呂升東, 劉宏偉， 姜 濱, 李 濤, 鄭師光, 鄭勇閣

(沈陽(yáng)中科超硬磨具磨削研究所， 沈陽(yáng) 110179)

現(xiàn)今的cBN砂輪已在軸承、汽車等黑色金屬材料領(lǐng)域及難磨金屬材料等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。而隨著半導(dǎo)體、光電技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片尺寸越來(lái)越小，對(duì)芯片分離技術(shù)的要求也越來(lái)越高，窄切縫、小崩邊、裂紋少、無(wú)分層等現(xiàn)象[2]已是不可抵御的趨勢(shì)。硅片廣泛用于集成電路(IC)基板、半導(dǎo)體封裝襯底材料。銅作為新的互連材料被引入集成電路的制造之后，以及大馬士革工藝的采用，都帶來(lái)了新的工藝挑戰(zhàn)[4]。陳宏良采用表面機(jī)械研磨處理方式在不同層錯(cuò)能的銅鍺合金中制備具有梯度結(jié)構(gòu)層的試樣。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析表明，梯度結(jié)構(gòu)的存在極大地提高了材料的強(qiáng)度，并在相當(dāng)程度上保存了塑性[3]。彭名君研究了銅在化學(xué)機(jī)械研磨面臨的銅腐蝕問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了局部的腐蝕防止辦法，在一定程度上減少了生產(chǎn)時(shí)銅腐蝕的發(fā)生幾率[4]。陳燕進(jìn)行了銅鋁配套端面的精密磨削加工研究，得出了適用的磨削砂輪、磨削參數(shù)和磨削刃角度[5]。關(guān)佳亮等為了研究銅和鋁材料超精密加工的新途徑，采用在線電解修整砂輪(ELID)精密磨削技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行鏡面磨削實(shí)驗(yàn)，分析加工表面的形成機(jī)理及影響因素[6]。陳宏良、彭名君等研究了磨削銅及銅合金等材料的過(guò)程中易產(chǎn)生材料氧化、腐蝕易變形等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)LED銅復(fù)合基板的精密磨削加工，克服銅在磨削過(guò)程中氧化、腐蝕、易變形等問(wèn)題，本研究增大砂輪磨削效率，提高砂輪節(jié)拍，避免了磨削加工中切屑堵塞砂輪以及磨削熱產(chǎn)生的應(yīng)力變形現(xiàn)象，并進(jìn)行了新的試驗(yàn)，且取得了良好的試驗(yàn)效果，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，有較好的市場(chǎng)前景。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

1.2.1 磨料選擇

實(shí)驗(yàn)用粒度代號(hào)4000#的cBN為主磨料，粒度代號(hào)8000#的金剛石磨料為輔助磨料。

1.2.2 結(jié)合劑的選擇及制備

cBN用陶瓷結(jié)合劑一般要求具備以下特點(diǎn)：(1)結(jié)合劑耐火度較低；(2)結(jié)合劑強(qiáng)度較高；(3)結(jié)合劑的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與磨料相匹配。結(jié)合劑如果與磨料的熱膨脹系數(shù)差距過(guò)大，燒結(jié)后會(huì)使結(jié)合劑對(duì)磨料的把持性降低，還可能使砂輪產(chǎn)生裂紋而降低砂輪強(qiáng)度；(4)結(jié)合劑的高溫潤(rùn)濕性較好；(5)結(jié)合劑與磨料之間應(yīng)無(wú)明顯的化學(xué)反應(yīng)。倘若結(jié)合劑與磨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致磨料結(jié)構(gòu)遭到破壞，使參與磨削的有效磨料數(shù)減少，會(huì)降低砂輪的磨削效率；(6)結(jié)合劑要具有良好的工藝性能。此外，結(jié)合劑的高溫流動(dòng)性應(yīng)不能過(guò)大，以免堵塞砂輪氣孔，影響砂輪的散熱與容屑功能等。

