楊向東，陳文軍，李翠坤，陳澤茫，鄧光星

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東廣州511325）

聚氨脂拋光墊表面開槽加工工藝研究

楊向東，陳文軍，李翠坤，陳澤茫，鄧光星

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東廣州511325）

介紹了化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，重點(diǎn)分析了國(guó)產(chǎn)聚氨脂拋光墊表面結(jié)構(gòu)的幾何特征及其三種開槽加工工藝的效率與成本。通過(guò)檢測(cè)及試驗(yàn)研究得出結(jié)論如下：國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊表面微孔都在70μm左右。國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊的孔隙率為62%左右；激光加工工藝是可以實(shí)現(xiàn)高速、高效、低成本化的聚氨酯拋光墊加工；對(duì)于寬度與深度為1mmx1mm的聚氨酯拋光墊溝槽的最佳工藝方案為選擇40W激光功率的CO2激光打標(biāo)機(jī)一次加工成型；拋光墊的低成本化、國(guó)產(chǎn)化及其溝槽的結(jié)構(gòu)將是未來(lái)CMP的研究方向之一。

CMP；聚氨脂；拋光墊；開槽加工

化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，簡(jiǎn)稱CMP）技術(shù)是近年來(lái)應(yīng)用較多的超精密加工方法之一[1，2]，其原理是被拋光對(duì)象如硅片、光學(xué)玻璃、金屬、藍(lán)寶石等在壓力作用下，與拋光墊及其粗糙度峰間的磨粒相互接觸、摩擦產(chǎn)生機(jī)械作用，并與拋光液的化學(xué)腐蝕相互作用，表面材料被去除，從而實(shí)現(xiàn)平坦化[3]。

拋光墊是CMP的重要組成部件，聚氨酯拋光墊由于具有耐磨性好、形變性小和拋光效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為CMP過(guò)程的關(guān)鍵拋光部件之一[4]。其材質(zhì)、物理性能、表面形狀、溝槽結(jié)構(gòu)等將嚴(yán)重影響基板與拋光液的接觸區(qū)域、潤(rùn)滑特性及其摩擦磨損規(guī)律[5，6]。但目前國(guó)內(nèi)如天津晶嶺、沈陽(yáng)科晶等企業(yè)對(duì)于對(duì)拋光墊上述特性的研究尚處于起步階段[7]，國(guó)際上美國(guó)Rodel、日本Fujimi等拋光墊主流廠商在技術(shù)及價(jià)格上形成壟斷。

目前，聚氨酯拋光墊的加工方法主要有激光加工、高速雕銑、成型刀具加工及模具熱壓法加工等[8]。本文通過(guò)試驗(yàn)、檢測(cè)等方法分析了三種加工工藝對(duì)聚氨酯拋光墊表面開槽的加工效率、成形質(zhì)量及加工成本影響，并確定出較優(yōu)的加工工藝，為聚氨酯拋光墊表面開槽提供工藝解決方案，并對(duì)CMP消耗品的國(guó)產(chǎn)化及低成本化提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)與測(cè)試設(shè)備

使用HANS CO2激光打標(biāo)機(jī)（100 W，如圖1所示）、JDC600V高速精密雕銑機(jī)（如圖2所示）及專用拉削加工機(jī)床對(duì)2 mm厚圓形國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊進(jìn)行加工。使用Hitachi 4 800 N掃描電子顯微鏡、OLMPUS400激光共聚焦顯微鏡等對(duì)拋光墊的溝槽、微觀表面形貌等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。

圖1　CO2-100XP激光打標(biāo)機(jī)（波長(zhǎng)：10.6μm）

圖2　JDC600V精密雕銑機(jī)

1.2試驗(yàn)樣品

圓形國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊由鄭州龍達(dá)磨料磨具有限公司提供。其性能如表1所示。

