基本信息
- 項目名稱：
- 熱固型親水性固結磨料拋光墊
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 熱固型親水性固結磨料拋光墊適用于半導體材料、光學零件等難加工材料的超精密加工。全新的熱固化工藝大大縮短了拋光墊的制備時間，更適應于工業(yè)化的生產要求；磨料表面改性技術增強了磨粒與基體之間的結合性能，大幅度提高了拋光墊的加工效率和使用壽命；基體配方的研制和優(yōu)化使拋光墊具備親水性和自修整性，在提高加工質量的同時可以保持穩(wěn)定高效的加工效率；拋光墊制備和使用過程綠色環(huán)保，具有極高的推廣應用價值。
- 詳細介紹：
- 在半導體集成電路及超精密光學零件的制造過程中，化學機械拋光技術作為獲得超光滑無損傷表面的最有效的方法已經得到廣泛應用。目前化學機械拋光工藝主要采用傳統(tǒng)的游離磨料拋光方式，但該方法存在磨粒及相應耗材的消耗量大，生產成本高，環(huán)境污染嚴重，全局平坦化效果差等缺陷。為了解決傳統(tǒng)游離磨料拋光帶來的諸多問題，本團隊成功研發(fā)了熱固型親水性固結磨料拋光墊，針對所要解決的關鍵技術難題，開展了以下工作： 1、基體配方的研制和熱固型親水性固結磨料拋光墊的制備工藝研究 根據自由基引發(fā)劑引發(fā)不飽和樹脂聚合的機理，選取的樹脂基體中含有的活性官能團如（—C=C—、—C≡C—），可以在自由基熱引發(fā)劑的激發(fā)下發(fā)生聚合反應。本作品首先選用多種含有活性官能團的樹脂和不同類型的熱引發(fā)劑，針對所選的基體和熱引發(fā)劑進行熱固化實驗，最終確定基體的配方。根據所選配方，通過控制固化溫度、固化時間、固化劑比例等因素制備拋光墊基體的樣品，并以鉛筆硬度、溶脹率、擺式硬度、砂漿磨損率等為評價指標，研究各因素對固化后拋光墊基體性能的影響規(guī)律。最終實現對固化工藝和基體性能的控制。 2、磨料表面改性技術和拋光墊基體中磨粒分散技術研究 磨料進行表面改性技術：首先對磨料進行爆轟處理，增加磨料表面的不規(guī)則性，然后在磨料表面沉積一層多孔粗糙的氧化物，進一步提高磨料與基體之間的結合力，使得在加工過程中磨粒不會過早脫落，延長了拋光墊的使用壽命并提高了加工效率。 拋光墊基體中磨粒分散技術：在添加適量分散劑的基礎上采用超聲分散技術，確保金剛石磨粒均勻地分散到基體內部，減緩在固化過程中磨粒的沉降，使固化后拋光墊內部各處磨粒均勻一致。 3、熱固型親水性固結磨料拋光墊的親水性和自修整性 拋光墊基體中含有大量的親水基團，溶脹前，聚合物形成了具有一定交聯度的網絡結構，與水接觸后水滲入網絡與親水基團相結合，導致網絡結構膨脹，拋光墊基體的硬度下降，這種現象被稱為親水性。在拋光壓力作用下，拋光墊表面的金剛石磨料發(fā)生“退讓”，避免對加工的工件產生劃痕，被加工工件的表面質量得到了明顯的提高。經過一段時間的使用后固結磨料拋光墊表面參與磨削的鋒利磨粒逐漸被磨鈍，磨粒與工件間的相互作用力增大至磨粒脫落，亞表面層的磨粒隨之露出，使拋光墊具有自修整性，該過程在加工中一直循環(huán)進行，因此在加工過程中拋光墊可以保持穩(wěn)定的加工效率。 4、基于熱固型親水性固結磨料拋光墊的研磨拋光工藝優(yōu)化研究 在美國CETR公司生產的CP-4拋光機上，以研拋壓力、轉速、研拋時間、拋光液流量及拋光液PH值為加工參數控制拋光環(huán)境溫度和潔凈度，以材料去除率、加工后工件的三維輪廓表面粗糙度和亞表面損傷深度為評價指標，針對于不同材料（如硅片、微晶玻璃、藍寶石玻璃等）的工件及加工要求，對熱固型固結磨料拋光墊的加工效果進行評測，最終對不同材料確定最優(yōu)的加工工藝。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1、作品設計發(fā)明目的 在精密超精密加工領域，化學機械拋光技術被認為是獲得超光滑無損傷表面的最有效的方法。本團隊采用熱固化法制備出的親水性固結磨料拋光墊具有加工性能優(yōu)異、使用壽命長、綠色環(huán)保、制備工藝符合工業(yè)化生產等優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)游離磨料拋光帶來的諸多缺陷，使得本作品具有廣闊的應用前景。 2、基本思路 從不飽和樹脂固化機理出發(fā)，結合熱固化法在涂料行業(yè)的應用，開發(fā)出大尺寸熱固型親水性固結磨料拋光墊制備工藝；開展磨料表面改性技術和磨料分散技術的研究；選用不同的材料作為加工對象，對熱固型親水性固結磨料拋光墊的研磨拋光性能進行評價；研究研磨拋光工藝對表面粗糙度及工件亞表面損傷的影響規(guī)律，完善熱固型固結磨料拋光墊的加工工藝。 3、創(chuàng)新點 1）熱引發(fā)固化技術； 2）拋光墊磨料表面改性技術； 3）磨料分散技術； 4）拋光墊具有親水性和自修整特性。 4、技術關鍵 1）引發(fā)劑選取和拋光墊基體組分的確定； 2）微細磨料的表面處理與材料鍍覆； 3）磨料的分散工藝。 5、主要指標 1）拋光墊基體溶脹率在1%-10%之間可控； 2）使用過程中拋光墊的磨粒保持率η維持在20%以上； 3）拋光墊直徑可達500mm以上，厚度可超過20mm； 4）單片拋光墊制備時間不超過10分鐘； 5）加工效果優(yōu)于現有加工指標。