表1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

結(jié)合劑按照表2中陶瓷結(jié)合劑成分的摩爾比，轉(zhuǎn)化為等同摩爾比的實(shí)驗(yàn)原材料(SiO2/Al2O3/H3BO3/CaCO3/Li2CO3/Na2CO3/K2CO3均為試驗(yàn)用分析純)，準(zhǔn)確稱量后，球磨0.5 h、過(guò)200目篩后，倒入坩堝中在1320 ℃坩堝爐內(nèi)進(jìn)行?；?，待結(jié)合劑玻化均勻后，倒入已經(jīng)備好的冷水中急速冷卻，然后將所得的玻璃料干燥破碎球磨后過(guò)300目篩得到所需的結(jié)合劑。通過(guò)改變結(jié)合劑中不同的比例成分，研究其對(duì)砂輪性能的影響。

表2 陶瓷結(jié)合劑的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ω)

如表2所示：1#～5#結(jié)合劑中SiO2、Al2O3、B2O3、CaO不變，只改變了R2O氧化物的不同比例；6#～10#結(jié)合劑是以5#結(jié)合劑為基礎(chǔ)，固定Al2O3、CaO、R2O氧化物不變，只改變了SiO2/B2O3的比例。

1.2.3 結(jié)合劑的性能

結(jié)合劑的性能包括結(jié)合劑的耐火度、燒結(jié)溫度范圍和結(jié)合劑流動(dòng)性指標(biāo)。稱取適量的結(jié)合劑，加入適量的水混合均勻過(guò)100目篩后，篩下料放入尺寸為Φ15 mm×15 mm的模具中壓制流動(dòng)塊，然后把流動(dòng)塊放入電阻爐中，在溫度為600℃～900℃范圍內(nèi)，以1℃～2℃/min的升溫速度進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程中，隨時(shí)觀察結(jié)合劑的狀態(tài)變化，并根據(jù)結(jié)合劑的軟化情況得出結(jié)合劑的流動(dòng)性，并確定其燒結(jié)溫度及燒結(jié)溫度范圍。10種結(jié)合劑的耐火度、燒成溫度范圍及流動(dòng)性見(jiàn)表3所示。

表3 結(jié)合劑種類與結(jié)合劑的耐火度、燒成溫度范圍及流動(dòng)性

由表3可以看出：在一定范圍內(nèi)，結(jié)合劑中Li2O所占的比重越大，B2O3越多，SiO2越少，結(jié)合劑的耐火度就越低，燒結(jié)范圍越窄，流動(dòng)性越大。其原因是：結(jié)合劑中Li2O、B2O3有助熔作用，降低了結(jié)合劑的耐火度。但結(jié)合劑的燒結(jié)范圍過(guò)窄，燒成工藝就不易控制；而且流動(dòng)性過(guò)大，會(huì)引起磨料與結(jié)合劑反應(yīng)，導(dǎo)致磨料結(jié)構(gòu)破壞或者導(dǎo)致磨具在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生變形。因此，結(jié)合劑耐火度太低不適合做金剛石陶瓷砂輪。

1.2.4 輔助材料

陶瓷結(jié)合劑造孔劑為球形PMMA樹(shù)脂，造孔劑平均粒徑分別為15 μm、75 μm、300 μm、500 μm以及700μ m。不同粒徑的造孔劑與陶瓷結(jié)合劑對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 陶瓷結(jié)合劑與造孔劑對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.3 試樣制備及測(cè)試方法

1.3.1 配混料

表5給出了陶瓷cBN砂輪配方表。按表4的配方，首先將稱量好的磨料與糊精液混合均勻，再依次加入結(jié)合劑、糊精粉與相應(yīng)粒度的造孔劑，混合均勻后用40#篩網(wǎng)過(guò)篩備用。

表5 陶瓷cBN砂輪配方表

注：結(jié)合劑各個(gè)組分均為質(zhì)量百分含量；糊精粉為含量≥99%過(guò)180目篩的改性淀粉；糊精液是由糊精粉與水質(zhì)量比為1∶10溶解混合而成。

