一种用于硅片倒角的砂轮制造方法与制造装置转让专利
申请号 : CN202010137977.3
文献号 : CN111230761B
文献日 : 2021-04-13
发明人 : 苑泽伟 , 王雪 , 赵回回 , 台立刚 , 郎玲琪
申请人 : 沈阳工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于硅片倒角的砂轮制造方法,其特征在于:该方法为:
1)采用热压烧结的方法烧结形成圆盘形状的金属结合剂金刚石砂轮;
2)采用电火花加工方法修整烧结得到的金属结合剂金刚石砂轮外圆柱表面形状;
3)采用特定形状的硬质合金滚压轮在金刚石砂轮外圆柱表面滚压出梯型凹槽;
4)采用与硬质合金滚压轮形状相同的工作电极电火花修整金刚石砂轮的梯型凹槽,使金刚石砂轮梯型凹槽表面的金刚石磨粒裸露,得到凹槽形状误差小于等于0.1mm的硅片倒角金刚石砂轮;
该方法仅适用于硅片倒角砂轮的制造装置,该制造装置:机床垫块(25)固定于床身(18)上,轴承座(24)固定于机床垫块(25)上,用于安装金刚石砂轮的金刚石砂轮轴(17)通过轴承水平设于轴承座(24)上,金刚石砂轮减速电机(1)设于床身(18)上,金刚石砂轮减速电机(1)和金刚石砂轮轴(17)通过同步带(26)连接在一起,气缸装置(19)与气动滑轨(20)连通,气动滑轨(20)上设有气动滑块(21),气动滑轨(20)是设于滑动台(31)上的,滑动台(31)的下端设有与床身(18)上端形状相匹配接触的内螺纹滑块,内螺纹滑块螺纹配合有滚珠丝杠装置(5),滚珠丝杠装置(5)远离金刚石砂轮轴(17)的一端通过扭矩转换器连接有液压缸装置(6),液压缸装置(6)固定在床身(18)上,气动滑块(21)上端连接有支撑板(22),支撑板(22)上固定有硬质合金滚压轮减速电机(3),硬质合金滚压轮减速电机(3)的电机轴设有粗加工硬质合金滚压轮(8)、精加工硬质合金滚压轮(9)、金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12),金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)连接有电火花加工电源(7)。
2.根据权利要求1所述的用于硅片倒角的砂轮制造方法,其特征在于:所述步骤1)中,热压烧结的方法为:将粒度为50 800目的金刚石粉料以体积浓度为20% 95%比例与Ti‑Al‑~ ~
Cu‑Sn金属粉料搅拌均匀,形成砂轮工作层粉料;同时加工出形状误差小于10微米的金属基体,并将其装入到金属模具中;接下来,将砂轮工作层粉料注入到金属基体与金属模具之间的环形空腔中,刮平,并置于压力机上压制成型,形成金属基体表面的压坯;然后将金属基体连同压坯一块置入升温至550℃ 650℃的烧结炉中2 20分钟,烧结形成圆盘形状的金属~ ~
结合剂金刚石砂轮。
3.根据权利要求1所述的用于硅片倒角的砂轮制造方法,其特征在于:所述金刚石砂轮的梯型凹槽需用两次滚压得到,第一次滚压为粗加工,第二次滚压为精滚压;金刚石砂轮的梯型凹槽深度为0.5 2.5mm,倒角角度为30°60°,梯形凹槽较长的底长度为1 3mm,梯形凹~ ~ ~
槽较短的底长度为0.5 1mm。
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4.根据权利要求1所述的用于硅片倒角的砂轮制造方法,其特征在于:所述滚压轮材料是硬质合金或PCD材料,其截面形状与金刚石砂轮梯型凹槽截面形状相同,且为磨削得到;
所述工作电极的形状与硬质合金滚压轮形状相同,材料为铜合金,且使用工作电极电火花加工过程中采用修整块对工作电极的外形进行在机修整。
