杭偉，凌洋，韋嵐清，張翔，許良，陳泓諭，袁巨龍

（浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州 310014）

鉭酸鋰（LiTaO3，簡稱LT）晶體是一種典型的雙氧化物單晶體“軟脆”材料，因其卓越的光電、壓電、熱釋電性質(zhì)而被廣泛應用于航空、航天和民用光電類產(chǎn)品領域[1-2]。尤其在民用光電類產(chǎn)品，LT 作為光通訊、激光及光電子領域中的基本功能材料，被廣泛應用于彈性表面波（SAW：Surface Acoustic Wave）器件、窄帶濾波器、傳感器、光子可調(diào)諧濾波器、聲光器件、光陀螺儀、高速通信器件和倍頻器件等[3]。但是，由于鉭酸鋰晶體自身的壓電、熱釋電效應和較低的斷裂韌性，在加工過程中極易產(chǎn)生裂紋，從而造成破損[4]、加工效率差、成品率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，因此如何實現(xiàn)LT 高效低損傷超精密加工，成為實現(xiàn)其廣泛應用的首要問題。目前，LT 通常采用傳統(tǒng)游離磨料加工和化學機械拋光（Chemical-Mechanical Polishing，簡稱CMP）混合的工藝流程，但其主要缺點是游離磨料加工的去除效率相對較低、面型精度較低，而化學機械拋光的環(huán)境友好性差。固結磨料加工技術是使用結合劑均勻混合磨粒，將其固結在基體中，先進行修盤，將固結磨盤中的磨粒露出，再通過磨粒與工件之間相互劃擦切削運動，達到材料去除的目的，這種方法大大提高了加工效率[5-6]。其中使用的結合劑可分為金屬、陶瓷、樹脂三種。金屬結合劑對磨粒具有很強的粘結能力，固結后的磨粒出刃高，結合劑本身具有一定的耐磨性，其制作的砂輪壽命長，能抵抗加工過程中較大的沖擊力，適用于硬脆材料的粗加工階段[7]。使用陶瓷結合劑制作砂輪可極大提高加工效率，一般用于硬質(zhì)合金及新型功能陶瓷材料的粗磨、精磨及超精磨。樹脂本身具有較好的彈性和拋光作用，使用樹脂結合劑可以有效提升砂輪的自銳性和磨削效率，而且其自身具有一定的彈塑性，廣泛應用于脆性材料超精密加工。

固結磨盤因其磨粒做確定軌跡運動，工件材料去除均勻，表面一致性高，越來越吸引眾多超精密加工領域科研者的關注，成為研究熱點[8]。朱永偉等[9-10]通過失重法和鉛筆硬度計，發(fā)現(xiàn)拋光墊成分對其溶脹率和干濕態(tài)硬度的影響規(guī)律，然后對比了游離和固結工藝加工硅片的材料去除率和表面粗糙度。后者材料去除率相對前者提升了1～2 倍，前者粗糙度Ra為4.32 nm，低于后者的12.2 nm。他們還對固結磨盤的磨粒平均切深進行建模，發(fā)現(xiàn)磨具與工件相對速度、材料去除速率和施加壓力p3/2呈正比關系。宋龍龍等[11]利用固結磨料技術對氟化鈣晶體進行了加工，通過對研磨工藝、拋光液、加工條件等參數(shù)優(yōu)化，得到了理想的表面質(zhì)量。Lin 等[12]使用新型固結磨料研磨工藝完成了離軸非球面的加工，評估了熔融石英玻璃的研磨機理，發(fā)現(xiàn)載荷是影響熔融石英玻璃材料去除方式的關鍵因素。因此，固結磨料加工技術不僅能獲得較高的表面質(zhì)量，還能兼顧高材料去除效率。

固結磨盤的設計核心是固結磨料配方，配方最重要的是磨料和結合劑的質(zhì)量配比，也稱為砂結比。砂結比過高，會導致粘結效果差，砂輪的使用壽命降低；而過低，則加工效率低，達不到預期的加工效果。因此，合理地設計砂結比，不僅可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，還可以大大提高磨具的壽命和使用性能。磨粒和結合劑是根據(jù)產(chǎn)品需求和工藝條件確定的，同時考慮磨具的硬度、成型密度等因素，制作最佳磨具。本文針對2 英寸LT 晶圓，通過熱壓工藝制作金剛石丸片固結磨盤，并進行研磨加工。對比不同砂結比下，固結磨盤加工對LT 表面質(zhì)量和材料去除率、磨粒與結合劑分布狀態(tài)、顆粒裸露情況等的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 固結磨盤制作

