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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 熱固型親水性固結(jié)磨料拋光墊
- 小類：
- 機(jī)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(jié)磨料拋光墊適用于半導(dǎo)體材料、光學(xué)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(shí)間，更適應(yīng)于工業(yè)化的生產(chǎn)要求；磨料表面改性技術(shù)增強(qiáng)了磨粒與基體之間的結(jié)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(zhì)量的同時(shí)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(yīng)用價(jià)值。
- 詳細(xì)介紹：
- 在半導(dǎo)體集成電路及超精密光學(xué)零件的制造過程中，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)作為獲得超光滑無損傷表面的最有效的方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前化學(xué)機(jī)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(yīng)耗材的消耗量大，生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴(yán)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(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了熱固型親水性固結(jié)磨料拋光墊，針對所要解決的關(guān)鍵技術(shù)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(jié)磨料拋光墊的制備工藝研究 根據(jù)自由基引發(fā)劑引發(fā)不飽和樹脂聚合的機(jī)理，選取的樹脂基體中含有的活性官能團(tuán)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(yīng)。本作品首先選用多種含有活性官能團(tuán)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(jìn)行熱固化實(shí)驗(yàn)，最終確定基體的配方。根據(jù)所選配方，通過控制固化溫度、固化時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)，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(shí)現(xiàn)對固化工藝和基體性能的控制。 2、磨料表面改性技術(shù)和拋光墊基體中磨粒分散技術(shù)研究 磨料進(jìn)行表面改性技術(shù)：首先對磨料進(jìn)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(jìn)一步提高磨料與基體之間的結(jié)合力，使得在加工過程中磨粒不會(huì)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(shù)：在添加適量分散劑的基礎(chǔ)上采用超聲分散技術(shù)，確保金剛石磨粒均勻地分散到基體內(nèi)部，減緩在固化過程中磨粒的沉降，使固化后拋光墊內(nèi)部各處磨粒均勻一致。 3、熱固型親水性固結(jié)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(tuán)，溶脹前，聚合物形成了具有一定交聯(lián)度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與水接觸后水滲入網(wǎng)絡(luò)與親水基團(tuán)相結(jié)合，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膨脹，拋光墊基體的硬度下降，這種現(xiàn)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(chǎn)生劃痕，被加工工件的表面質(zhì)量得到了明顯的提高。經(jīng)過一段時(shí)間的使用后固結(jié)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(jìn)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(jié)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(chǎn)的CP-4拋光機(jī)上，以研拋壓力、轉(zhuǎn)速、研拋時(shí)間、拋光液流量及拋光液PH值為加工參數(shù)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(píng)價(jià)指標(biāo)，針對于不同材料（如硅片、微晶玻璃、藍(lán)寶石玻璃等）的工件及加工要求，對熱固型固結(jié)磨料拋光墊的加工效果進(jìn)行評(píng)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)發(fā)明目的 在精密超精密加工領(lǐng)域，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)被認(rèn)為是獲得超光滑無損傷表面的最有效的方法。本團(tuán)隊(duì)采用熱固化法制備出的親水性固結(jié)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(chǎn)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(yīng)用前景。 2、基本思路 從不飽和樹脂固化機(jī)理出發(fā)，結(jié)合熱固化法在涂料行業(yè)的應(yīng)用，開發(fā)出大尺寸熱固型親水性固結(jié)磨料拋光墊制備工藝；開展磨料表面改性技術(shù)和磨料分散技術(shù)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(jié)磨料拋光墊的研磨拋光性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；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(jié)磨料拋光墊的加工工藝。 3、創(chuàng)新點(diǎn) 1）熱引發(fā)固化技術(shù)； 2）拋光墊磨料表面改性技術(shù)； 3）磨料分散技術(shù)； 4）拋光墊具有親水性和自修整特性。 4、技術(shù)關(guān)鍵 1）引發(fā)劑選取和拋光墊基體組分的確定； 2）微細(xì)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(biāo) 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(dá)500mm以上，厚度可超過20mm； 4）單片拋光墊制備時(shí)間不超過10分鐘； 5）加工效果優(yōu)于現(xiàn)有加工指標(biāo)。