5.一种如权利要求1所述用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:机床垫块(25)固定于床身(18)上,轴承座(24)固定于机床垫块(25)上,用于安装金刚石砂轮的金刚石砂轮轴(17)通过轴承水平设于轴承座(24)上,金刚石砂轮减速电机(1)设于床身(18)上,金刚石砂轮减速电机(1)和金刚石砂轮轴(17)通过同步带(26)连接在一起,气缸装置(19)与气动滑轨(20)连通,气动滑轨(20)上设有气动滑块(21),气动滑轨(20)是设于滑动台(31)上的,滑动台(31)的下端设有与床身(18)上端形状相匹配接触的内螺纹滑块,内螺纹滑块螺纹配合有滚珠丝杠装置(5),滚珠丝杠装置(5)远离金刚石砂轮轴(17)的一端通过扭矩转换器连接有液压缸装置(6),液压缸装置(6)固定在床身(18)上,气动滑块(21)上端连接有支撑板(22),支撑板(22)上固定有硬质合金滚压轮减速电机(3),硬质合金滚压轮减速电机(3)的电机轴设有粗加工硬质合金滚压轮(8)、精加工硬质合金滚压轮(9)、金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12),金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)连接有电火花加工电源(7)。
6.根据权利要求5所述的用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:所述金刚石砂轮减速电机(1)是通过金刚石砂轮减速电机座(27)固定于床身(18)上的,所述硬质合金滚压轮减速电机(3)是通过硬质合金滚压轮减速电机座(23)固定于支撑板(22)上的。
7.根据权利要求5所述的用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:所述床身(18)上还设有修整块(4)。
8.根据权利要求5所述的用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:所述金刚石砂轮轴(17)设有金刚石砂轮绝缘法兰盘(28),金刚石砂轮绝缘法兰盘(28)的两侧设有金刚石砂轮绝缘垫片(14),金刚石砂轮(16)是固定在金刚石砂轮绝缘法兰盘(28)上的,并通过金刚石砂轮固定套(15)将其夹在两侧的金刚石砂轮绝缘垫片(14)之间。
9.根据权利要求5所述的用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:所述金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)是固定在工作电极绝缘法兰盘(29)上的,工作电极绝缘法兰盘(29)固定在硬质合金轴(30)上,金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)的两侧皆设有工作电极绝缘垫片(10),通过硬质合金滚压轮固定套(13)将金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)固定。
10.根据权利要求5所述的用于硅片倒角的砂轮的制造装置,其特征在于:所述粗加工硬质合金滚压轮(8)、精加工硬质合金滚压轮(9)、金刚石砂轮修整工作电极(11)和砂轮槽修整工作电极(12)之间皆设有用于隔断的垫块。
说明书 :
一种用于硅片倒角的砂轮制造方法与制造装置
技术领域
背景技术
缝和棱角等缺陷,这会给后续表面加工和集成电路工艺带来一系列损害。为防止硅片产生
缺陷问题以及增加硅切割片边缘的表面机械强度、消除边缘切割应力、减少颗粒污染、防止
边缘的破裂以及颗粒的脱落,应对硅片进行倒角。硅片倒角是将从硅棒上切割下来的硅片
