金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响

目的探究金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫磨损的影响规律,提高固结磨料垫的自修整、加工性能及经济耐用度。方法选择14、8、5、1μm等4种粒度的金刚石颗粒,采用烧结法制备聚集体金刚石磨料,并将其用于制备固结聚集体金刚石磨料垫。在CP-4抛光测试系统平台上开展研磨试验,在线获取加工过程中的力信号和摩擦因数。对比4种粒径的固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率、研磨比、研磨前后磨料垫的微观形貌、碎屑的形貌及尺寸分布,分析固结磨料垫的磨损过程及其演变规律。结果随着金刚石颗粒粒径的增大,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率由0.2μm/min(金刚石颗粒为1μm)增加到3.5μm/min(金刚石颗粒为14μm),研磨比由2.02增加至14.33。大粒径(≥5μm)的固结磨料垫研磨后,表面仍有锋利的金刚石微切削刃,研磨过程中的切向力和摩擦因素保持稳定,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损形式以金刚石颗粒的脱落为主;超细粒径(≤1μm)固结磨料垫表面的金刚石颗粒出现堵塞现象,并且研磨过程中的切向力和摩擦因数持续下降。结论随着金刚石颗粒的一次粒径增大,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率增加,自修整能力、材料去除能力和加工过程稳定性得到提升,进入稳定磨损期的时间缩短。

固结硅基聚集体金刚石磨料垫的研磨性能

磨粒的微破碎是影响固结磨料垫研磨性能的主要因素,结合剂的组成与强度影响其微破碎行为。为实现高效研磨加工,探索不同组份的硅基结合剂聚集体磨粒的制备工艺及其研磨加工性能。在840℃,880℃,920℃温度下采用硅含量不同的结合剂制备聚集体金刚石磨粒,观察其微观形貌,并用其制备固结磨料垫,比较其在7 kPa,14 kPa,21 kPa研磨压力下固结硅基聚集体磨料垫研磨K9玻璃的研磨性能。结合剂中硅含量越高、烧结温度越高,结合剂填充越均匀、孔隙分布越合理,聚集体磨粒研磨加工时微破碎越明显,加工性能随之提升;在21 kPa研磨压力下,结合剂中硅含量最高、烧结温度为920℃制得的硅基聚集体金刚石磨料所制成的亲水性固结磨料垫研磨K9玻璃效率最高,材料去除率达到63.32μm/min,表面粗糙度Ra值为0.515μm。采用固结硅基聚集体金刚石磨料垫可以实现K9光学玻璃的高效研磨。

固结磨料抛光垫抛光硅片的探索研究

采用失重法与铅笔硬度计分析了抛光垫的组分对其溶胀率及干湿态硬度的影响,比较了固结磨料方法与游离磨料方法抛光后硅片的表面粗糙度。结果表明:抛光垫基体的溶胀率随基体中聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)或乙氧基化三羟基丙烷三丙酸酯(EO15-TMAPTA)含量的增加而提高;基体的干态硬度随PEGDA含量的增加先有所增大,而后减小,随EO15-TMAPTA含量的增加而增大;湿态下铅笔硬度随PEGDA或EO15-TMAPTA含量的增加而减小;光引发剂量的增加,有利于增大基体的干湿态硬度;固结磨料抛光硅片的去除速率是游离磨料加工的2～3倍,而前者抛光硅片后的表面粗糙度Ra为12.2nm,大于后者的4.32nm。

材料特性对亲水性固结磨料研磨垫加工性能的影响

为研究材料特性对亲水性固结磨料研磨垫的加工性能影响,本文研究了K9玻璃和硅片两种材料在不同加工顺序下研磨过程中的声发射信号和摩擦系数特征,采用扫描电镜分析磨屑的尺寸与形态.结果表明:不同加工顺序下工件的材料去除速率差别很大.与直接研磨硅片相比,先研磨K9玻璃再研磨硅片,硅片的材料去除速率大幅下降;相反,先研磨硅片再研磨K9玻璃,与直接研磨K9玻璃相比,K9玻璃的材料去除速率变化不大.无论采用哪种加工顺序,后研磨的工件表面粗糙度均比直接研磨的同种工件要大.扫描电镜的分析表明,硅片的磨屑尺寸集中在600 nm^1.5μm,磨屑大部分都棱角完整;而K9玻璃的磨屑尺寸集中在300 nm^500 nm左右,无明显棱角.硅片磨屑较大的尺寸与完整的棱角促进了研磨垫的自修正过程,所以硅片这类脆性较大的材料有利于研磨垫的自修正过程.

