[发明专利]一种砂轮用复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种砂轮用复合材料的制备方法及应用，采用易与金刚石磨料发生化学反应的硅材料作为结合剂，使两者发生热固化反应，在接触界面生成碳化硅过度层，有效解决了传统工件加工用金刚石材料存在的问题。本发明制备的砂轮用复合材料能够用于超硬材料砂轮，包括硅片减薄砂轮和晶圆切割加工用砂轮等，能够大大提高结合剂对金刚石磨料的把持力，加工温度低，结合剂成分简单，能够有效提高砂轮使用寿命和工件加工质量，提高了产品成品率。

技术领域

本发明涉及磨具领域，具体涉及一种砂轮用复合材料的制备方法及应用。

背景技术

金刚石由于硬度高（莫氏硬度为10）常常用于砂轮制备领域，如陶瓷结合剂超硬砂轮、硅片减薄砂轮及晶圆切割加工用砂轮中，金刚石砂轮工作层直接参与端面磨削加工或切割加工，其组织结构及机械性能起着关键性作用。

金刚石在砂轮领域的应用主要包括：

（1）陶瓷结合剂超硬砂轮

陶瓷结合剂超硬砂轮通常由基体和工作层构成。工作层通常由若干磨料块拼接而成（如图1所示），磨料块主要由超硬磨料、陶瓷结合剂和气孔组成，陶瓷结合剂对磨料起到粘接把持作用，主要由长石、黏土和硼玻璃等炼制而成。磨料块直接参与磨削加工，因此磨料块的组织结构及其机械性能对砂轮使用影响较大。陶瓷结合剂超硬砂轮具有自锐性好、加工精度高等优势而被广泛应用于航空航天、电工电子、汽车等领域。

但是目前砂轮磨料块制备工艺繁琐，通常需要制备出配方设计合理的陶瓷结合剂，然后结合剂、磨料等通过混料、成型、热固化等工序制备出砂轮磨料块，环节较多，工艺稳定性难以控制，生产周期长，生产效率低。

（2）硅片减薄砂轮

硅片生产加工工序较多，工艺过程较为复杂，且质量标准要求较高。经过外圆磨、切片、倒角、研磨、抛光、清洗后，半导体硅晶棒形成硅晶圆片，其中厚度减薄加工是硅片生产工艺较为关键的工序，直接决定后续工序加工的合格率。由于硅片为硅质材料，莫氏硬度达到7，且脆性较高，因此厚度减薄工艺采用了由硬度更高的金刚石（莫氏硬度为10）作为原材料制成的金刚石砂轮（如图2所示）。

鉴于硅片材料较为珍贵，要求加工精度较高，金刚石砂轮通常呈盘状，其工作层厚度常为几毫米至几十毫米。金刚石砂轮工作层直接参与硅片的端面磨削加工，其组织结构及机械性能对硅片的磨削质量起着关键性作用。金刚石砂轮的工作层通常由金刚石磨料与结合剂经混料、压制成型、热固化等工序制备而成，常用结合剂有陶瓷和树脂两种，对磨料起到粘接把持作用。

（3）晶圆切割加工用砂轮

在芯片制备过程中，晶圆切割工艺显得尤为重要，直接决定芯片成品的合格率。由于晶圆为硅质材料，莫氏硬度达到7，且脆性较高，因此切割工艺采用了由硬度更高的金刚石（莫氏硬度为10）作为原材料制成的金刚石砂轮（如图3所示）。

鉴于晶圆材料较为珍贵，要求切割过程切缝较窄，故金刚石砂轮通常呈薄片状，其工作层厚度常为几十微米，甚至几微米。金刚石砂轮工作层直接参与晶圆的切割加工，其组织结构及机械性能对晶圆的切割质量起着关键性作用。

由于晶圆切割加工用金刚石砂轮工作层厚度通常只有几微米到几十个微米，金属或树脂结合剂的韧性较高，但刚性不足，切割过程让刀而导致切割缝出现偏移或倾斜现象，造成成品率降低。

上述砂轮加工过程均用到了金刚石材料，金刚石砂轮工作层是由磨料与结合剂构成的复合材料，金刚石磨料具有较高的硬度、强度、导热率，较低的密度（3.52g/cm³）、线膨胀系数和较强的化学惰性，结合剂材料与之差异较大，目前金刚石砂轮在加工及使用过程中均存在以下问题：

（1）结合剂对金刚石的把持力不足

①由于金刚石具有较强的化学惰性，不易与其他材料发生化学反应，故陶瓷或树脂结合剂对金刚石通常是机械包镶结合，两者并未发生化学反应，结合界面存在较宽的缝隙（如图2所示），导致结合剂对金刚石的把持力不足，金刚石磨料易脱落，造成砂轮使用寿命缩短。