一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备及方法

摘要

本发明属于电化学机械抛光领域，涉及一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备及方法，可应用于导电材料平面构件的低应力、高效抛光。本发明的设备包括双面研磨装置、电化学机械抛光垫、导电夹持装置、电源供应部、电解液供应部。利用游星片连接电源正极和平面构件，通过上下阴极层和抛光垫中的电解液将电源的负极与导电平面构件相连，从而构成回路实现双面电化学机械抛光。本发明可以用于导电平面构件的双面平坦化，具有材料去除率更高、电路稳定、排液顺畅、反应稳定、结构简单、装配方便、修形能力提高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于电化学机械抛光领域，涉及一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备与方法，可应用于导电材料平面构件的低应力、高效抛光。

背景技术

随着制造业发展，机械、电子、航空航天、国防等领域高端装备对关键零件的性能要求不断提高，如火箭共底构件、超精密齿轮、光学镜片、飞行器颤振比例模型等。为满足性能需求，精密与超精密加工技术加工精度不断提高，高性能零件的形状和结构日趋复杂和精细。在精密与超精密加工技术中，抛光工艺是表面处理工艺的重要组成部分。化学机械抛光CMP具有良好的全局平坦化能力，但是其加工过程中伴随机械作用，会给工件引入较大残余应力，引起工件变形，而电化学机械抛光ECMP利用电解钝化作用生成易去除的钝化膜，相比化学机械抛光，加工应力更小，且材料去除率高于化学机械抛光。双面电化学机械抛光可以进一步提高材料去除率。

在专利CN101168241A中用于连接构件与电源的接触组件结构复杂，且通过点接触式传导安级电流容易导致工件烧伤，且组件中包括不锈钢材质零件也会发生电解，导致零件受损并影响有效电解反应。

在专利CN101573212A中，抛光垫上孔与孔之间没有连接通道，导致电解液添加浸入后无法有效排出，影响了电解液流量，也容易导致抛光产物无法及时排出。且文中未提及夹持件材料及结构对电解反应影响，若夹持件采用材料含有与构件不同的金属元素，会导致电解液中混入其它金属材料，可能会影响电解反应，其次夹持件参与反应会导致其传动结构的破坏，影响到构件的运动。

在专利CN103182687A中所示抛光垫结构复杂，不易制造装配；且电性连接中液阻不稳定，难以保证构件相对电极电势的稳定性，影响构件钝化产物生成。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备与方法。

本发明的技术方案为：

一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备，包括双面研磨装置、电化学机械抛光垫、导电夹持装置、电源供应部和电解液供应部。

所述的双面研磨装置，包括上研磨盘1、上盘连接层2、圆柱销I7、内齿圈9、圆柱销II10、太阳轮13、下研磨盘16、传动装置I。所述的传动装置I包括螺母 12、轴承I 17、内齿圈承载层18、轴承II 19、轴承III 20、轴承IV 21、轴22、机架25。

所述的上下研磨盘1、16结构相同，其轴心线重合，盘面水平对应，下研磨盘16通过两个轴承II 19同轴安装在内齿圈承载层18中心孔内。所述的太阳轮 13同轴安装在轴22上端并通过螺母12固定，轴22上端通过两个轴承I 17安装于下研磨盘16中心孔内，轴22下端通过轴承IV 21安装在机架25底孔处；所述机架25通常为圆柱体结构或长方体结构，其底部下表面设有底孔，内齿圈承载层18通过两个轴承III20安装于机架25底孔上端孔壁上。所述的内齿圈9通过螺栓8固定在内齿圈承载层18上，圆柱销I7通过插销I11固定在内齿圈9上，圆柱销II10通过插销I11固定在太阳轮13上。所述传动装置I与太阳轮13、上研磨盘1、下研磨盘16、内齿圈9同轴并在驱动装置驱动下同向转动，内齿圈9、太阳轮13用于驱动导电游星片6为平面构件5提供行星运动。

所述导电夹持装置，位于上研磨盘1和下研磨盘16之间，包括导电游星片 6和平面构件5；所述的导电游星片6为齿轮结构，其上设有安装平面构件5的通孔，放置在下盘电化学机械抛光垫抛光层14的上表面，导电游星片6周向与上圆柱销I7、太阳轮13上圆柱销II10相互啮合，用于给构件提供行星运动并电连接构件。所述的平面构件5放置在导电游星片6孔内，其上表面与上盘电化学机械抛光垫抛光层4相接触，下表面与下盘电化学机械抛光垫抛光层15相接触。

