用陶瓷cBN砂輪磨削LED基板

呂升東, 劉宏偉， 姜 濱, 李 濤, 鄭師光, 鄭勇閣

(沈陽中科超硬磨具磨削研究所， 沈陽 110179)

現今的cBN砂輪已在軸承、汽車等黑色金屬材料領域及難磨金屬材料等領域獲得廣泛應用[1]。而隨著半導體、光電技術的飛速發展，芯片尺寸越來越小，對芯片分離技術的要求也越來越高，窄切縫、小崩邊、裂紋少、無分層等現象[2]已是不可抵御的趨勢。硅片廣泛用于集成電路(IC)基板、半導體封裝襯底材料。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，都帶來了新的工藝挑戰[4]。陳宏良采用表面機械研磨處理方式在不同層錯能的銅鍺合金中制備具有梯度結構層的試樣。經實驗分析表明，梯度結構的存在極大地提高了材料的強度，并在相當程度上保存了塑性[3]。彭名君研究了銅在化學機械研磨面臨的銅腐蝕問題，通過實驗得到了局部的腐蝕防止辦法，在一定程度上減少了生產時銅腐蝕的發生幾率[4]。陳燕進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、磨削參數和磨削刃角度[5]。關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，對其進行鏡面磨削實驗，分析加工表面的形成機理及影響因素[6]。陳宏良、彭名君等研究了磨削銅及銅合金等材料的過程中易產生材料氧化、腐蝕易變形等問題。

為實現LED銅復合基板的精密磨削加工，克服銅在磨削過程中氧化、腐蝕、易變形等問題，本研究增大砂輪磨削效率，提高砂輪節拍，避免了磨削加工中切屑堵塞砂輪以及磨削熱產生的應力變形現象，并進行了新的試驗，且取得了良好的試驗效果，可實現批量生產，有較好的市場前景。

1 實驗

1.1 主要實驗設備及儀器

主要實驗設備及儀器見表1。

1.2 實驗原料

1.2.1 磨料選擇

實驗用粒度代號4000#的cBN為主磨料，粒度代號8000#的金剛石磨料為輔助磨料。

1.2.2 結合劑的選擇及制備

cBN用陶瓷結合劑一般要求具備以下特點：(1)結合劑耐火度較低；(2)結合劑強度較高；(3)結合劑的熱膨脹系數應與磨料相匹配。結合劑如果與磨料的熱膨脹系數差距過大，燒結后會使結合劑對磨料的把持性降低，還可能使砂輪產生裂紋而降低砂輪強度；(4)結合劑的高溫潤濕性較好；(5)結合劑與磨料之間應無明顯的化學反應。倘若結合劑與磨料發生化學反應，導致磨料結構遭到破壞，使參與磨削的有效磨料數減少，會降低砂輪的磨削效率；(6)結合劑要具有良好的工藝性能。此外，結合劑的高溫流動性應不能過大，以免堵塞砂輪氣孔，影響砂輪的散熱與容屑功能等。

表1 主要實驗設備及儀器

結合劑按照表2中陶瓷結合劑成分的摩爾比，轉化為等同摩爾比的實驗原材料(SiO2/Al2O3/H3BO3/CaCO3/Li2CO3/Na2CO3/K2CO3均為試驗用分析純)，準確稱量后，球磨0.5 h、過200目篩后，倒入坩堝中在1320 ℃坩堝爐內進行玻化，待結合劑玻化均勻后，倒入已經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300目篩得到所需的結合劑。通過改變結合劑中不同的比例成分，研究其對砂輪性能的影響。

表2 陶瓷結合劑的組成(質量分數 ω)

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

1.2.3 結合劑的性能

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

表3 結合劑種類與結合劑的耐火度、燒成溫度范圍及流動性

由表3可以看出：在一定范圍內，結合劑中Li2O所占的比重越大，B2O3越多，SiO2越少，結合劑的耐火度就越低，燒結范圍越窄，流動性越大。其原因是：結合劑中Li2O、B2O3有助熔作用，降低了結合劑的耐火度。但結合劑的燒結范圍過窄，燒成工藝就不易控制；而且流動性過大，會引起磨料與結合劑反應，導致磨料結構破壞或者導致磨具在燒結過程中發生變形。因此，結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