1.3.2 試樣壓制及燒成

(1)將配混好的成型料在油壓機(jī)機(jī)上壓制成規(guī)格為6 mm×6 mm×40 mm的試樣條，每種結(jié)合劑各做5條；

(2)將配混好的料在油壓機(jī)上用“8”字塊模具壓制成“8”字形的試塊，每種結(jié)合劑各做5塊“8”字塊；

(3)將試樣放置在高溫電阻爐內(nèi)，按1℃/min升溫速率800℃保溫2小時(shí)的燒結(jié)曲線燒成。

1.3.3 試樣檢測(cè)

將燒制好的試樣條和“8”字塊分別在在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

1.4 陶瓷cBN砂輪制造

將1.3.1中配混好的成型料75g放入直徑為300mm環(huán)形模具中用1000 kN油壓機(jī)在15MPa保壓2分鐘壓制成型，并按1.3.2中的燒結(jié)曲線燒結(jié)，后冷卻取出修整，然后用膠粘劑粘結(jié)到尺寸300mm的鋁合金基體上，整個(gè)砂輪放入干燥箱中干燥固化后再進(jìn)行2次修整，然后裝入沈陽(yáng)海默數(shù)控端面磨床中磨削LED基板，其中磨床用水基磨削液，磨削條件及參數(shù)見(jiàn)表6所示：

陶瓷cBN砂輪端面磨床磨削LED基板圖見(jiàn)圖1所示。

測(cè)定cBN砂輪的球狀氣孔徑、氣孔長(zhǎng)寬比及砂輪的耐久性及表面粗糙度。

4.構(gòu)建社會(huì)、司法、學(xué)校與家庭四位一體的德育教育，使德育工作由單一化向多元化發(fā)展，全社會(huì)形成合力，共同對(duì)學(xué)生進(jìn)行德育教育。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣結(jié)果與分析

表6 沈陽(yáng)海默數(shù)控端面磨床磨削條件及參數(shù)

圖1 cBN砂輪加工LED基板Fig．1 cBN grinding wheel processing LED substrate

圖1為eBN砂輪加工LED基板，圖2為不同結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度(文中所述的抗折強(qiáng)度值均為5次測(cè)量后的平均值)，圖3為不同結(jié)合劑的抗拉強(qiáng)度(文中所述的抗拉強(qiáng)度值均為5次測(cè)量后的平均值)。

圖2 不同結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度Fig．2 Relationship between different binders and specimen flexural strength

由圖2可知：不同結(jié)合劑試樣的抗折強(qiáng)度都較穩(wěn)定，重復(fù)性較好。1#～5#結(jié)合劑中添加的造孔劑比例與粒度(表4)相同，但各種氧化物R2O的加入量不同，其助熔效果不一致，進(jìn)而耐火度也不同(表3)。由圖可知結(jié)合劑5#的抗折強(qiáng)度92.37 MPa大于1#～4#的抗折強(qiáng)度85.21 MPa。故1#～5#結(jié)合劑中5#結(jié)合劑性能較優(yōu)。

以5#結(jié)合劑為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的6#～10#結(jié)合劑，其他不變，只提高結(jié)合劑的B/Si比，添加了同等比例不同粒度的造孔劑(表4)。表4的結(jié)果表明：6#結(jié)合劑的抗折強(qiáng)度最大，可達(dá)102.25 MPa。原因是其添加的造孔劑粒度小，形成的氣孔小，結(jié)合相對(duì)緊密造成的；7#、8#的抗折強(qiáng)度分別為95.53 MPa和92.47MPa，是因?yàn)樵炜讋┝６冗m中，氣孔相對(duì)較大所致；而9#、10#的抗折強(qiáng)度相對(duì)較低，分別為83.33 MPa和62.26 MPa，是因?yàn)槎叩脑炜讋┝６却?，產(chǎn)生大的氣孔率，外力作用易使其斷裂，致使其抗折強(qiáng)度偏低，但大的氣孔率砂輪易散熱，容屑、排屑效率高。所以在砂輪制備中，在粒度適宜的范圍內(nèi)，為了提高砂輪的散熱效果，宜選用較大粒度的造孔劑。

