化学机械微磨具的研制及其微细磨削性能研究

摘要

硅基硬脆材料微小零件在航空航天、生物工程、微电子工业等尖端行业的应用及需求急剧扩大，同时对该类微小零件的功能结构、表面质量、尺寸精度、使役性能等要求不断提高。微细磨削技术在加工该类微小零件相比MEMS制造技术具有难以比拟的优势，但是受制于硅基硬脆材料的特性和现有的微磨具性能，存在材料脆性断裂严重、加工表面质量差、微磨具寿命短等问题。为此，本文提出了化学机械微细磨削技术加工硅基硬脆微小零件的方法，研制了化学机械微细磨削专用的软磨料微磨具，并对其微细磨削性能进行综合评价与研究，旨在通过化学和机械的耦合作用解决单晶硅脆性断裂严重、表面质量差等难题，以实现硅基硬脆微小零件的精密加工。论文具体工作如下：　　(1)研究了商用金刚石微磨具的磨损机理，以及微磨具磨损对表面粗糙度和平均边缘碎裂宽度的影响规律。指出采用金刚石微磨具的单一机械作用是造成微细磨削质量较差，边缘碎裂严重等加工损伤缺陷的主要原因。并提出化学机械微细磨削技术的加工方法。　　(2)针对典型硅基硬脆材料单晶硅，分析了单晶硅的理化特性，采用正交试验法设计了不同成分的氧化铈(CeO2)软磨料微磨具配方，制定了微磨具的制备工艺流程，以及确定了软磨料微磨具的修整方法。　　(3)对制备的不同类型的微磨具开展了磨削性能对比试验，以材料去除率、磨削比以及加工表面粗糙度值作为评价指标，分析讨论了各配方成分对微磨具磨削性能的影响趋势。结果表明，化学机械微细磨削的材料去除方式为延性去除，磨削质量显著提高。并采用灰色关联分析法对微磨具各评价指标进行综合评价，通过试验证明经过配方成分优化后的微磨具具有更好的磨削性能。　　(4)应用共聚焦拉曼显微镜和X射线衍射仪分别对单晶硅磨削表面和磨屑进行化学成分检测，分析了磨料、活性剂与单晶硅之间的固相化学反应，揭示了微磨具在加工单晶硅过程中化学作用和机械耦合作用的机理，建立了化学机械微细磨削的材料去除模型。　　研究表明，化学机械微细磨削可以有效解决单晶硅脆性断裂严重、表面质量差等问题，其材料去除方式为延性去除，对材料的损伤很小，本文的研究成果为实现硅基硬脆材料微小零件的化学机械微细磨削加工提供了试验及理论依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 微细磨削工艺及微磨具

1.2.2 化学机械磨削工艺

1.2.3 化学机械磨削专用磨具

1.3 课题来源和研究内容

1.4 本章小结

第2章 金刚石微磨具的磨损机理与试验研究

2.1 金刚石微磨具磨损试验设计

2.1.1 微细磨削试验平台与检测设备

2.1.2 试验设计方案

2.2 试验结果与分析

2.2.1 金刚石微磨具的磨损形式

2.2.2 微磨具磨损量评价

2.2.3 微磨具磨粒磨损比例

2.2.4 微磨具磨损对磨削表面粗糙度的影响

2.2.5 微磨具磨损对平均边缘碎裂宽度的影响

2.3 本章小结

第3章 化学机械微磨具制备研究

3.1 化学机械微细磨削加工原理

3.2 微磨具的配方设计

3.2.1 磨料的选用

3.2.2 结合剂的选用

3.2.3 填充剂的选用

3.2.4 微磨具的成分配比

3.3 微磨具的制备工艺

3.3.1 模具设计

3.3.2 微磨具制备流程

3.4 本章小结

第4章 化学机械微磨具的磨削性能研究

4.1 化学机械微磨具磨削性能试验方案

4.2 试验结果与分析

4.2.1 试验结果与极差分析

4.2.2 各配方成分对微磨具性能的影响

4.3 微磨具磨削性能综合评价

4.3.1 微磨具配方成分优化

4.3.2 试验验证

4.4 本章小结

第5章 化学机械微细磨削材料去除机理研究

5.1 磨削表面理化性能分析

5.1.1 检测仪器与原理

5.1.2 检测结果与分析

5.2 磨屑理化性能分析

5.2.1 检测仪器与原理

5.2.2 检测结果与分析

5.3 化学机械微细磨削材料去除机理

5.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