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篮球比分网90:基于潤滑改性的碳化硼微粉的藍寶石A向高效率研磨研究

2017-02-15 19:08
文章附圖

7m篮球比分繁体 www.atinr.com.cn 藍寶石由于擁有極高的硬度,強度和透光性,可以作為目前移動手機窗口片面板的理想材料。其應用市場潛力非常巨大但卻很難推廣。原因是藍寶石面板的成本太高,而且目前產率有限。藍寶石的研磨拋光效率很低,一般來說藍寶石平面的加工工藝包含粗磨、精磨和拋光。藍寶石平面的總厚度偏差(TTV)和表面粗糙度(Ra)在每一道加工工藝后逐漸減小。在粗磨工藝中,工業上通常使用240#碳化硼(B4C)研磨砂進行研磨,此款砂的粒徑為56~64 um。碳化硼研磨砂通常與去離子水混合制成水砂漿,以循環泵入的方式輸入到研磨設備內,對藍寶石表面進行研磨處理。在這種模式下,典型的藍寶石去除效率為2.5~3.5 um/min(16B研磨機,對2寸A向藍寶石片進行處理),Ra值為0.9 um,最高可以處理9盤藍寶石。在本介紹工作中,我們展示一種由W40 碳化硼(粒徑26~36 um)研磨砂和潤滑水性液體構成的穩定懸浮液。該溶膠系統具有優異的滲透性、清洗能力和少氣泡量,利于B4C顆粒滲入藍寶石平面和研磨盤的微小間隙中。在相同的設備參數條件下,研磨去除效率為7.4 um/min,典型表面粗糙度Ra值為0.35 um,使用壽命高達20盤。由于本方案中使用了更細的研磨砂作為磨料,獲得了更小的粗糙度,可極大地縮短后續加工(精磨)時間。

1. 簡介

藍寶石擁有極高的硬度、強度和透光性,其在手機平面窗口面板方面具有極大的應用潛力。但由于高成本和低產率,藍寶石在手機面板上的應用市場很難推廣。藍寶石面板的研磨拋光加工效率低是導致成本居高不下的原因之一。一般來說,藍寶石表面的加工需要消耗6~8小時完成。在工業加工中,藍寶石表面從原料粗糙面到鏡面光滑,需要經歷三道加工工藝:粗磨、精磨和拋光。在粗磨工段中,藍寶石原料片表面的劃痕數量會減少,深度減小。同一批來料的藍寶石厚度差有時會高達10~20 um。在粗磨工藝后,批量藍寶石的厚度差會縮小至1~3 um。在第二道工藝(精磨)中,藍寶石的總厚度偏差(TTV)和表面粗糙度(Ra)會進一步減小。藍寶石表面開始出現透光現象。在第三道工藝(拋光)中,藍寶石的表面粗糙度(Ra)會減小至0.5 nm,此時藍寶石表面平滑。面板透亮。

在每一道加工工藝后,藍寶石晶片的總厚度偏差和表面粗糙度會逐漸減小。作為表面加工的第一道工藝,粗磨工段尤其重要。晶片在此階段最容易產生不可修復的深度劃傷。通常地,業內常使用240#碳化硼研磨砂作為磨料,此類型研磨砂的粒徑為56~64 um。它們與去離子水形成研磨漿料,并輸入至研磨機內進行研磨。該方案處理的典型晶片去除效率為2.5~3.5 um/min (16B研磨機,90g/cm2,處理2寸A向藍寶石),處理后晶面表面粗糙度Ra為0.9~1.1 um,使用壽命為9~11盤。從技術上來說,用粒徑較大的碳化硼研磨砂會獲得較高的去除效率和使用壽命,但不足之處是其處理所得的晶面表面粗糙度較大,劃傷幾率較高,導致后段加工(精磨) 耗時極長。在本工作中,我們展示一種潤滑性良好的研磨液,該研磨液由小粒徑碳化硼研磨砂 (W40, 粒徑26~36 um) 和水性潤滑液組成。該研磨液相比240#碳化硼水砂漿,具有更高的研磨去除效率,更小的晶面粗糙度和更長的使用壽命。

2. 實驗

2.1 碳化硼研磨液的制備

本實驗中的碳化硼研磨液由潤滑劑和碳化硼微粉構成。我們在此提供一種典型制備方案。本實驗中使用型號為W40的碳化硼微粉作為磨料(牡丹江,中位粒度 26~36 um)。首先將碳化硼微粉原料用奈良粉體復合機進行微整形 (Nara machinery Co., LTD., NMG1800P)。將碳化硼表面的棱角去除,是微粉顆粒表面圓滑。然后將碳化硼微粉與助劑混合制備成碳化硼溶膠體系。制漿過程如下。參照表1和以下步驟制備漿料。表1給出混合漿料中的原料典型比例。首先將碳化硼 (B4C) 微粉與聚乙烯醇 (PVA) 、丙三醇、羧甲基纖維素鈉 (CMC) 進行干混。使用設備為美國羅斯捏合機 (Ross, DPM-25Gal)。其次,將四分之一的去離子水加入干混機內,與粉末一起捏合60分鐘。再次,將剩余的去離子水加入捏合機進行攪拌。最后,將攪拌所獲漿料用高能分散機進行分散 (深圳市基泰智能設備有限公司),分散輪線速度為40 m/min。 在此,我們將這種碳化硼研磨液命名為Z-W40