科學(xué)性、先進(jìn)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(jī)理的變革使得固結(jié)磨料拋光墊的固化過程更加迅速，拋光墊不同區(qū)域?qū)ぜ牧系募庸ば阅芨泳鶆蛞恢?、加工過程更加穩(wěn)定、高效。 2、金剛石磨料表面經(jīng)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(jié)合力，并采用超聲分散技術(shù)，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(jī)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(zhì)的排放，減小了對環(huán)境的污染，與此同時(shí)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(zhì)量。 4、可以制備厚度更大、形狀更復(fù)雜的拋光墊，從而可以實(shí)現(xiàn)對平面、凹凸曲面等異性面進(jìn)行加工，擴(kuò)展了拋光墊的使用范圍。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、于2010年12月31日，經(jīng)合作企業(yè)委托在浙江省輕工及五金產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，參照企業(yè)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行了檢測，認(rèn)定合格。 2、于2010年12月，在校大學(xué)生科技節(jié)暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽中榮獲特等獎(jiǎng)。
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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實(shí)物產(chǎn)品、現(xiàn)場加工演示、圖片錄像、樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)：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(jī)理為熱固化法。 優(yōu)勢：基于二體磨損機(jī)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(jīng)濟(jì)效益高。 適用范圍：半導(dǎo)體材料、光學(xué)元件、薄壁金屬零件等的超精密加工。 推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：化學(xué)機(jī)械拋光作為目前半導(dǎo)體加工全局平坦化實(shí)現(xiàn)的最有效手段，而基于二體磨損機(jī)理的固結(jié)磨料拋光墊較其具有更優(yōu)越的全局平坦化性能，同時(shí)經(jīng)計(jì)算可減少磨料使用量99%以上。本產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比具有非常高的性價(jià)比優(yōu)勢，完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，打破了國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)壟斷的局面。它不僅符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，提高高性能、智能化儀器設(shè)備的附加值，符合國內(nèi)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(jié)磨料拋光墊的合作，僅在水晶加工業(yè)得推廣應(yīng)用就可達(dá)3-4個(gè)億的產(chǎn)值。
同類課題研究水平概述
- 隨著固結(jié)磨料研磨拋光技術(shù)的推廣，固結(jié)磨料研磨拋光產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的趨勢。目前親水性固結(jié)磨料拋光墊主要采用紫外光光固化技術(shù)制備得到，加州大學(xué)伯克利分校的H.Y. Kim等采用親水性聚合物與氧化鋁磨?；旌?，制備出具有較為優(yōu)良的自修正功能的親水性固結(jié)磨料拋光墊，在實(shí)驗(yàn)中對鎢制工件的去除速率可達(dá)0.3um/min，而鎢表面粗糙度可達(dá)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(jié)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(jié)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(dá)到了15.1nm。 3M公司的thermo-curable拋光墊是目前較為成熟的固結(jié)磨料拋光墊技術(shù)，在市面上得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(dá)到16.8nm。 國內(nèi)的研究者曾采用光固化樹脂作為固結(jié)磨料拋光墊基體，添加微納米金剛石或CeO2作為磨料，經(jīng)紫外光光固化成型工藝制備出了一種固結(jié)磨料研磨拋光墊，并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究，掌握了一系列的研究成果。但在研究過程中亦發(fā)現(xiàn)一些問題：（1）在紫外光光固化法制作拋光墊時(shí)，由于固化機(jī)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(huì)導(dǎo)致紫外光不能很好地透過表層固化層到達(dá)基體深層引發(fā)固化反應(yīng)，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(zhì)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(jī)和模具尺寸的限制，大尺寸固結(jié)磨料拋光墊難以制備等缺點(diǎn)。
