在藍寶石襯底具體研磨加工過(guò)程中，除金剛石研磨液自身的質(zhì)量之外，研磨工藝參數如：研磨盤(pán)材質(zhì)、研磨壓力、研磨盤(pán)轉速等參數也對工件加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。我們使用自制的金剛石研磨液，通過(guò)具體研磨試驗，確定合適的研磨工藝參數，為藍寶石襯底材料的研磨工藝提供試驗依據。

1      試驗

1.1    試驗設備及耗材

實(shí)驗所用的設備和耗材及其功能如表1所示。

1.2    試驗過(guò)程

以YM-18LX(Φ460MM)單面修面研磨機為平臺，使用自制的3 μm金剛石研磨液，通過(guò)重物砝碼加壓、噴液加液方式實(shí)現對藍寶石襯底的研磨加工。試驗使用單因素變量方法，單獨改變某項工藝參數（研磨盤(pán)材質(zhì)、研磨壓力、研磨盤(pán)轉速）進(jìn)行研磨，根據具體試驗結果確定合適的研磨工藝參數。

單次研磨試驗結束后，使用SJ一210粗糙度儀測定藍寶石襯底表面粗糙度，直接得出Ra；使用ID-Cll2MXB數顯千分表測試研磨前與研磨后藍寶石襯底的厚度值，根據研磨前后藍寶石襯底厚度的差值除以研磨時(shí)間，計算出去除速率的大小。

選取的研磨工藝參數如表2所示：

2       實(shí)驗結果與分析

2.1   研磨盤(pán)材質(zhì)對材料去除速率和表面粗糙度的影響

試驗分別使用錫盤(pán)、樹(shù)脂銅盤(pán)、純銅盤(pán)和鑄鐵盤(pán)四種研磨盤(pán)對藍寶石襯底進(jìn)行研磨加工。由于研磨盤(pán)材質(zhì)的不同，其盤(pán)面硬度也有很大的差別，因此金剛石微粉在各盤(pán)表面的嵌人深度也會(huì )有較大的不同，從而導致其在研磨盤(pán)面上的出刃高度有明顯的區別。在具體研磨時(shí)，金剛石微粉在盤(pán)面的出刃高度對材料去除速率和工件表面粗糙度產(chǎn)生直接的影響。

圖1所示為不同材質(zhì)研磨盤(pán)對材料去除速率的影響。從圖1中可以看出：研磨盤(pán)材質(zhì)硬度越高，材料去除率也就越高。錫盤(pán)、樹(shù)脂銅盤(pán)、純銅盤(pán)和鑄鐵盤(pán)的去除率依次為0.50、0.90、0.95和1.10μm/min。這是因為研磨盤(pán)表面硬度越大，磨粒切人盤(pán)面的深度越淺，其在工件表面的切人深度增加，因此材料去除率增大。

圖2表示不同材質(zhì)研磨盤(pán)對工件表面粗糙度值Ra的影響。從圖2中可以看出：研磨盤(pán)材質(zhì)硬度越高，其加工后的藍寶石表面粗糙度值就越高；錫盤(pán)、樹(shù)脂銅盤(pán)、純銅盤(pán)和鑄鐵盤(pán)的表面粗糙度值Ra依次為15、18、20、40nm。這是因為，在硬度高的研磨盤(pán)上磨粒切深大，所以其表面粗糙度值上升。

圖1   研磨盤(pán)材質(zhì)對材料去除速率的影響

圖2   研磨盤(pán)材質(zhì)對表面粗糙度值Ra的影響

從以上數據可以得出，使用錫盤(pán)進(jìn)行研磨，可以得到較低的表面粗糙度值，但去除速率偏低；使用銅盤(pán)時(shí)，表面粗糙度值Ra增大至18～20nm，但去除速率提高至0.90～0.95拌μm/min，去除速率較錫盤(pán)提高了80％以上；當使用鑄鐵盤(pán)時(shí)，去除速率雖有大幅提高，但表面粗糙度值Ra異常增大，部分工件表面出現大劃痕。因此，在具體研磨加工過(guò)程中，在工件表面粗糙度值Ra滿(mǎn)足加工要求的前提下，可優(yōu)選銅材質(zhì)（樹(shù)脂銅、純銅）的研磨盤(pán)，大幅提高去除速率。