為了比較Z-W40的研磨性能,我們同時還制備了以碳化硼與水共混的研磨漿料。該研磨漿料由15份質量碳化硼微粉和85份質量去離子水混合而成。為了下文方便,我們將此種水砂漿命名為DI-W40。

表1. 碳化硼研磨溶膠典型配方表


2.2 研磨效果評估

碳化硼研磨溶膠體系用18B平面研磨機進行性能評估。采用直徑為2英寸的A向藍寶石。研磨機每次可同時研磨156片藍寶石。研磨壓力為 90 g/cm2,轉速為20 rmp。研磨過程中將研磨液輸入研磨機內循環雙面研磨。藍寶石晶面度表面粗糙度值用表面粗糙度儀測試 (Surfcom-Nex)。襯底厚度用螺旋千分尺測量。

3. 結果和討論

新制備的Z-W40懸浮液的典型外觀照片如圖1所示。該分散液的流動性和穩定性非常良好。它可以從一個杯流滑地倒入另一個杯中,杯底無殘留,杯壁無余料液滴粘結。該溶膠系統具有很好的滲透性和清洗性,攪拌或循環過程中無殘留氣泡產生。這種特性利于碳化硼微型顆粒順利地滑入藍寶石晶面和研磨盤之間的空隙中。Z-W40懸浮液的黏度為1000~2000 mPaS,pH值為8,并對皮膚無害。在圖2b的對比外觀照片中,DI-F240的流動性相對較差,并且容易沉淀。


圖1. 碳化硼懸浮液 (Z-W40) 的典型外觀照片。展示其具有優異的穩定性和流動性。

圖2. Z-W40 (a)DI-F240 (b)的外觀照片。Z-W40中的碳化硼顆粒分散非常均勻,流平性良好,而碳化硼水砂漿則容易沉淀,形成液滴。

Z-W40具有良好的研磨性能。表2列出藍寶石襯底片在研磨前和研磨后的典型參數值。藍寶石來料的批量厚度差高達10~20 um。用Z-W40研磨15min后,厚度差減小至2 um。在90g/cm2 條件下,研磨效率為7.4 um/min。圖3展示了Z-W40研磨液的詳細去除效率和使用盤數的關系曲線。即使在使用20盤之后,Z-W40的去除效率衰減很少。碳化硼水砂漿DI-F240的性能也展示在圖3中作為性能對比。相同研磨條件下,DI-F240在第一盤研磨過程中表現出最大的研磨效率,4.4 um/min,在之后的使用過程中衰減嚴重。在第9盤研磨中,DI-F240的去除效率小于2 um/min。該效率太低而不能繼續被使用。

表2. 用Z-W40研磨藍寶石襯底的處理工藝前后參數對比圖



圖3. Z-W40 DI-F240 研磨液的去除效率和研磨盤數的關系曲線圖

我們還比較了用Z-W40 DI-F240 研磨液對藍寶石處理的表面粗糙度。如表2所示,用Z-W40處理后藍寶石的表面粗糙度為 Ra = 0.36~0.38 um。圖4展示了藍寶石來料原片和用Z-W40研磨處理后的藍寶石外觀照片。在研磨后,原料片表面劃痕深度和劃痕數量減小。處理后的藍寶石晶面表面開始出現平滑區域。而用DI-F240研磨液對藍寶石晶面進行處理,其粗糙度要大2(Ra = 0.7~0.9 um)。Z-W40研磨液中的碳化硼粒徑相比DI-F240研磨液中的磨料要小,因此對藍寶石表面研磨所獲粗糙度較低。通過使用Z-W40研磨液對藍寶石進行研磨,可以使后續工藝加工時間極大地縮短。另外,Z-W40雖然含有小粒徑的碳化硼研磨砂,但它表現出的研磨去除效率和使用壽命卻遠高于含有大粒徑碳化硼研磨砂的DI-F240研磨液。


圖4. 藍寶石來料原片 (a) 和用Z-W40研磨處理后的藍寶石 (b) 外觀照片

表3. 用不同研磨液處理后的藍寶石典型表面粗糙度 (Ra, um) 列表



4. 小結

在本工作中,我們展示了一種基于碳化硼微粉的藍寶石研磨液的制備方法及研磨性能。該研磨液由碳化硼微粉 (W40, 粒徑26~36 um) 和水性潤滑液組成,具有優異的懸浮穩定性、滲透性和清洗性能,使用過程無大量氣泡產生。研磨液的這些優點性能使懸浮的碳化硼微粉非常容易滲透到藍寶石晶面和研磨盤中到微小間隙中。研磨空隙內的碳化硼分布均勻,流動性良好,是研磨液去除效率高使用壽命長的主要原因。本工作所報道的Z-W40研磨液,在16B研磨機,90g/cm2的壓強條件下,對直徑為2英寸的A向藍寶石進行研磨,典型去除效率為7.4 um/min,表面粗糙度Ra為0.35 um,使用壽命可連續處理20盤藍寶石。為了做性能對比,我們還使用了工業內常用的240#碳化硼研磨砂 (粒徑為 56~64 um) 調配成水砂漿 (DI-F240) 進行研磨對比。在相同研磨條件下,碳化硼水砂漿的典型去除率為2.5~3.5 um/min, 表面粗糙度Ra為0.9 um,使用壽命為9盤。由于本方案中使用了更細的研磨砂作為磨料,獲得了更小的粗糙度,可極大地縮短后續加工(精磨)時間。


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