陶瓷結合劑造孔劑為球形PMMA樹脂，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合劑對應關系如表4所示。

表4 陶瓷結合劑與造孔劑對應關系

1.3 試樣制備及測試方法

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，再依次加入結合劑、糊精粉與相應粒度的造孔劑，混合均勻后用40#篩網過篩備用。

表5 陶瓷cBN砂輪配方表

注：結合劑各個組分均為質量百分含量；糊精粉為含量≥99%過180目篩的改性淀粉；糊精液是由糊精粉與水質量比為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機上壓制成規格為6 mm×6 mm×40 mm的試樣條，每種結合劑各做5條；

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

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

1.3.3 試樣檢測

將燒制好的試樣條和“8”字塊分別在在電子萬能試驗機上測試其抗折強度和抗拉強度。

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環形模具中用1000 kN油壓機在15MPa保壓2分鐘壓制成型，并按1.3.2中的燒結曲線燒結，后冷卻取出修整，然后用膠粘劑粘結到尺寸300mm的鋁合金基體上，整個砂輪放入干燥箱中干燥固化后再進行2次修整，然后裝入沈陽海默數控端面磨床中磨削LED基板，其中磨床用水基磨削液，磨削條件及參數見表6所示：

陶瓷cBN砂輪端面磨床磨削LED基板圖見圖1所示。

測定cBN砂輪的球狀氣孔徑、氣孔長寬比及砂輪的耐久性及表面粗糙度。

4.構建社會、司法、學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展，全社會形成合力，共同對學生進行德育教育。

2 實驗結果與分析

2.1 試樣結果與分析

表6 沈陽海默數控端面磨床磨削條件及參數

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為不同結合劑試樣的抗折強度(文中所述的抗折強度值均為5次測量后的平均值)，圖3為不同結合劑的抗拉強度(文中所述的抗拉強度值均為5次測量后的平均值)。

圖2 不同結合劑試樣的抗折強度Fig．2 Relationship between different binders and specimen flexural strength

由圖2可知：不同結合劑試樣的抗折強度都較穩定，重復性較好。1#～5#結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，進而耐火度也不同(表3)。由圖可知結合劑5#的抗折強度92.37 MPa大于1#～4#的抗折強度85.21 MPa。故1#～5#結合劑中5#結合劑性能較優。

以5#結合劑為基礎設計的6#～10#結合劑，其他不變，只提高結合劑的B/Si比，添加了同等比例不同粒度的造孔劑(表4)。表4的結果表明：6#結合劑的抗折強度最大，可達102.25 MPa。原因是其添加的造孔劑粒度小，形成的氣孔小，結合相對緊密造成的；7#、8#的抗折強度分別為95.53 MPa和92.47MPa，是因為造孔劑粒度適中，氣孔相對較大所致；而9#、10#的抗折強度相對較低，分別為83.33 MPa和62.26 MPa，是因為二者的造孔劑粒度大，產生大的氣孔率，外力作用易使其斷裂，致使其抗折強度偏低，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，為了提高砂輪的散熱效果，宜選用較大粒度的造孔劑。

圖3 不同結合劑試樣的抗拉強度Fig．3 Relationship between different binders and tensile strength．

由圖3可知：1#～5#不同的結合劑試樣抗拉強度較穩定，重復性較好。且4#與5#結合劑的抗拉強度19.34 MPa，大于1#～3#的抗拉強度18.69 MPa，與對圖2的抗折強度結果討論同理，表明5#結合劑的性能較優。

以5#結合劑為基礎設計的6#～10#結合劑的抗拉強度，其砂輪中氣孔的分布與圖2中的討論一致，因此6#的抗拉強度最大，達20.38 MPa，7#與8#的抗拉強度次之，均可達19.22 MPa，而9#、10#的抗拉強度最小，分別為18.24 MPa和16.46 MPa。