圖3 不同結(jié)合劑試樣的抗拉強(qiáng)度Fig．3 Relationship between different binders and tensile strength．

由圖3可知：1#～5#不同的結(jié)合劑試樣抗拉強(qiáng)度較穩(wěn)定，重復(fù)性較好。且4#與5#結(jié)合劑的抗拉強(qiáng)度19.34 MPa，大于1#～3#的抗拉強(qiáng)度18.69 MPa，與對(duì)圖2的抗折強(qiáng)度結(jié)果討論同理，表明5#結(jié)合劑的性能較優(yōu)。

以5#結(jié)合劑為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的6#～10#結(jié)合劑的抗拉強(qiáng)度，其砂輪中氣孔的分布與圖2中的討論一致，因此6#的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)20.38 MPa，7#與8#的抗拉強(qiáng)度次之，均可達(dá)19.22 MPa，而9#、10#的抗拉強(qiáng)度最小，分別為18.24 MPa和16.46 MPa。

2.2 陶瓷結(jié)合劑cBN砂輪結(jié)果與分析

2.2.1 1#～10#結(jié)合劑砂輪的顯微結(jié)構(gòu)

圖4為1#～10#結(jié)合劑砂輪的顯微結(jié)構(gòu)照片。

由圖4可知，在1#～10#結(jié)合劑砂輪中加入等體積比不同粒度的造孔劑，小粒徑造孔劑的砂輪氣孔小而密，大粒徑造孔劑的砂輪氣孔少而疏。結(jié)合圖4與表6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在適宜的燒成溫度范圍內(nèi)，由于所用砂輪結(jié)合劑的不同，致使砂輪中球形氣孔及氣孔的長(zhǎng)寬有所差異，從而導(dǎo)致 cBN 砂輪有不同的耐久性和面粗糙度。

2.2.2 1#～10#結(jié)合劑砂輪的性能

陶瓷cBN砂輪的性能指標(biāo)包括球狀氣孔直徑、氣孔長(zhǎng)寬比、cBN砂輪的耐久性和砂輪表面粗糙度。球狀氣孔直徑和氣孔長(zhǎng)寬比的測(cè)量是對(duì)燒結(jié)后的磨具表面進(jìn)行研磨且對(duì)其斷面進(jìn)行觀察后測(cè)量的。其中，氣孔長(zhǎng)寬比是在研磨完成后找出暴露在砂輪外表面的完整的最大氣孔處，測(cè)量其短直徑和長(zhǎng)直徑，用短直徑與長(zhǎng)直徑的比值平均值表示。砂輪的耐久性是工件磨損質(zhì)量與砂輪磨損質(zhì)量的比值，由自制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量。砂輪的表面粗糙度是在砂輪磨削完工件后，清洗干凈砂輪表面，由粗糙度儀測(cè)量。陶瓷cBN砂輪的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表7所示。

圖4 1#～10#結(jié)合劑砂輪的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig．4 Microstructure photos of grinding wheel of ceramic binders 1#～10#

表7 1#～10#結(jié)合劑砂輪的性能結(jié)果

由表7可知：1#～5#結(jié)合劑cBN砂輪中的球狀氣孔直徑及氣孔的長(zhǎng)寬比有差異，從而導(dǎo)致cBN砂輪有不同的耐久性和表面粗糙度，以5#結(jié)合劑砂輪的性能最優(yōu)。原因是：1#～5#結(jié)合劑cBN砂輪使用同比例、同粒度的造孔劑，且結(jié)合劑中SiO2、Al2O3、B2O3、CaO的量相同，只改變R2O氧化物的比例，造成結(jié)合劑耐火度有差異；耐火度低的結(jié)合劑流動(dòng)性較大，在造孔劑高溫?fù)]發(fā)產(chǎn)生氣孔后，一部分結(jié)合劑熔融體倒流入氣孔，導(dǎo)致產(chǎn)生的球狀氣孔較小，長(zhǎng)寬比較小，從而導(dǎo)致cBN砂輪耐久性低和表面粗糙度差異。

