端通过压力传感器与气缸的活塞杆连接在一起，另一端通过球头轴承与所述的上抛光盘连接在一起。

所述的旋转机构包括从内至外依次设置的内轴、中轴和外轴，所述的内轴、中轴和外轴同轴设置，在所述内轴的上端形成内轴齿圈，所述的上抛光盘上设置有与内轴齿圈滑动配合的抛光盘齿圈，内轴的下端安装内轴下齿轮，该内轴下齿轮与安装在第一变频电机上的第一齿轮啮合；所述中轴的上端设置太阳轮齿圈，每一所述的吸气盘上设置有与太阳轮齿圈啮合的吸气盘齿圈，所述中轴的下端安装有中轴下齿轮，该中轴下齿轮与安装在第二变频电机上的第二齿轮啮合，所述的外轴的上端形成弧形托架，将所有的吸气盘围住，该弧形托架的内侧设置有外轴内齿圈，该外轴的下端安装有外轴下齿轮，所述的外轴下齿轮与安装在第三变频电机上的第三齿轮啮合。

所述的介质喷洒机构包括水泵和送液管，该水泵的出液口与安装在机架上的送液管的一端连通，该送液管的另一端与上抛光盘上的进液口相对应，在所述的上抛光盘上设置有与上抛光盘的进液口连通的进液通道，该进液通道的出液口位于上抛光盘的下端面。

所述的吸气盘上嵌入有密封圈。

本发明的优点是：

1.采用吸气盘密封吸气单面加工工艺：用大直径盘密封吸气的方式对产品进行固定(传统的利用蓝钢片固定)，利用双面抛光机加工原理，对产品进行单面加工，利用密封吸气的固定方式，使得产品可以完全的贴合在固定盘面上，并非常牢固，提高加工的稳定性；并可以提高加工的压力和转速，从而提高了效率；没有受传统抛光蓝钢片厚薄的影响，因此可以加出厚度更薄(0.04mm≤厚度＜0.08mm)的产品.

2.采用渐变参数工艺：利用多个变频电机实现对上抛光盘、抛光盘齿圈分别进行单独控制(传统的不能单独控制，只能实现几个固定速比，并且在生产过程中只能选择其中一种)，使其在运转过程中可以实现单独设置不同参数(如转速和转动方向)，在加工过程采用多组不同参数(渐变参数工艺)使得产品在加工过程中的运动轨迹更加随机、杂乱、无规律，从而保证产品表面更均匀、粗糙度更低并防止了波纹的产生。3.采用恒温工艺：在精磨的过程很容易发热，从而导致产品表面出现橘皮不良现象并引起硅溶胶快速蒸发结晶成硬小颗粒导致产品表面划伤；利用控温系统对精抛段的抛光介质硅溶胶进行恒温控制，保证在一个固定的温度范围内，从而避免橘皮不良和划伤产生；在生产过程中一直使用搅拌器搅拌保证介质不沉淀，混合液均匀从而保证加工效率。

4.采用粗精两道工序工艺：传统需要分三道工序才能完成加工，通过改变固定方式(吸气固定可以使用高转速高压力，并使用较小的、相同粒径的b4c(碳化硼)与多晶钻石微粉颗粒混合物作为研磨介质，提高磨削效率)、优化加工参数(渐变参数工艺可以使得粗磨的表面均匀、粗糙度低)，可以减少粗磨工序，只需两道工序就可以完成加工，提升良率、效率、节约人力成本。

5.采用双面同时修盘技术：传统的单面机无法双面同时修盘，不能很好的保证上下盘的相对平整度，从而不能保证所有盘面上产品厚度的一致性，本工艺采用的单面研磨抛光机具有双面机一样的修盘功效。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2是图1的a处放大图。