所述的电化学机械抛光垫包括上盘电化学机械抛光垫和下盘电化学机械抛光垫，所述的上盘电化学机械抛光垫包括上盘电化学机械抛光垫阴极层3、上盘电化学机械抛光垫抛光层4，所述的下盘电化学机械抛光垫包括下盘电化学机械抛光垫抛光层14、下盘电化学机械抛光垫阴极层15，以上结构分别安装在上下研磨盘1、16上，电化学机械抛光垫轴心与研磨盘轴心重合，关于工件对称。

所述的抛光层4、14为圆环结构，由抛光垫和绝缘层26粘接而成，也可单独由绝缘抛光垫构成；抛光层4、14上环布通孔，通孔分布关于抛光层轴心中心对称。所述的阴极层3、15阴极层上开有与抛光层通孔对应的环槽及排液的直槽，槽型关于阴极层轴心中心对称，该结构保证电解液流通顺畅，均匀分布，由具有导电性材料的整垫或整盘构成(如石墨等)，如图6a、图6b所示；或者由若干内外径不同、厚度相同的阴极环组成，如图7a、图7b所示，在阴极环与阴极环之间包夹着绝缘层或绝缘胶，用于分环加压，调节不同环区内材料去除速率，达到调节构件面形能力。

所述的上盘电化学机械抛光垫抛光层4粘接于上盘电化学机械抛光垫阴极层3上，使上盘电化学机械抛光垫抛光层4上孔对应于上盘电化学机械抛光垫阴极层3上环槽。所述上盘电化学机械抛光垫阴极层3通过螺接或铆接形式固定于上盘连接层2；所述上盘连接层2开有通孔便于导管、导线连接上盘电化学机械抛光垫阴极层3，并通过螺接或铆接形式固定于上研磨盘1。所述下盘电化学机械抛光垫抛光层14粘接于下盘电化学机械抛光垫阴极层15上，使下盘电化学机械抛光垫抛光层14上通孔对应于下盘电化学机械抛光垫阴极层15上环槽，下盘电化学机械抛光垫阴极层15通过螺接或铆接形式固定于下研磨盘16 上。

所述电解液供应部23通过导管连接上盘电化学机械抛光垫阴极层3、下盘电化学机械抛光垫阴极层15，提供电解液。

所述电源供应部24通过导线及电刷27电连接上盘电化学机械抛光垫阴极层 3、下盘电化学机械抛光垫阴极层15，通过导线与内齿圈9或太阳轮13电连接。

所述的导电游星片6齿轮的齿形采用销齿、直齿、圆弧齿等圆柱齿齿形，导电游星片6由具备导电性、耐电化学腐蚀性且一定机械强度的材料制成。所述的安装在内齿圈9上的圆柱销I7和安装在太阳轮13上的圆柱销II10不是唯一与导电游星片啮合传动齿形，可根据具体加工要求替换为直齿、圆弧齿等圆柱齿齿形。

一种用于双面电化学机械抛光平面构件的方法，具体步骤如下：

(1)将电化学机械抛光垫分别安装在双面研磨装置上下研磨支承盘1、16 表面，将导电游星片6放置在太阳轮13与内齿圈9间保持啮合，将平面构件5 放入导电游星片6内圈中，使上下电化学机械抛光垫的抛光层4、14与平面构件5上下表面接触。

(2)将电源供应部24与上下盘电化学机械抛光垫阴极层3、15通过导线连接，并将电源供应部24与内齿圈9电连接。

(3)电解液供应部23将电解液通过导管输送到上下盘电化学机械抛光垫抛光层4、14中，供电后，抛光层4、14与平面构件5电性连接，构成闭合电路，以钝化电位使电流通过电路，在平面构件5上下表面产生钝化膜；所述的钝化电位在不同阴极环区根据实际需求调整。

(4)使上下盘电化学机械抛光垫抛光层4、14与平面构件5产生相对运动；利用电化学机械抛光垫的机械作用去除钝化膜，达到表面整平的效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)更高的材料去除率：本发明利用双面电化学机械抛光对构件正反面同时加工，带来比单面电化学机械抛光更高的材料去除率。