2.2 陶瓷結合劑cBN砂輪結果與分析

2.2.1 1#～10#結合劑砂輪的顯微結構

圖4為1#～10#結合劑砂輪的顯微結構照片。

由圖4可知，在1#～10#結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。結合圖4與表6實驗數據可知，在適宜的燒成溫度范圍內，由于所用砂輪結合劑的不同，致使砂輪中球形氣孔及氣孔的長寬有所差異，從而導致 cBN 砂輪有不同的耐久性和面粗糙度。

2.2.2 1#～10#結合劑砂輪的性能

陶瓷cBN砂輪的性能指標包括球狀氣孔直徑、氣孔長寬比、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寬比的測量是對燒結后的磨具表面進行研磨且對其斷面進行觀察后測量的。其中，氣孔長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，測量其短直徑和長直徑，用短直徑與長直徑的比值平均值表示。砂輪的耐久性是工件磨損質量與砂輪磨損質量的比值，由自制的摩擦磨損試驗機測量。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，由粗糙度儀測量。陶瓷cBN砂輪的性能指標測試結果如表7所示。

圖4 1#～10#結合劑砂輪的顯微結構照片Fig．4 Microstructure photos of grinding wheel of ceramic binders 1#～10#

表7 1#～10#結合劑砂輪的性能結果

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

由表7還可知：7#結合劑制造的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，可以認為是造孔劑在燒成中的氣化時，產生的氣體對氣孔壁有推動作用，造成氣孔直徑徑變大；在5#、6#、7#結合劑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，砂輪耐久性提高明顯。令人感到吃驚的是，當球形氣孔200μm，也就是314.2微米時，砂輪磨具的耐久性得到顯著提高，面粗糙度也得到了提高，也就是說這樣的砂輪可以提高基板的質量。縱觀5#～9#這5種結合劑制備的cBN砂輪的性能，通過降低結合劑中的SiO2/B2O3比，調節了球形氣孔直徑及氣孔長寬比，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，顯著提高了產品質量。

2.2.3 磨床測試磨具磨削銅件結果與分析

以砂輪線速度、磨削深度、工件進給速度為重要影響因素，濕磨情況下設計實驗方案。為了使砂輪能夠保持鋒利狀態，再做每組實驗前需要用油石打磨cBN復合砂輪表面，以便除去磨粒之間的磨屑。測量粗糙度時，以垂直工件進給方向為測針軌跡方向，在工件表面隨機選取5個測量位置，去除最大值和最小值，其余取平均值為最終測量結果。同時參考表8輪廓平均算數偏差值Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry的測試結果。

表8 不同cBN砂輪磨削實驗結果

由表8可知：在cBN砂輪線速度、磨削深度、工件進給速度均保持不變的情況下，使用cBN砂輪濕磨，輪廓平均算數偏差值Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry均越大，不僅可以提高磨削效率，而且有助于促進陶瓷結合劑的脆塑性轉變，從而獲得較好的磨削質量。磨削質量也與磨削接觸區的溫度有關，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，提高了磨削質量，穩定性好。

3 結論

在上述陶瓷cBN砂輪磨削LED銅基板的研究過程中，實驗結果表明：(1)同粒度同比例造孔劑不同結合劑，耐火度范圍為800℃～865℃，流動性為140%～190%,抗折強度由85.21MPa提高到92.37MPa，抗拉強度由18.69MPa提高到19.34MPa；(2)不同粒度同比例造孔劑不同結合劑，耐火度范圍為820℃～865℃，流動性為140%～160%,抗折強度62.26MPa提高到102.25MPa，抗拉強度由16.46MPa提高到20.38MPa。因為造孔劑粒度小，形成的氣孔小，結合相對比較緊密造成的；因為造孔劑粒度大，大的氣孔率砂輪連接尺寸較大，外力作用易發生斷裂，致使抗折強度偏低，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，宜選強度高的結合劑。