試驗選擇8000#金剛石和樹脂結合劑[13]，通過熱壓工藝壓制金剛石固結小丸片，再拼接成固結磨盤進行加工試驗。金剛石作為加工磨粒，具有硬度高、導熱性好、抗腐蝕等特性[14]，其莫氏硬度為10，而鉭酸鋰的莫氏硬度一般為5.5～6，選擇金剛石作為加工磨粒可實現(xiàn)其優(yōu)異的微切削效果，因此將金剛石選為制作磨料。樹脂本身具有較好的彈性和拋光作用，彈性質(zhì)地使其在加工時能夠?qū)δチＰ纬上葳逍猍15]。利用該結合劑制成的磨盤還具有良好的自銳性。制作過程中，先將磨料、添加劑和樹脂結合劑充分混合攪拌，再將漿料均勻地倒入模具。使用YL32-3t 三梁四柱熱壓機進行熱壓處理，以增強磨粒粘結強度和丸片表面平整度，保壓24 h 后，將固化的丸片脫模，并組裝成磨具。其流程如圖1 所示。

圖1 金剛石磨盤壓制流程Fig.1 Manufacturing process of diamond abrasive tool: a) slurry casting; b) hot pressing; c) cured and released; d) abrasive tool assembling

1.2 試驗設計

試驗選擇磨料與結合劑的砂結比作為金剛石丸片制作工藝的單因素變量，研究砂結比對丸片磨粒裸露情況的影響，并分析磨粒裸露比對固結丸片加工LT 表面質(zhì)量與材料去除率的影響。圖2 為試驗所使用的加工設備——沈陽科晶UNIPOL-1200S 自動壓力研磨拋光機。試驗設置砂結比參考簡單立方晶胞模型[16]，其磨粒體積分數(shù)極值為52.36%，轉化為磨粒質(zhì)量分數(shù)為82.16%。為簡化數(shù)值計算，設定磨粒質(zhì)量分數(shù)（55%、70%、85%）作為試驗單因素變量，將其轉化成砂結比，分別為11∶9、7∶3、17∶3。丸片各成分質(zhì)量配比如表1 所示。配制好金剛石丸片后，組裝成完整的磨具，并對磨具加工面修平，保證加工時固結丸片處于穩(wěn)定加工期。設置好加工參數(shù)后開始研磨加工，試驗變量及加工參數(shù)如表2 所示。加工完成后，使用CHOTEST 光學3D 表面輪廓儀測量LT 表面粗糙度。試驗使用的LT 晶圓直徑為50 mm，粗糙度檢測時，分別在半徑為0、10、20 mm 的圓周上各選取一個點測量。為縮小測量誤差，每個檢測點測量3 次，以平均值代表測量值，標準差為誤差值。使用量程為220 g、精度為0.01 mg 的Sartorius 精密電子天平進行稱量，計算得出去除質(zhì)量。同時，使用KEYENCE VHX-7000 超景深顯微鏡觀察表面形貌及丸片微觀表面磨粒的分布情況。

圖2 試驗加工設備Fig.2 Experimental processing machine

表1 金剛石丸片成分質(zhì)量配比Tab.1 Component-mass ratio of diamond pellet

表2 試驗變量及加工參數(shù)Tab.2 experimental variables and processing parameters

2 結果與分析

2.1 砂結比對磨粒裸露比的影響

固結磨盤加工是通過半裸露在加工面外的磨粒對工件進行微量的切削、劃擦，以去除材料[17]，故加工時磨粒的裸露程度是衡量固結磨盤是否具有高效加工的重要指標。通過超景深顯微鏡可以觀察丸片表面磨粒的裸露情況。加工后，對金剛石丸片表面拍攝微觀放大圖，并利用觀測軟件的粒子分離工具對觀測區(qū)域的磨粒進行亮度差色提取，以分離出裸露粒子。試驗制作的3 組砂結比丸片，其表面拍攝顯微放大圖和粒子分離結果如圖3 所示，可以看出粒子分離前后，其位置匹配度高，分離出的粒子清晰且在畫面內(nèi)分布均勻。統(tǒng)計3 組丸片分離粒子個數(shù)結果，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)3 組金剛石丸片分離出來的粒子統(tǒng)計個數(shù)Ng分別為496、820、1163?？梢钥闯?，磨粒質(zhì)量分數(shù)越高，磨粒裸露的數(shù)量越多。為了驗證粒子分離的可靠性，統(tǒng)計其粒徑大小，繪制粒徑分布直方圖，如圖5 所示。圖5 中粒徑d趨近于正態(tài)分布，粒徑均值為1.07 μm，大小集中分布在0.75～1.75 μm。試驗所用8000#金剛石微粉，其粒徑均值為1.99 μm，粒徑分布范圍為0.72～3.8 μm。可以看出，粒子分離的統(tǒng)計結果處于正常范圍內(nèi)，分離結果可靠。