由表7還可知：7#結(jié)合劑制造的cBN砂輪，盡管使用了平均粒徑為300μm的造孔劑(表4)，但燒成后形成的球狀氣孔為314.2 μm，可以認(rèn)為是造孔劑在燒成中的氣化時(shí)，產(chǎn)生的氣體對(duì)氣孔壁有推動(dòng)作用，造成氣孔直徑徑變大；在5#、6#、7#結(jié)合劑cBN砂輪中，球狀氣孔直徑分別為73.4 μm、14.0 μm、314.2 μm，砂輪耐久性得到提高，尤其是氣孔徑為314.2μm時(shí)，砂輪耐久性提高明顯。令人感到吃驚的是，當(dāng)球形氣孔200μm，也就是314.2微米時(shí)，砂輪磨具的耐久性得到顯著提高，面粗糙度也得到了提高，也就是說(shuō)這樣的砂輪可以提高基板的質(zhì)量?？v觀5#～9#這5種結(jié)合劑制備的cBN砂輪的性能，通過(guò)降低結(jié)合劑中的SiO2/B2O3比，調(diào)節(jié)了球形氣孔直徑及氣孔長(zhǎng)寬比，8#、9#相比于5#制備的砂輪，砂輪的耐久性都提高了45以上，面粗糙度提高了6，大大提高了砂輪的磨削性能，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.3 磨床測(cè)試磨具磨削銅件結(jié)果與分析

以砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度為重要影響因素，濕磨情況下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。為了使砂輪能夠保持鋒利狀態(tài)，再做每組實(shí)驗(yàn)前需要用油石打磨cBN復(fù)合砂輪表面，以便除去磨粒之間的磨屑。測(cè)量粗糙度時(shí)，以垂直工件進(jìn)給方向?yàn)闇y(cè)針軌跡方向，在工件表面隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)量位置，去除最大值和最小值，其余取平均值為最終測(cè)量結(jié)果。同時(shí)參考表8輪廓平均算數(shù)偏差值Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廓最大高度Ry的測(cè)試結(jié)果。

表8 不同cBN砂輪磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：在cBN砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度均保持不變的情況下，使用cBN砂輪濕磨，輪廓平均算數(shù)偏差值Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廓最大高度Ry均越大，不僅可以提高磨削效率，而且有助于促進(jìn)陶瓷結(jié)合劑的脆塑性轉(zhuǎn)變，從而獲得較好的磨削質(zhì)量。磨削質(zhì)量也與磨削接觸區(qū)的溫度有關(guān)，cBN砂輪氣孔率越大，越有利于散熱且也能夠很好的容屑排屑，塑性去除率比較大，提高了磨削質(zhì)量，穩(wěn)定性好。

3 結(jié)論

在上述陶瓷cBN砂輪磨削LED銅基板的研究過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)同粒度同比例造孔劑不同結(jié)合劑，耐火度范圍為800℃～865℃，流動(dòng)性為140%～190%,抗折強(qiáng)度由85.21MPa提高到92.37MPa，抗拉強(qiáng)度由18.69MPa提高到19.34MPa；(2)不同粒度同比例造孔劑不同結(jié)合劑，耐火度范圍為820℃～865℃，流動(dòng)性為140%～160%,抗折強(qiáng)度62.26MPa提高到102.25MPa，抗拉強(qiáng)度由16.46MPa提高到20.38MPa。因?yàn)樵炜讋┝６刃?，形成的氣孔小，結(jié)合相對(duì)比較緊密造成的；因?yàn)樵炜讋┝６却螅蟮臍饪茁噬拜嗊B接尺寸較大，外力作用易發(fā)生斷裂，致使抗折強(qiáng)度偏低，但大的氣孔率砂輪易散熱，容屑排屑效率高，所以在砂輪制備中，在粒度適宜的范圍內(nèi)，宜選強(qiáng)度高的結(jié)合劑。