多晶金刚石固结磨料研磨垫精研石英玻璃的性能探索

通过粘结剂将单晶金刚石制成粒径更大的多晶金刚石。采用SEM观察了多晶金刚石的微观形貌,分别制备了单晶和多晶金刚石固结磨料研磨垫,比较了单晶与多晶金刚石固结磨料研磨垫的研磨性能。结果表明:单晶金刚石固结磨料垫与多晶金刚石固结磨料垫精研石英玻璃的表面粗糙度相似;但多晶金刚石固结磨料垫的材料去除率更高且稳定;多晶金刚石在研磨过程中的微破碎,确保了其自修整过程的实现。另外,多晶金刚石研结磨料垫研磨的石英玻璃亚表面损伤层深度小,约为原始单晶金刚石粒径的1/2。

固结磨料研磨垫孔隙结构对其加工性能的影响

为了解决铜在研磨过程中铜屑黏附减小了容屑空间,易导致研磨垫钝化问题,本文尝试在亲水性固结磨料研磨垫(FAP)内部添加硫酸镁晶体,利用硫酸镁晶体遇水溶解的特性,在研磨垫表面制造不同特征的孔隙。实验在FAP中添加粒径为8目、170目、500目的硫酸镁晶体制造了3种不同孔隙分布的研磨垫,研究了不同加工参数下FAP研磨铜片时的材料去除速率、摩擦系数、表面形貌及磨屑特征。结果表明,仅含170目硫酸镁的FAP与含8目和500目硫酸镁、质量分数分别为5%和10%的FAP在研磨过程中出现了不同程度的钝化,而FAP表现出良好的自修整性能,研磨过程摩擦系数较大且保持平稳;在研磨液流量为60ml/min时,其材料去除速率为4.46μm/min,表面粗糙度Ra为159nm。

固结磨料抛光垫的凸起图案对其加工性能的影响

抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分,其磨损均匀性能是影响加工后工件平面度的重要因素。本文比较了具有优化凸起图案的固结磨料抛光垫、凸起均布的固结磨料抛光垫和聚氨酯抛光垫的研磨抛光性能,结果表明:利用优化凸起图案的固结磨料抛光垫加工,可以得到更加优异且稳定的表面质量,材料去除效率远高于聚氨脂抛光垫游离磨料的加工方式。

铜粉含量对亲水性固结磨料抛光垫加工性能的影响研究

通过向亲水性固结磨料抛光垫中添加铜粉,改善抛光垫的抛光性能,研究铜粉添加量对抛光垫的理化特性及加工K9光学玻璃的材料去除率和工件表面质量的影响。结果表明:随着铜粉添加比例的增加,抛光垫的硬度增加,其材料去除速率呈现先增大后减小的趋势,当铜粉质量分数为5%时,抛光垫的材料去除速率达到最大值58.18 nm/min。同时加工后K9玻璃表面粗糙度也对应地呈现出先增大后减小的趋势,粗糙度Sa最大值为9.28 nm,最小值为2.53 nm。

亲水性固结磨料研磨垫自修整过程的实现探索

亲水性固结磨料研磨垫(FAP)的自修整过程影响着其加工性能的稳定性.采用亲水性树脂和铜粉制备固结磨料研磨垫,研究研磨液中添加不同含量三乙醇胺对树脂基体砂浆磨损率及研磨垫材料去除率大小、稳定性的影响,以此来判断研磨垫的自修整性能,探索亲水性固结磨料研磨垫自修整的实现机理.结果表明:在本文实验所考察范围内,随着研磨液中三乙醇胺含量的增加,树脂基体的砂浆磨损率升高,当三乙醇胺体积比从0升至5%时,砂浆磨损率从0.003 3 g上升至0.009 1 g;研磨液中三乙醇胺浓度的提高有助于其材料去除率的稳定,当三乙醇胺体积比从0升至5.0%时,材料去除率的稳定性从11%提升至42.9%.可见,研磨液中加入三乙醇胺可以改善含铜粉亲水性固结磨料研磨垫的自修整性能.