的锐利边缘修整成指定形状,以防止后续加工过程中硅片边缘出现破裂、崩边及晶格缺陷
等,以及提高硅片的机械强度与可加工性,同时硅片倒角亦把晶棒外径滚磨产生的应力层
除去的过程。
要分为两种类型:一种是用电镀法的磨削轮,另一种是烧结法的磨削轮。电镀法制备的磨削
轮主要是美国生产的Diamotec和Nifec等;烧结法的磨削轮主要有日本SUN、KGW等公司生产
的倒角轮。
结合剂金刚石砂轮表面,并在金属结合剂金刚石砂轮上直接切削出所需要的用以加工硅片
倒角的砂轮槽,金刚石刀具硬度高,能够较好的完成所需要的设定切削任务,虽仍会有刀具
损耗,但相较于普通刀具损耗已经大大降低。该方法加工效率较高,加工过程中刀具不易断
裂,制造出的金刚石砂轮切削刃钝圆半径值可以磨得很小,能够切削出较小尺寸的砂轮槽,
但是,砂轮槽的表面质量较低,难以保证其几何形状和精度,且生产成本高。
间的间隙达到一定距离时,接入的两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿,产生火花放电,
在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下,一边蚀除工件金属,一边使工具电极
不断地向工件进给,最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。该方法能加工普通切
削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件,加工出的砂轮槽形状精准,尺寸精度较高,倒
角角度更加精确,不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷,且加工时工具电极基本无损耗。但是,该
方法加工效率低,存在放电间隙,需多次调整电极尺寸和电参数,工作液的净化和加工中产
生的烟雾污染处理比较麻烦,需要保持产生杂质和去除杂质平衡才能顺利的进行,加工成
本较高,且加工过程容易造成砂轮槽由于内应力得增加而变形。
能量激光束的能量及其移动速度均可调,能够保证砂轮槽的尺寸精度。但是,该方法不能大
批量加工,不同的操作人员所感觉的焦点位置会有所不同,间距精度会有所变化,难以加工
出倒角砂轮槽所需要的角度精度,经济效益低。
此外,所需金刚石倒角砂轮沟槽尺寸较小,并且在角度、间距、倒角半径等方面都存在着较
高精度的尺寸要求,采用传统方法很难保证加工精度,且难以兼顾加工成本和效率。因此针
对以上问题,需提出较为经济合理的砂轮槽制作方法和砂轮制造装置。
发明内容
精度不高、沟槽形状与间距不一致和槽底圆弧难以形成问题。
片倒角金刚石砂轮。
为20% 95%比例与Ti‑Al‑Cu‑Sn金属粉料搅拌均匀,形成砂轮工作层粉料;同时加工出形状
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误差小于10微米的金属基体,并将其装入到金属模具中;接下来,将砂轮工作层粉料注入到
金属基体与金属模具之间的环形空腔中,刮平,并置于压力机上压制成型,形成金属基体表
面的压坯;然后将金属基体连同压坯一块置入升温至550℃ 650℃的烧结炉中2 20分钟,烧
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结形成圆盘形状的金属结合剂金刚石砂轮。
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的底长度为1 3mm,梯形凹槽较短的底长度为0.5 1mm;
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金,且使用工作电极电火花加工过程中采用修整块对工作电极的外形进行在机修整。