表1　國(guó)產(chǎn)聚氨酯物理性能

1.3試驗(yàn)方法

不同加工工藝制成的拋光墊如圖3所示。加工出同心圓加放射狀拋光墊表面形狀，矩形溝槽深度與寬度為1 mm×1 mm時(shí)，采用激光加工時(shí)考慮其易于熱融的特點(diǎn)，從20 W至70 W激光功率區(qū)間每隔5 W為一組，進(jìn)行不同功率試切法，最終確定采用40 W激光功率一次加工成型。如圖3（a）所示。

圖3　不同加工工藝制成的拋光墊

高速雕銑機(jī)床加工同樣聚氨酯拋光墊時(shí)，考慮聚氨酯拋光墊的彈性，采用1 mm平底銑進(jìn)行加工。主軸轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，進(jìn)給速度為2 000 mm/min.加工出的拋光墊如圖3（b）所示。

拉削加工機(jī)床為傳統(tǒng)加工，考慮到拉刀的易成形性，故拉削加工上述形狀的拋光墊是無(wú)法完成的。試驗(yàn)中拉削加工出網(wǎng)格形表面形狀，溝槽寬度與深度為2 mm×1 mm的拋光墊，如圖3（c）所示。

2　結(jié)果與討論

2.1不同工藝方法對(duì)加工成型的影響

國(guó)產(chǎn)聚氨酯其主要成分是發(fā)泡體固化的聚氨酯，其表面有許多空球體微孔密封單元結(jié)構(gòu)，如圖4所示。由圖4可以測(cè)出其微孔都在70 μm左右。國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊的孔隙率為62%左右。

圖4　國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊外形及SEM圖

激光加工由于是電腦編程及非接觸加工，可以加工微細(xì)形狀溝槽結(jié)構(gòu)且成型較易，如圖3（a）所示。高速雕銑及拉削加工屬于機(jī)械加工，由圖3（b）及3（c）可以看出，高速雕銑后聚氨酯拋光墊溝槽結(jié)構(gòu)反彈嚴(yán)重，且有胡須狀碎屑相連。拉削加工受限于刀具尺寸，只能成型較大尺寸溝槽結(jié)構(gòu)的聚氨酯拋光墊，且成型時(shí)聚氨酯材質(zhì)溝槽的脆性斷裂導(dǎo)致溝槽尺寸的一致性較差。如圖5所示。

三種加工工藝加工后的聚氨酯拋光墊溝槽表面粗糙度Ra如圖6所示。由圖6可以看出，激光加工后溝槽的表面質(zhì)量要優(yōu)于其它兩種加工方式。這主要是由于CO2-100XP激光打標(biāo)機(jī)相比于其它兩種加工方式而言，加工過(guò)程中不與工件接觸，不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，因此不改變拋光墊的物理性能。另外，由于激光聚焦后的尺寸很小，熱影響區(qū)域小，加工比較精細(xì)。

圖6　不同加工工藝形成聚氨脂拋光墊溝槽底部表面質(zhì)量

2.2不同工藝方法對(duì)加工效率的影響

拉削加工聚氨脂拋光墊需要專用機(jī)床，刀具每次使用都需要調(diào)整，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)整自動(dòng)化生產(chǎn)。高速雕銑加工主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度可以很高，但對(duì)于高彈性材質(zhì)的聚氨脂拋光墊來(lái)講，加工后會(huì)產(chǎn)生彈性回復(fù)，加工的溝槽（尤其是亞毫米級(jí)）形狀無(wú)法精確保證。且每次加工均需要調(diào)整機(jī)床及對(duì)刀，加工效率低下。

激光加工由于和以上兩種機(jī)械加工相比，聚焦后的激光就像極細(xì)的無(wú)形刀具，將物體局部區(qū)域的表面逐點(diǎn)的“燒”掉，不與物體接觸，且由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，生產(chǎn)時(shí)不需人為干預(yù)，能實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線上對(duì)拋光墊進(jìn)行高速、高效的自動(dòng)化加工。