2.2研磨壓力對材料去除速率和表面粗糙度的影響

研磨壓力會(huì )改變金剛石磨料壓人丁件的深度。隨研磨壓力增大，金剛石磨料壓入工件的深度也增大，從而提高產(chǎn)品的去除速率和增大工件表面的粗糙度值。圖3、圖4是研磨壓力對材料去除速率和表面粗糙度值Ra的影響。

從圖3看出：隨壓力增大，去除速率提高。當壓力從6.89kPa增大至20.68kPa時(shí)，金剛石磨料壓人工件的深度逐步增大，材料去除速率從1.42μm/min提高至1,76μm/min，增幅23.9%；進(jìn)一步增大壓力至27.58kPa，金剛石磨料壓人工件深度值增幅有限，去除速率僅提高至1.77μm/min，提高幅度僅為0.5％。

圖3   研磨壓力對去除速率的影響

圖4   研磨壓力對表面粗糙度值的影響

從圖4中看出：隨著(zhù)研磨壓力增大，金剛石磨料在工件表面產(chǎn)生的切削深度值越大，因此工件表面粗糙度值變大。當壓力從6.89kPa增大至20.65kPa時(shí)，

表面粗糙度值Ra從14nm提高至18nm，繼續增大壓力至27.58kPa，由于金剛石磨料壓人工件表面的深度值已達到最大值，因此其表面粗糙度值不變。在批量研磨過(guò)程中，當研磨壓力超過(guò)27.58kPa后，少最基片出現微裂紋現象。

因此，綜合材料去除速率和表面粗糙度值Ra兩方面的考慮，優(yōu)選研磨壓力為20.68kPa。

2.3 研磨盤(pán)轉速對材料去除速率和表面粗糙度的影響

通常情況下，增大研磨盤(pán)轉速可以提高研磨液產(chǎn)品研磨加工效率，但當速度過(guò)高時(shí)，會(huì )產(chǎn)生研磨運動(dòng)平穩性降低、研磨盤(pán)磨損加快等具體問(wèn)題，從而降低藍寶石襯底表面加工質(zhì)量。圖5、圖6是研磨盤(pán)轉速對材料去除速率和表面粗糙度值Ra的影響。

從圖5可以看出：當研磨盤(pán)轉速從40r/min增大至97r/min時(shí)，去除速率從0.66μm/min提高至1.16μm/min，去除速率提高幅度達75%。

從圖6中可以看出：當研磨盤(pán)轉速從40r/min提高至80r/min時(shí)，表面粗糙度值僅從15nm略微增至17nm；當轉速進(jìn)一步增大至97r/min時(shí)，由于盤(pán)面的穩定性受到影響，因此，粗糙度增大至18nm。

圖5    研磨盤(pán)轉速對材料去除速率的影響

圖6    研磨盤(pán)轉速對表面粗糙度值的影響

從以上分析得出：研磨轉速對去除速率有較大的影響，而對表面粗糙度值影響較弱，在具體研磨拋光過(guò)程中，研磨盤(pán)轉速越高，材料的去除速率越大，但考慮到研磨盤(pán)轉速超過(guò)80r/min，研磨系統的穩定性以及研具的磨損受到嚴重的影響，因此，在具體加工過(guò)程中，研磨盤(pán)轉速優(yōu)選為80r/min。

3結論

(1）在表面粗糙度值滿(mǎn)足要求的前提下，優(yōu)選銅材質(zhì)研磨盤(pán)，可大幅度提高研磨效率．

(2）當研磨壓力選20.68kPa時(shí)，可實(shí)現高效的去除速率和良好的表面加工質(zhì)量?jì)烧叩慕Y合。

(3）綜合分析材料去除速率和加工過(guò)程中設備的穩定性，研磨盤(pán)轉速優(yōu)選為80r/min。