(2)电路稳定，不易烧伤：相对发明专利CN101168241A中连接方式，本发明中构件加工表面不与电极电连接，仅靠导电游星片与构件通过侧面的电连接传导电流，电流传递面积更大，不易烧伤。

(3)排液顺畅，反应稳定：相对发明专利CN101168241A中抛光垫结构，本发明中电化学机械抛光垫通过环槽、直槽有效连接孔，使电解液流通顺畅，排布均匀，进而能有效带离抛光产物，保证电化学反应的稳定性。此外，游星片采用电火花石墨材料或外层耐腐蚀内层导电的夹层结构进行构件与电源电连接，防止游星片电解造成结构破坏及构件电解反应不稳定。

(4)结构简单，装配方便：相对发明专利CN103182687A中抛光垫结构，本发明中电化学机械抛光垫由于构件数量少、结构简单，生产容易，装配方便。

(5)提高面形调节能力：本发明中电化学机械抛光垫阴极层可根据试验效果调整环区电压，进而调节环区去除率，达到提升面形调节能力。还可增加环区数量，进一步提高环区去除率调节能力。

基于上述理由，本发明可在平面件表面处理工艺、低应力加工工艺等领域广泛推广。

附图说明

图1是双面电化学机械抛光设备的剖视图；

图2是双面电化学机械抛光设备下研磨盘16俯视图；

图3a是导电游星片6的俯视图，图3b是沿图3a B-B面的剖视图；

图4是双面电化学机械抛光设备剖视的局部放大图；

图5是电化学机械抛光垫的抛光层14俯视图；

图6a是电化学机械抛光垫阴极层15的一种实施方式的俯视图，图6b是沿图6a C-C面的剖视图；

图7a是电化学机械抛光垫阴极层15的另一种实施方式的俯视图，图7b是沿图7aD-D面的剖视图；

图中：1上研磨盘、2上盘连接层、3上盘电化学机械抛光垫阴极层、4上盘电化学机械抛光垫抛光层、5平面构件、6导电游星片、7圆柱销I、8螺栓、9 内齿圈、10圆柱销II、11插销I、12螺母、13太阳轮、14下盘电化学机械抛光垫抛光层、15下盘电化学机械抛光垫阴极层、15-a阴极层I环、15-b阴极层II 环、15-c阴极层III环、16下研磨盘、17轴承I、18内齿圈基层、19轴承II、 20轴承III、21轴承IV、22轴、23电解液供应部、24电源供应部、25机架、 26绝缘层、27电刷。

具体实施方式

以下对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，一种用于双面电化学机械抛光平面构件的设备，包括双面研磨装置、电化学机械抛光垫、导电夹持装置、电源供应部和电解液供应部。

所述的双面研磨装置，包括上研磨盘1、上盘连接层2、圆柱销I7、螺栓8、内齿圈9、圆柱销II10、插销I11、太阳轮13、下研磨盘16、传动装置I。所述的上下研磨盘1、16结构相同，其轴心线重合，盘面水平对应，下研磨盘16通过两个轴承II 19同轴安装在内齿圈承载层18中心孔内。所述圆柱销I7通过插销I11固定在内齿圈9上；所述内齿圈9通过螺栓8固定在内齿圈承载层18上；所述圆柱销II10通过插销I11固定在太阳轮13上；所述传动装置I包括螺母12、轴承I17、内齿圈承载层18、轴承II19、轴承III20、轴承IV21、轴22、机架25；所述太阳轮13同轴安装在轴22上端并通过螺母12固定；所述轴22通过两个轴承I17安装于下研磨盘16中心孔内；所述轴22下端通过轴承IV21安装在机架25底孔处；所述下研磨盘16通过两个轴承II19同轴安装在内齿圈承载层18 中心孔内；所述内齿圈承载层18通过两个轴承III20安装于机架25底孔上端孔壁上；所述传动装置I与太阳轮、上研磨盘、下研磨盘、内齿圈同轴并受驱动按图示方向转动。