亲水性固结磨料研磨垫自修整机理探索

自修整特性是亲水性固结磨料研磨垫(FAP)的重要性能之一.为了探究其自修整的实现机理,使用PHL-350型平面高速研磨抛光机对K9玻璃圆片进行马拉松式实验.研究了研磨压力和孔隙对研磨垫自修整性能的影响.实验表明:研磨压力从0.15 MPa提高到0.20 MPa,研磨垫的自修整效果显著提高,经过一段时间后,1#研磨垫和2#研磨垫的材料去除速率分别保持在10μm/min和8μm/min以上.同时,成孔剂的加入使基体砂浆磨损率提高了近7倍,提高了固结磨料研磨垫的材料去除速率的稳定性.因此,提高压力和适当弱化基体有助于实现固结磨料研磨垫的自修整过程.

氧化镍镀覆金刚石对固结磨料研磨垫加工性能影响

黏结剂把持磨粒的能力对固结磨料研磨垫的加工性能有重要影响。选择K9玻璃作为加工对象、不饱和树脂作为黏结剂,通过沉积法在金刚石表面镀覆一层氧化镍改善金刚石与树脂的结合性能,研究了镀覆后金刚石的形貌和热处理工艺,及其对固结磨料研磨垫加工性能的影响。研究表明:镀覆量达到30%,氧化镍镀覆金刚石的热处理工艺为3 h/450℃+5 h/500℃时,能够提高固结磨料研磨垫25%的材料去除速率。

镍包覆率对固结金刚石磨料研磨垫加工性能的影响

通过化学镀镍的方法,在金刚石磨粒表面包覆一层Ni-P合金层;采用不同包覆率的金刚石磨料制备固结磨料研磨垫;通过SEM观察分析金刚石的微观形貌;研究了磨料包覆率对研磨垫加工K9玻璃过程中的摩擦系数和声发射信号的影响;采用马拉松式试验方法,比较了不同包覆率磨料的研磨垫加工K9的材料去除速率及研磨后工件的表面粗糙度。结果表明:化学镀镍可以显著改变磨料的表面形貌;研磨过程中的摩擦系数、材料去除速率和工件表面粗糙度均随着包覆率的提高呈现出先增大后减小的趋势;包覆率50%时的金刚石磨料对工件的摩擦力和切入深度最大,研磨垫的磨粒保持与自修整性平衡,加工效率及其稳定性最高。

修整技术及提高固结磨料研磨垫自修整性的研究

随着化学机械研磨的持续进行,垫表面特征会发生变化,从而使其研磨能力大大降低。修整垫可改善表面轮廓,进而提高被加工晶片表面质量,而且可以减少表面缺陷,延长使用寿命。本文着重介绍固结磨料研磨垫常见修整技术,分为非自修整和自修整两种类型,非自修整法有高压水射流修整、超声波振动法修整、金刚石修整器修整。并重点阐述通过合理选用研磨液、添加成孔剂以及优化研抛工艺参数等措施来促进亲水性固结磨料研磨垫自修整。

三乙醇胺浓度对固结磨料研磨垫自锐性能的影响

采用不同浓度的三乙醇胺研磨液研磨石英晶体,基于研磨垫磨损率和工件与研磨垫的磨损比,分析了三乙醇胺浓度对石英晶体的去除率及其去除稳定性、研磨垫磨损率、磨损比、研磨摩擦系数、声发射信号和研磨后表面质量的影响。结果表明:随着三乙醇胺浓度的增加,工件与研磨垫磨损比先增大后减小,石英晶体的材料去除率和去除稳定性也对应地先增大后减小,摩擦系数先减小后增大,声发射信号先增加后减小,研磨后工件表面质量先变好后变差。当三乙醇胺浓度为5%时,石英晶体的材料去除率最大,去除率随时间变化最稳定,研磨垫使用寿命最长,表面质量最好。结果表明:研磨液中添加适量的三乙醇胺,会稳定石英晶体加工过程,延长研磨垫使用寿命,提高工件表面质量,降低生产成本。