石砂轮减速电机设于床身上,金刚石砂轮减速电机和金刚石砂轮轴通过同步带连接在一
起,气缸装置与气动滑轨连通,气动滑轨上设有气动滑块,气动滑轨是设于滑动台上的,滑
动台的下端设有与床身上端形状相匹配接触的内螺纹滑块,内螺纹滑块螺纹配合有滚珠丝
杠装置,滚珠丝杠装置远离金刚石砂轮轴的一端通过扭矩转换器连接有液压缸装置,液压
缸装置固定在床身上,气动滑块上端连接有支撑板,支撑板上固定有硬质合金滚压轮减速
电机,硬质合金滚压轮减速电机的电机轴设有粗加工硬质合金滚压轮、精加工硬质合金滚
压轮、金刚石砂轮修整工作电极和砂轮槽修整工作电极,金刚石砂轮修整工作电极和砂轮
槽修整工作电极连接有电火花加工电源。
砂轮固定套将其夹在两侧的金刚石砂轮绝缘垫片之间。
修整工作电极的两侧皆设有工作电极绝缘垫片,通过硬质合金滚压轮固定套将金刚石砂轮
修整工作电极和砂轮槽修整工作电极固定。
大负荷;因砂轮烧结过程不可避免地存在着收缩及变形,所以使用前采用电火花加工方法
修整热压烧结金属结合剂金刚石砂轮的表面形状,保证尺寸精度。之后采用特定形状的硬
质合金滚压轮在金刚石砂轮表面滚压出符合图纸要求的梯型凹槽,避免了金刚石颗粒脱落
较多的问题,且精度较高,崩边率较低,有效的降低了成本。最后采用采用与硬质合金滚压
轮形状相同的工作电极电火花修整金刚石砂轮的梯型凹槽,修整出所需要的表面形貌,使
金刚石砂轮梯型凹槽表面金刚石裸露,优化砂轮整形过程磨粒几何形状、分布及切削刃所
处高度不一致的问题,得到高形状精度的硅片倒角金刚石砂轮。由此得到精度较高、表面质
量较好的硅片倒角砂轮。
附图说明
轮、9.精加工硬质合金滚压轮、10.工作电极绝缘垫片、11.金刚石砂轮修整工作电极、12.砂
轮槽修整工作电极、13.硬质合金滚压轮固定套、14.金刚石砂轮绝缘垫片、15.金刚石砂轮
固定套、16.金刚石砂轮、17.金刚石砂轮轴、18.床身、19.气缸装置、20.气动滑轨、21.气动
滑块、22.支撑板、23.硬质合金滚压轮减速电机座、24.轴承座、25.机床垫块、26.同步带、
27.金刚石砂轮减速电机座、28.金刚石砂轮绝缘法兰盘、29.工作电极绝缘法兰盘、30.硬质
合金轴、31.滑动台。
用于限定本发明。
属粉料搅拌均匀,形成砂轮工作层粉料;同时加工出形状误差小于10微米的金属基体,并将
其装入到金属模具中;接下来,将砂轮工作层粉料注入到金属基体与金属模具之间的环形
空腔中,刮平,并置于压力机上压制成型,形成金属基体表面的压坯;然后将金属基体连同
压坯一块置入升温至550℃ 650℃的烧结炉中2 20分钟,烧结形成圆盘形状的金属结合剂
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金刚石砂轮;金属结合剂金刚石砂轮成型性好,耐高温,导热性耐磨性好,使用寿命长,可承
受较大负荷
1和图2所示,金刚石砂轮的梯型凹槽深度为0.5 2.5mm,倒角角度为30°60°,梯形凹槽较长
~ ~
的底长度为1 3mm,梯形凹槽较短的底长度为0.5 1mm;滚压轮材料是硬质合金,优选的是YW
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类硬质合金,或PCD材料,其截面形状与金刚石砂轮梯型凹槽截面形状相同,形状误差小于
20微米,且为磨削得到;所述工作电极的形状与硬质合金滚压轮形状相同,材料为铜合金,
且使用工作电极电火花加工过程中采用修整块对工作电极的外形进行在机修整。采用电火
花加工方法修整砂轮烧结过程存在着的收缩及变形,保证了尺寸精度。滚压出的梯型凹槽,
避免了金刚石颗粒脱落较多的问题,且精度较高,崩边率较低,有效的降低了成本。
片倒角金刚石砂轮。修整出所需要的表面形貌,使金刚石砂轮梯型凹槽表面金刚石裸露,优