圖3 金剛石丸片表面拍攝顯微放大圖Fig.3 Micrograph of diamond pellet surface

圖4 分離粒子統(tǒng)計結果Fig.4 Statistical results of separated particles

圖5 分離磨粒粒徑分布圖Fig.5 Distribution of separated abrasive particle sizes

試驗制作固結丸片時，磨粒與結合劑充分攪拌，可以認為磨粒在結合劑中均勻分布。Chen 與Rowe[18]在晶胞結構的基礎上，認為固結丸片由無數(shù)個簡單立方晶胞模型組成，單個簡單晶胞中磨粒均勻排布，即晶胞的每個角存在一顆磨粒，如圖6 所示。對于單個立方晶胞，計算其體積分數(shù)Vg，可求出立方體的棱長Sg，由此可間接得出單位面積內(nèi)磨?？倐€數(shù)N。計算公式如下：

圖6 固結磨盤磨粒分布模型Fig.6 Wear particle distribution model of consolidated abrasives

圖7 不同砂結比下金剛石磨粒裸露百分比Fig.7 Exposed percentage of diamond grains with different sand binder ratios

這是由于增加磨粒質(zhì)量時，結合劑對磨粒的作用由全包裹漸漸轉變?yōu)檎辰Y作用。磨粒質(zhì)量分數(shù)較低時，磨粒完全被結合劑覆蓋，磨粒與磨粒之間有一定間隙且由結合劑填充，加工時，單位面積內(nèi)磨粒露出數(shù)量少，此時的丸片加工效率低。但由于磨粒之間不是剛性接觸，在加工時能夠產(chǎn)生一定的陷阱效應，從而避免磨粒使LT 表面產(chǎn)生劃痕和微裂紋。當磨粒質(zhì)量分數(shù)增加后，單位體積內(nèi)的磨粒數(shù)量增加，磨粒與磨粒之間開始相互接觸，結合劑正好填充間隙，其磨粒暴露的數(shù)量也隨之增加。如果再提升磨粒質(zhì)量分數(shù)，單位體積內(nèi)無法容納更多磨粒，結合劑不能完全填充間隙，磨粒裸露情況并不會產(chǎn)生明顯變化，導致結合力減小，磨粒更容易脫落。其變化過程如圖8 所示。

圖8 不同砂結比磨粒與結合劑分布狀態(tài)Fig.8 Distribution of abrasive particles and binders with different sand binder ratios

2.2 砂結比對加工表面粗糙度的影響

試驗使用3 組砂結比的金剛石丸片加工LT，檢測加工各時間段表面粗糙度的變化，如圖9 所示。試驗使用LT 晶圓為Y42°晶向雙面研磨片，表面初始粗糙度Ra在170 μm 左右。3 組丸片在加工開始時，磨粒刃口與晶圓表面的凸峰交錯接觸，磨粒對材料的去除以微切削為主，快速去除材料表面的凸起，因此表面粗糙度下降明顯。加工5～10 min 時，材料表面凸峰已被去除，表面相對平坦，磨粒與材料表面為點接觸，其接觸面積小，接觸區(qū)域的加工載荷極大，導致加工時磨粒尖端被壓入材料內(nèi)部而產(chǎn)生耕犁[19]。在10～15 min 時，粗糙度已下降至納米級，磨粒與材料的接觸面積增大，磨粒對材料表面只存在輕微的劃擦作用，故粗糙度無明顯下降。圖10 為加工前與加工10 min 后LT 表面的微觀表面形貌及粗糙度值。對比3 種不同砂結比制作的金剛石丸片加工效果，發(fā)現(xiàn)磨粒質(zhì)量分數(shù)為70%的丸片加工后，樣品表面形貌表現(xiàn)最好，無明顯劃痕、材料隆起，粗糙度Ra=1.634 nm。磨粒質(zhì)量分數(shù)為85%的丸片加工后LT 表面質(zhì)量次之，表面存在部分劃痕，粗糙度Ra=2.999 nm。磨粒質(zhì)量分數(shù)為55%的丸片加工的LT 表面最差。由于磨粒質(zhì)量分數(shù)較低，加工時，參與磨削顆粒較為分散，故導致材料去除不均勻，表面凸點明顯可見，其粗糙度Ra=4.558 nm。