图3是图1中外轴内齿圈与吸气盘的安装关系示意图。

图4是图1中吸气盘与密封圈的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

参见图1至图4，本发明还涉及一种超薄陶瓷指纹片的研磨工艺，该研磨工艺通过超薄陶瓷指纹片研磨设备完成，包括以下步骤：

s1、选用铸铁盘做为上抛光盘(粗磨)，按照质量比1:5～30的研磨粉和水配成悬浮液，将混合好的悬浮液倒入装液器内并选择启动搅拌器；

s2、设定加工参数：上抛光盘转速设置在10～40rpm，吸气盘转速设制在5～50rpm，正反转设置相同时间，单位压力为0.2～0.7kg/cm²,介质流量为4l/min；

s3、通过气缸带动上抛光盘升起到安全高度，再将产品对准吸气孔摆放好，然后启动吸气开关并检查产品是否吸牢固，确定吸附牢固后将上抛光盘下压至产品上并启动加工程序；

s4、当产品的一面粗磨好后，停止上抛光盘和吸气盘运行，并将上抛光盘上移，将产品换面后将上抛光盘下移，并再次启动吸气开关，确定吸附牢固后，然后按照步骤s2中的加工程序进行再次启动加工，完成产品另一面的粗磨；

s5、更换铸铁盘，选用抛光皮做为上抛光盘(精磨)，按照质量比1:2～6的硅溶胶和水组成抛光介质；将混合好的抛光介质倒入装液器内并选择启动搅拌器与控温系统，控温温度设置为25-40℃。

s6、设定加工参数：上抛光盘转速控制在10～40rpm，吸气盘转速控制在5～40rpm，正反转设置相同时间(指在加工过程中正转加工的时间和反转加工的时间设置一样长，例如实例1中粗磨参数中上抛光盘和吸附盘正转的时间为30s+300s+300s＝630s,反转的时间为30s+300s+300s＝630s，是指这两个时间相同)，单位压力为0.2～0.8kg/cm²，介质流量为5l/min；

s7、通过气缸带动上抛光盘升起到安全高度，再将产品对准吸气孔摆放好，然后启动控制箱上的吸气开关并检查产品是否吸牢固，确定吸附牢固后将上抛光盘下压至产品上并启动加工程序；

s8、当产品的一面精磨好后，停止上抛光盘和吸气盘运行，并将上抛光盘上移，将产品换面后将上抛光盘下移，并再次启动吸气开关，确定吸附牢固后，然后按照步骤s6中的加工程序进行再次启动加工，完成产品另一面的精磨；

s9、待产品的两面全部抛光好后，将产品取出放入干净水中清洗干净后取出。

所述的步骤s1中的研磨粉为具有相同粒度的b4c和多晶钻石微粉按照质量比10:1混合而成，其中b4c和多晶钻石微粉粒度为w3～w9中的一种。

所述的步骤s5中的硅溶胶的粒径为30～120nm。

所述的一种超薄陶瓷指纹片研磨设备包括机架以及安装在机架上的上抛光盘6、下固定盘14、升降机构、介质喷洒机构、旋转机构和控制箱20，所述的上抛光盘6通过位于机架上部升降机构驱动，下固定盘14位于上抛光盘的下部，且与上抛光盘6相对应；在所述的上抛光盘6与下固定盘14之间设置有数个带吸气孔2的吸气盘4，每一吸气盘4的下部通过转轴13转动的安装在下固定盘14上，该吸气盘4的外壁通过旋转机构驱动；吸气管3的一端与每一吸气盘4的吸气孔2连通，另一端与真空泵(未图示)连通，所述的真空泵、升降机构、介质喷洒机构以及旋转机构均接入控制箱20。

所述的升降机构包括气缸11、压力传感器9、连接杆8和球头轴承7，所述的气缸11安装在机架上，沿竖直方向设置；该连接杆8的一端通过压力传感器9与气缸的活塞杆10连接在一起，另一端通过球头轴承7与所述的上抛光盘6连接在一起。