所述导电夹持装置，位于上研磨盘1和下研磨盘16之间，包括导电游星片 6和平面构件5；所述的导电游星片6放置在下盘电化学机械抛光垫抛光层14 的上表面，并与内齿圈9和太阳轮13相互啮合；所述的导电游星片6开有圆孔，所述平面构件5放置在导电游星片6孔内；所述导电游星片6放置在下盘电化学机械抛光垫抛光层14表面，并与内齿圈9上圆柱销I7、太阳轮13上圆柱销 II10啮合；所述上盘电化学机械抛光垫抛光层4与平面构件5上表面保持接触。所述安装在内齿圈9上的圆柱销I7和安装在太阳轮13上的圆柱销II10不是唯一与导电游星片啮合传动齿形，可根据具体加工要求替换为直齿、圆弧齿等圆柱齿齿形。

所述的电化学机械抛光垫，包括上盘电化学机械抛光垫和下盘电化学机械抛光垫；所述的上盘电化学机械抛光垫，包括上盘电化学机械抛光垫阴极层3、上盘电化学机械抛光垫抛光层4；上盘电化学机械抛光垫抛光层4粘接于上盘电化学机械抛光垫阴极层3上，使上盘电化学机械抛光垫抛光层4上孔对应于上盘电化学机械抛光垫阴极层3上环槽。所述上盘电化学机械抛光垫阴极层3通过螺接或铆接形式固定于上盘连接层2；所述上盘连接层2开有通孔便于导管、导线连接上盘电化学机械抛光垫阴极层3，并通过螺接或铆接形式固定于上研磨盘 1；所述的下盘电化学机械抛光垫，包括下盘电化学机械抛光垫抛光层14、下盘电化学机械抛光垫阴极层15；所述下盘电化学机械抛光垫抛光层14粘接于下盘电化学机械抛光垫阴极层15上使下盘电化学机械抛光垫抛光层14上通孔对应于下盘电化学机械抛光垫阴极层15上环槽。所述下盘电化学机械抛光垫阴极层 15通过螺接或铆接形式固定于下研磨盘16上；所述上盘电化学机械抛光垫阴极层3与下盘电化学机械抛光垫阴极层15，其中一种实施方式是阴极层由如石墨具导电性材料的整垫或整盘构成，阴极层上开有对应抛光层通孔的环槽及排液的直槽，槽型关于阴极层轴心中心对称，保证电解液流通顺畅，均匀分布。

所述上盘电化学机械抛光垫阴极层3与下盘电化学机械抛光垫阴极层15，其中另一种实施方式是阴极层由如阴极层I环15-a、阴极层II环15-b、阴极层III 环15-c若干内外径不同等厚的阴极环组成，阴极环采用如石墨等具导电性材料制成，在阴极环与阴极环之间包夹着绝缘层26，阴极层上开有对应抛光层通孔的环槽及排液的直槽，槽型关于阴极层轴心中心对称，该结构保证电解液流通顺畅，均匀分布，还可用于分环加压，调节不同环区内材料去除速率，达到调节构件面形能力。

所述电解液供应部23通过导管连接上盘电化学机械抛光垫阴极层3、下盘电化学机械抛光垫阴极层15，提供电解液。

所述电源供应部24通过导线及电刷27电连接上盘电化学机械抛光垫阴极层 3、下盘电化学机械抛光垫阴极层15。

一种用于双面电化学机械抛光平面构件的方法，具体步骤如下：

将导电游星片6放置在太阳轮13与内齿圈9间保持啮合，将构件放入导电游星片6内孔中，将电源供应部24与上盘电化学机械抛光垫阴极层3、下盘电化学机械抛光垫阴极层15通过导线连接，将电源供应部24与内齿圈9电连接，电解液供应部23将电解液通过导管输送到上盘电化学机械抛光垫抛光层4与下盘电化学机械抛光垫抛光层14上；使电解液与上盘电化学机械抛光垫阴极层3、下盘电化学机械抛光垫抛光层14与平面构件5接触，构成闭合电路；在不同阴极环区根据实际需求调整钝化电位使相应电流通过电路，在平面构件5上下表面产生以相应厚度钝化膜；使上盘电化学机械抛光垫抛光层4、下盘电化学机械抛光垫抛光层14与平面构件5产生相对运动；利用电化学机械抛光垫的机械作用去除钝化膜，达到表面整平的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构想加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。