三種加工工藝由其自身特點(diǎn)決定的加工工時(shí)分別為12 min、23 min、35 min，如圖7所示[9]。由圖7可以明顯看出激光加工較其它兩種加工工藝工時(shí)較短。

圖7　不同加工工藝加工工時(shí)圖

2.3不同加工工藝的成本比較

三種加工工藝的成本差別，是由電力、耗材、人力、折舊、場(chǎng)地等因素組成，與加工效率也密切相關(guān)[10]。

綜合比較，成型機(jī)床由于需要專用刀具，故其加工成本最高，其次是激光加工工藝，高速雕銑成本較為低廉，但機(jī)床調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊表面微孔都在70 μm左右。國(guó)產(chǎn)聚氨酯拋光墊的孔隙率為62%左右。

（2）激光加工工藝是可以實(shí)現(xiàn)高速、高效、低成本化的聚氨酯拋光墊加工。對(duì)于寬度與深度為1 mm ×1 mm的聚氨酯拋光墊溝槽的最佳工藝方案為選擇40 W激光功率的CO2激光打標(biāo)機(jī)一次加工成型。

（3）拋光墊的低成本化、國(guó)產(chǎn)化及其溝槽的結(jié)構(gòu)將是未來(lái)CMP的研究方向之一。

[1]Wei X，Yang X D，Xie X Z，et al.A material removal rate model-based chemical action of ultra-thin SUS304 substrate in chemical mechanical polishing[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，85（1）：287-290.

[2]楊向東，魏昕，謝小柱，等.基于化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程的超薄不銹鋼基板表面特性分析[J].潤(rùn)滑與密封，2015，（04）：45-48.

[3]楊向東，魏昕，謝小柱，等.超薄不銹鋼基板化學(xué)機(jī)械拋光運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，（05）：27-30.

[4]韓艷，周青，王鳳勇，等.硬質(zhì)多孔聚氨酯脲拋光墊材料的制備及性能研究[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2013，

（3）：032.

[5]張朝輝，雒建斌，溫詩(shī)鑄.考慮拋光墊特性的CMP流動(dòng)性能[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（4）：13-17.

[6]張朝輝，杜永平，常秋英，等.化學(xué)機(jī)械拋光中拋光墊作用分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31（1）：18-21.

[7]胡偉，魏昕，謝小柱.化學(xué)機(jī)械拋光中拋光墊表面溝槽的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008，31（1）：77-79.

[8]劉波.拋光墊表面構(gòu)造和組織對(duì)CMP影響效果的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[9]陳文召.基于特征的零件數(shù)控加工工時(shí)預(yù)測(cè)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，20（5）：120-121.

[10]張曉東.激光加工成本分析[J].經(jīng)營(yíng)管理者，2011，40（23）：294-294.

Study of Grooving Process for Polyurethane Polishing Pad

YANG Xiang-dong，CHEN Wen-jun，LI Cui-kun，CHEN Ze-mang，DENG Guang-xing
（Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College，Guangzhou Guangdong 511325，China）

This article describes the chemical mechanical polishing technique and focuses on the domestic polyurethane polishing pad surface’s geometric characteristics and the efficiency as well as cost of three grooving manufacturing processes.By detecting and experimental studies have concluded as follows：The surface microporous of domestic polyurethane polishing pad are at an average of 70μm.Domestic polyurethane polishing pad has a porosity of about 62%.Laser processing can achieve high-speed，high efficiency，lower cost of the polyurethane polishing pad processing.The optimum groove solution of polyurethane polishing pad whose width and depth is 1mmx1mm can be finished by CO2laser marking machine once processing molding when its laser power is 40W.The lower cost，localization and groove structure of polishing pad will be the research directions of CMP in the future.

chemical mechanical polishing；polyurethane；polishing pad；grooving

TN305.2；TB31

A

1672-545X（2016）10-0087-03

2016-07-02

廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金立項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2015b0886與pdjh2016b0872）

楊向東（1980-），男，河南南陽(yáng)人，在讀博士，講師，研究方向：超精密加工技術(shù)。