所述的旋转机构包括从内至外依次设置的内轴12、中轴16和外轴18，所述的内轴12、中轴16和外轴18同轴设置，在所述内轴12的上端形成内轴齿圈，所述的上抛光盘6上设置有与内轴齿圈滑动配合的抛光盘齿圈，内轴的下端安装内轴下齿轮，该内轴下齿轮与安装在第一变频电机19-1上的第一齿轮啮合；所述中轴16的上端设置太阳轮齿圈15，每一所述的吸气盘4上设置有与太阳轮齿圈15啮合的吸气盘齿圈，所述中轴16的下端安装有中轴下齿轮，该中轴下齿轮与安装在第二变频电机19-3上的第二齿轮啮合，所述的外轴18的上端形成弧形托架，将所有的吸气盘4围住，该弧形托架的内侧设置有外轴内齿圈17，该外轴18的下端安装有外轴下齿轮，所述的外轴下齿轮与安装在第三变频电机19-2上的第三齿轮啮合。

所述的介质喷洒机构包括水泵和送液管21，该水泵的出液口与安装在机架上的送液管21的一端连通(水泵的进液口与盛放研磨介质溶液的容器连通，研磨介质的溶液根据粗磨、精磨工序要求的不同而不同)，该送液管21的另一端与设置在上抛光盘上进液通道相对应，该进液通道的出液口位于上抛光盘的下端面，研磨介质溶液通过上抛光盘上的进液通道落在待研磨的产品上。

所述的吸气盘4上嵌入有密封圈5。

本发明的工作原理是：加工产品1时分别由内轴12带动上抛光盘6做自转运动，中轴16带动吸气盘4做自转运动，吸气盘4相对于上抛光盘6做自转与公转的行星运动。由于都是单独控制并可以实现无极调速，所以在加工过程中通过控制箱20设定不同阶段不同参数实现无规律加工轨迹，6个吸气盘4都是靠同一个太阳轮齿圈15驱动，因此运动轨迹完全一致；使每个吸气盘4上的产品表面质量更好，厚度更均匀。在加工产品时外轴18是不动的，只在修盘时将修盘轮放置在吸气盘4上面并分别与外轴内齿圈17、太阳轮齿圈15相啮合；通过设置中轴16和外轴18不同转速，从而实现修盘轮相对于上抛光盘6和吸气盘4做行星运动，实现上下两个盘面同时修整，保证上抛光盘6平整的同时，保证6个吸气盘4盘面平整一致性。研磨抛光介质通过送液管21与水泵连接，再通过控制箱20可以选择性开启控温系统和搅拌机(对盛放研磨介质溶液的容器进行控温和搅拌)，实现恒温加工。

由于采用密封吸气单面加工，产品与盘面牢固紧贴，因此可以加工出更薄的薄片陶瓷，最薄能加工出0.04mm的薄片陶瓷。

实施例1：

将180片直径为50mm，厚度为0.3mm的手机指纹盖板毛坯加工成厚度为0.05mm的成品。粗磨介质为1kg粒径w9的b4c与多晶钻石微粉混合物和30kg水混合溶液；精磨介质为4kg粒径120nm的硅溶胶和24kg水混合溶液。

加工参数：

按照本实施例工艺获得的产品一次合格率为98.3％，表面粗糙度为2.9nm。

实施例2：将180片直径为50mm，厚度为0.3mm的手机指纹盖板毛坯加工成厚度为0.05mm的成品。粗磨介质为2kg粒径w5的b4c与多晶钻石微颗粒混合物和30kg水混合溶液；精磨介质为5kg粒径50nm的硅溶胶和20kg水混合溶液。

加工参数：

按照本实施例工艺获得的产品一次合格率为99.4％，表面粗糙度为2.1nm。

实施例3：将180片直径为50mm，厚度为0.3mm的手机指纹盖板毛坯加工成厚度为0.05mm的成品。研磨(粗磨)介质为3kg粒径w7的b4c与多晶钻石微颗粒混合物和15kg水混合溶液；抛光(精磨)介质为7kg粒径80nm的硅溶胶和21kg水混合溶液。

加工参数：

按照本实施例工艺获得的产品一次合格率为98.8％，表面粗糙度为2.4nm。