圖9 加工時LT 表面粗糙度變化Fig.9 Variation of surface roughness of LT during machining

圖10 LT 表面的微觀表面形貌和粗糙度值Fig.10 Micro-surface morphology of LT: a) origin surface, b) machined by 55%, c) machined by 70%, d) machined by 85%

2.3 砂結比對材料去除率的影響

為了研究金剛石丸片加工LT 晶圓的材料去除速率，使用3 組金剛石丸片分別進行研磨實驗。為了避免LT 晶圓初始形貌對材料去除率的影響，每次試驗加工3 片LT 晶圓，并每間隔5 min 稱量1 次質(zhì)量變化，以3 片LT 晶圓材料去除率算術均值為中點，標準差為誤差值。試驗結果繪制3 組丸片各時間段材料去除率折線圖，如圖11 所示。可以看出，加工時，材料去除速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，且磨粒質(zhì)量分數(shù)越高，其整體材料去除速率越大。相比磨粒質(zhì)量分數(shù)為55%的金剛石丸片，磨粒質(zhì)量分數(shù)為70%、85%丸片的材料去除速率明顯提升，且磨粒質(zhì)量分數(shù)為85%的丸片，其材料去除速率能維持在較高水平。

圖11 加工時間與材料去除率的關系Fig.11 Relationship between machining times and material removal rate

由上述對不同磨粒質(zhì)量分數(shù)下磨粒與結合劑分布狀態(tài)的分析可知，55%磨粒質(zhì)量分數(shù)的金剛石丸片，磨粒被結合劑包裹，加工時，磨粒裸露數(shù)量低，對材料產(chǎn)生的加工摩擦作用較弱，故其材料去除速率低。而70%磨粒配比的金剛石丸片在加工時，其參與加工的磨粒更多，與工件接觸面積更大，產(chǎn)生的加工摩擦力也大，加工效率更高。磨粒質(zhì)量分數(shù)為85%的金剛石丸片，因磨粒之間開始相互接觸而抵制，單位體積下已容不下更多磨粒，磨粒間隙僅填充少量的結合劑，導致其磨粒之間的粘結力下降，磨粒容易掉落，提升丸片自銳性，故材料去除率一直保持在較高水平。

3 結論

1）建立金剛石丸片晶胞模型，計算3 組砂結比下在單位面積中裸露磨粒數(shù)與總磨粒數(shù)的比值。磨粒質(zhì)量分數(shù)為55%、70%、85%的金剛石丸片，其裸露磨粒占比分別為1.79%、2.26%、2.47%。砂結比增大，丸片加工表面磨粒裸露占比增大，而繼續(xù)增加砂結比，磨粒之間由于相互接觸抵制，磨粒裸露占比無明顯變化。

2）3 組不同磨粒質(zhì)量分數(shù)的金剛石丸片研磨LT，粗糙度與時間曲線呈現(xiàn)先急劇降低后變緩的趨勢，加工10 min 后，粗糙度下降開始趨緩，此后無明顯變化。其中磨粒質(zhì)量分數(shù)為70%的丸片加工后，表面質(zhì)量最佳，Ra為1.634 nm。磨粒質(zhì)量分數(shù)為55%的丸片加工后，表面凸起去除不均勻，Ra為4.558 nm。而磨粒質(zhì)量分數(shù)為85%的丸片加工后，表面出現(xiàn)明顯劃痕，Ra為2.999 nm。

3）通過對比3 組砂結比發(fā)現(xiàn)，磨粒質(zhì)量分數(shù)為55%的金剛石丸片，因為參與加工的磨粒數(shù)量較少，其材料去除率最低。通過增加磨粒質(zhì)量分數(shù)能有效提升丸片加工時的材料去除率，而當磨粒質(zhì)量分數(shù)提升到85%時，磨粒之間的粘結力減弱，自銳性增加，材料去除率保持較高水平。