化砂轮整形过程磨粒几何形状、分布及切削刃所处高度不一致的问题,得到高形状精度的
硅片倒角金刚石砂轮。
17通过轴承水平设于轴承座24上,金刚石砂轮减速电机1通过金刚石砂轮减速电机座27固
定于床身18上,金刚石砂轮减速电机1和金刚石砂轮轴17皆键连接有同步带轮2,金刚石砂
轮减速电机1和金刚石砂轮轴17的同步带轮2通过同步带26连接在一起,金刚石砂轮减速电
机1能够通过同步带26带动金刚石砂轮轴17同步旋转,床身18固定有气缸装置19,气缸装置
19与气动滑轨20连通,气动滑轨20上设有气动滑块21,气动滑轨20是设于滑动台31上的,滑
动台31的下端设有与床身18上端形状相匹配接触的内螺纹滑块,内螺纹滑块螺纹配合有滚
珠丝杠装置5,滚珠丝杠装置5远离金刚石砂轮轴17的一端通过扭矩转换器连接有液压缸装
置6,液压缸装置6固定在床身18上,气动滑块21上端连接有支撑板22,支撑板22上通过硬质
合金滚压轮减速电机座23固定有硬质合金滚压轮减速电机3,硬质合金滚压轮减速电机3的
电机轴设有粗加工硬质合金滚压轮8、精加工硬质合金滚压轮9、金刚石砂轮修整工作电极
11和砂轮槽修整工作电极12,粗加工硬质合金滚压轮8、精加工硬质合金滚压轮9、金刚石砂
轮修整工作电极11和砂轮槽修整工作电极12之间皆设有用于隔断的垫块。金刚石砂轮修整
工作电极11和砂轮槽修整工作电极12连接有电火花加工电源7。床身18上还设有修整块4,
用于对粗加工硬质合金滚压轮8、精加工硬质合金滚压轮9、金刚石砂轮修整工作电极11和
砂轮槽修整工作电极12的形状进行修正,保证所加工金刚石砂轮沟槽形状的精度。金刚石
砂轮轴17设有金刚石砂轮绝缘法兰盘28,金刚石砂轮绝缘法兰盘28的两侧设有金刚石砂轮
绝缘垫片14,金刚石砂轮16是固定在金刚石砂轮绝缘法兰盘28上的,并通过金刚石砂轮固
定套15将其夹在两侧的金刚石砂轮绝缘垫片14之间,金刚石砂轮16是通过键连接的方式与
金刚石砂轮绝缘法兰盘28连接的。金刚石砂轮修整工作电极11和砂轮槽修整工作电极12是
固定在工作电极绝缘法兰盘29上的,工作电极绝缘法兰盘29固定在硬质合金轴30上,金刚
石砂轮修整工作电极11和砂轮槽修整工作电极12的两侧皆设有工作电极绝缘垫片10,通过
硬质合金滚压轮固定套13将金刚石砂轮修整工作电极11和砂轮槽修整工作电极12固定。
粗加工硬质合金滚压轮8、精加工硬质合金滚压轮9、金刚石砂轮修整工作电极11和砂轮槽
修整工作电极12的X轴移动。将金刚石砂轮16固定于金刚石砂轮轴17固定于上,金刚石砂轮
减速电机1带动金刚石砂轮16旋转,由硬质合金滚压轮减速电机3带动粗加工硬质合金滚压
轮8、精加工硬质合金滚压轮9、金刚石砂轮修整工作电极11和砂轮槽修整工作电极12的旋
转。首先调整金刚石砂轮修整工作电极11沿金刚石砂轮16母线移动,实现对金刚石砂轮16
圆柱圆弧面的修整。其次,调整粗加工硬质合金滚压轮8对准金刚石砂轮16并对其表面圆柱
圆弧面进行滚压形成梯形沟槽粗加工表面;粗加工硬质合金滚压轮8在做旋转运动的同时
还做进给运动,实行双向进给,与金刚石砂轮16相对滚压,金刚石砂轮16表面的磨粒在摩擦
力的作用下开始慢慢旋转,旋转的同时对金属结合剂产生一定的挤压力,至使粘结剂出现
裂纹,随着摩擦力的连续作用,造成结合剂的裂纹进一步扩大,最终粘结剂破碎,使磨钝的
金刚石颗粒从砂轮表面脱落,形成用以加工的倒角砂轮槽。接下来调整精加工硬质合金滚
压轮9对准金刚石砂轮16粗加工沟槽位置滚压,实现金刚石砂轮16表面梯形沟槽的精加工;
精加工后,调整砂轮槽修整工作电极12对准经过精加工的金刚石砂轮16表面梯形沟槽,实
现金刚石砂轮16沟槽表面的金刚石磨粒出刃。
的自主生产,降低了生产制造成本。
明的保护范围。