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点,是最具代表性的第四代半导体材料之一,具有广阔地应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷,难以实现高质量表面加工,无法满足相应器件的使用要求,且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体,探究抛光垫基体硬度、磨料浓度和抛光液添加剂对被抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒浓度为100%、抛光液添加剂为草酸时,固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min,表面粗糙度Sa为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。

研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。

磨料尺寸对固结金刚石聚集体磨料垫研磨石英玻璃加工性能的影响

石英玻璃的研磨加工是其超光滑抛光加工的前道工序,对其加工效率和最终表面质量影响甚大。针对石英玻璃的硬脆特性,采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,对其高效低损伤研磨加工工艺进行了研究。探索了金刚石聚集体磨粒的一次颗粒尺寸、二次颗粒尺寸、研磨压力和研磨液流量4因素对研磨石英玻璃加工性能的影响,综合优化得到加工效率高和表面质量优的工艺参数。实验表明:采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,当一次颗粒尺寸和二次颗粒尺寸分别为1.0~2.0μm和20~25μm,研磨压力为14kPa,研磨液流量为60mL/min时,材料去除率达到2.64μm/min,平均表面粗糙度值R_a为54.2nm。

基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态表征

固结磨料研磨垫的表面形态与其加工性能有着密切关系,为更好地了解固结磨料研磨垫表面形态,尤其是研磨垫中的金刚石、孔隙、金刚石脱落坑等的分布特征,提出一种基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态分析方法。首先,利用徕卡DVM6数字显微镜及其配套软件获取固结磨料研磨垫表面图像;然后,采用python3+OpenCV对图像进行预处理,并利用标注软件Labelme对图像进行标注,用于后续的训练和测试;最后,运用深度学习框架Tensorflow搭建Mask R-CNN模型。结果表明:Mask R-CNN模型能对单一固结磨料垫表面图像中的多目标进行有效分割与识别,其主要评价指标平均准确率达到78.9%,达到了图像识别的主流水平。

固结磨料垫高效研磨氟化钙晶体研究

氟化钙晶体的高效精密研磨加工是实现其超精密抛光加工的前提。采用单晶金刚石和聚集体金刚石磨料制备固结磨料垫(FAP),对比研究其研磨加工性能,探索不同种类的金刚石磨粒在固结磨料研磨垫自修整过程中的作用机理。结果表明:采用聚集体金刚石磨料制成的FAP研磨效率明显高于单晶金刚石FAP的,且其材料去除率更稳定,同时聚集体金刚石FAP的自修整能力要优于单晶金刚石FAP的。在10kPa压力下,采用初始粒径为3~5μm的聚集体金刚石FAP研磨氟化钙晶体,其材料去除率达13.0μm/min,表面粗糙度值Ra为130.0nm。

基于摩擦磨损的KDP晶体固结磨料抛光垫优化

本文通过固结磨料球与KDP晶体对磨的单因素试验探究固结磨料球中反应物种类、磨粒浓度、反应物浓度、基体硬度对摩擦系数、磨痕截面积和磨痕处粗糙度的影响,试验结果表明:KHCO_(3)固结磨料球对磨后磨痕对称性好,磨痕处的粗糙度值低;磨痕截面积随磨粒和反应物浓度的增加而增大,随基体硬度的增大而降低;磨痕处粗糙度随磨粒和反应物浓度的增加先降低后上升,随基体硬度的增大先上升后降低;摩擦系数受磨粒和反应物浓度影响不明显,随基体硬度的增大而降低。选择KHCO_(3)作为反应物,Ⅰ基体,磨粒浓度为基体质量的100%,反应物浓度为15%制备固结磨料球与KDP晶体对磨后的磨痕轮廓对称度好且磨痕处粗糙度值低,以该组分制备固结磨料垫干式抛光KDP晶体,可实现晶体表面粗糙度Sa值为18.50 nm,材料去除率为130 nm/min的高效精密加工。