科學性、先進性
- 1、本作品可以在中溫甚至常溫的條件下完成拋光墊的制備，固化機理的變革使得固結磨料拋光墊的固化過程更加迅速，拋光墊不同區(qū)域對工件材料的加工性能更加均勻一致、加工過程更加穩(wěn)定、高效。 2、金剛石磨料表面經過鍍覆改性。作品通過電鍍沉積法在磨料表面鍍覆一層氧化物，提高了磨粒與基體之間的結合力，并采用超聲分散技術，確保金剛石顆粒在基體中分散均勻，從而延長了拋光墊的使用壽命，提高了加工效率。 3、采用不含任何有機溶劑的親水性樹脂聚合物作為拋光墊基體，有效減少了加工過程中的有害物質的排放，減小了對環(huán)境的污染，與此同時使拋光墊具備親水性和自修整性能，大大提高了加工效率和工件的表面質量。 4、可以制備厚度更大、形狀更復雜的拋光墊，從而可以實現對平面、凹凸曲面等異性面進行加工，擴展了拋光墊的使用范圍。
獲獎情況及鑒定結果
- 1、于2010年12月31日，經合作企業(yè)委托在浙江省輕工及五金產品質量檢驗中心，參照企業(yè)制定的相關標準和行業(yè)標準，分別針對本拋光墊所研制的樹脂基體的光澤、孔洞、針眼氣泡、顆粒飽滿度、溶脹率和磨粒保持率進行了檢測，認定合格。 2、于2010年12月，在校大學生科技節(jié)暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內選拔賽中榮獲特等獎。
作品所處階段
- 已與浙江省浦江縣敏銳精密儀器有限公司開展基于硅片及水晶玻璃拋光的拋光墊中試制備。
技術轉讓方式
- 技術轉讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實物產品、現場加工演示、圖片錄像、樣品。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 技術特點：拋光墊基體的親水性和自修整性；所使用磨料的表面改性；固化機理為熱固化法。 優(yōu)勢：基于二體磨損機理，加工效率高；對材料表面有選擇性去除作用，具有優(yōu)越的平坦化能力；綠色環(huán)保經濟效益高。 適用范圍：半導體材料、光學元件、薄壁金屬零件等的超精密加工。 推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測：化學機械拋光作為目前半導體加工全局平坦化實現的最有效手段，而基于二體磨損機理的固結磨料拋光墊較其具有更優(yōu)越的全局平坦化性能，同時經計算可減少磨料使用量99%以上。本產品與國外產品相比具有非常高的性價比優(yōu)勢，完全可以替代進口產品，打破了國外同類產品在國內壟斷的局面。它不僅符合國家的產業(yè)政策，提高高性能、智能化儀器設備的附加值，符合國內企業(yè)節(jié)能減排的需求，為國家爭創(chuàng)外匯。目前與浙江省浦江縣敏銳精密儀器有限公司開展了適合水晶玻璃加工的親水性固結磨料拋光墊的合作，僅在水晶加工業(yè)得推廣應用就可達3-4個億的產值。
同類課題研究水平概述
- 隨著固結磨料研磨拋光技術的推廣，固結磨料研磨拋光產品呈現多樣化發(fā)展的趨勢。目前親水性固結磨料拋光墊主要采用紫外光光固化技術制備得到，加州大學伯克利分校的H.Y. Kim等采用親水性聚合物與氧化鋁磨?；旌希苽涑鼍哂休^為優(yōu)良的自修正功能的親水性固結磨料拋光墊，在實驗中對鎢制工件的去除速率可達0.3um/min，而鎢表面粗糙度可達2nm。 韓國J. Y. Choi與H. Kim等人使用親水性聚合物通過紫外光光固化制備出具有自修正功能的親水性固結磨料拋光墊，通過其自制的含有150um、23um、13um三種不同粒徑金剛石磨料的親水性固結磨料拋光墊的依次拋光，最終使得D2模具鋼表面的粗糙度達到了15.1nm。 3M公司的thermo-curable拋光墊是目前較為成熟的固結磨料拋光墊技術，在市面上得到了廣泛應用。經實驗發(fā)現，通過含有150um、38um、18um，8um四種不同粒徑金剛石磨料的themal-curable拋光墊的依次拋光，可以使D2模具鋼表面的粗糙度達到16.8nm。 國內的研究者曾采用光固化樹脂作為固結磨料拋光墊基體，添加微納米金剛石或CeO2作為磨料，經紫外光光固化成型工藝制備出了一種固結磨料研磨拋光墊，并將其應用于實驗研究，掌握了一系列的研究成果。但在研究過程中亦發(fā)現一些問題：（1）在紫外光光固化法制作拋光墊時，由于固化機理特性所致，通常聚合物基體表層首先固化，含有磨粒的表層固化層由于磨粒的阻擋透光性變差，隨著磨料含量的增大，會導致紫外光不能很好地透過表層固化層到達基體深層引發(fā)固化反應，使基體深層部分不能得到充分固化，使拋光墊的厚度與性能一致性受到一定程度的限制；(2）拋光墊中的磨料的比例必須控制在20%以下（質量百分比），使得拋光墊性能多樣性方面受到一定的限制；(3)由于紫外光固化機和模具尺寸的限制，大尺寸固結磨料拋光墊難以制備等缺點。
