超精密成型技术（共8篇）
超精密成型技术 篇1
0引言
精密注射成型一般是指成型制件的精度(包括尺寸精度、形状精度和相互位置精度)和表面质量(如表面粗糙度,应力状态及表观的气泡、银纹等状况)均要求很高的工艺。这些制件往往外形结构尺寸比较小,而使用性能的要求却很高并带有某些特殊性。精密与超精密是相对而言的,但也有一个量化的区别标准,即:精密成型是指生产制品尺寸精度的范围在0.01~0.001 mm,超精密成型是在0.001~0.000 1 mm。随着经济的发展,消费者对产品功能健全和精细化的要求越来越高,使市场上对象光盘、光学零件、小型接续器、塑料齿轮、IC卡、精密仪器或机械、笔记本电脑零件、光纤连接器插芯等比较薄、比较小、比较精密和强度要求较大的超精密塑料产品的需求量越来越大,这些超精密塑料产品不仅只是在尺寸公差,而且在产品强度、形状公差、光学特性、表面特性以及切口质量等方面都有严格的要求,通过普通注塑成形方法来实现,对很多人来说是无法想象的。目前,高机械强度原材料结合高精度尺寸的超精密注塑成型在行内还在多方探讨中,特别是类陶瓷性能要求的高机械强度而又能达到超高精度的成型产品的需求是很大的。本文对光纤连接器插芯产品的材料、模具、注塑工艺进行深入探讨。
1可实现超精密注塑的高机械强度塑料原材料
现有的单芯光纤连接器插芯由陶瓷制成,其光纤孔ø0.125~ø0.126 mm尺寸以及外圆定位精度高。为了使注塑产品有高机械强度的同时又能达到高精度产品,本文和本实验经过多次试验,提出一种PPS(Poly Phenylene Sulfide聚苯硫醚)作为基树脂原材料添加特殊配方元素结合,这种树脂具有低的热膨胀系数、低的吸水率和高的机械强度、超高成型尺寸精度。PPS是常用特种工程塑料之一,它属于高结晶的聚合物,采取不同的测定方法测得的树脂原粉结晶度为60%~75%之间,这种树脂也具有结晶成型特性,并有类似于PPS树脂的基本特点:
(1)高强度和高刚性;
(2)高耐热性,熔点:280℃,玻璃化转变温度为85℃,分解温度:>400℃,加重热变形260℃,能承受260℃,10秒的焊料浸泡;
(3)良好的耐化学性;
(4)难燃性;
(5)尺寸精度高;
(6)良好的电绝缘。
PPS的链节结构单元非常简单,刚硬的单体赋予材料在高温下很高的强度、刚度保留率,有着较强的结晶趋势和较大的结晶度。同时也因为PPS主链上有大量苯环,并且结晶度很高,使其断裂伸长率低,韧性、抗冲击性也较差,一定程度上限制了它的应用。
本文经过实验和实际产品应用情况,总结实验配方:特制超微细球状二氧化硅64%~74%,聚苯硫醚25%~35%,其他5%等可以达到本成型较好的产品特性。根据其超高的机械强度,在光纤活动连接器插芯领域可以代替陶瓷成型,并可以在注塑成型中获取超高的产品精度及良好的产品外观。此实验材料定义其为PPS树脂基陶塑材料(简称:陶塑材料)。
经测试,陶塑材料比重1.85g/cm3,熔体粘度(310℃、1 000/s)260 Pa·s,拉伸强度80 MPa,弯曲强度130 MPa,弯曲模量14 850 MPa,线性热膨胀系数(常温、流动方向)2×10-5/℃,线性热膨胀系数(常温、垂直方向)2×10-5/℃,负荷变形温度(1.8 MPa)185℃。此节有删减。
2成型条件
在超精密注塑成型工艺中,为了在多次成形中能够取得精确的尺寸和尺寸稳定性,必须保持优异的复制能力,并减少成形件中的残余应力。PPS标准的成型条件:
(1)树脂温度:300℃~330℃;
(2)模具温度:130℃~160℃;
(3)干燥:140℃,3 h以上;
(4)注射速度:速度快外观好(32~64 mm/s);
(5)保压力:39~69 MPa;
(6)保压时间:保证浇口封闭时间;
(7)冷却时间:计量时间+αor顶出可能时间;
(8)螺杆转速:80~150 r/min;
(9)背压:0.2~1.0 MPa。
根据以上PPS树脂标准的成型条件,陶塑材料在光纤活动连接器插芯应用中,最佳的成形条件是通过实验来确定的。进一步实验分析,陶塑材料最大成长速度0.315μm/s,最大成长速度温度180℃,最大结晶化度30%,陶塑材料结晶速度慢、结晶化度低,所以必须高模温,模具温度在玻璃化转变温度之上才结晶化,需要将模具温度设定在130℃~160℃。因为在成形过程中用了直径非常小的针和高粘度的树脂,较低的注入速度和较低的注入压力展示出良好的结果。本文实验最佳的成形条件如下:
(1)料筒内温度为300℃~330℃;
(2)预干燥的烘干温度为130℃~140℃,烘干时间为3~5 h;
(3)浇注通道的浇口加热至70℃~80℃,浇注通道的流道加热至130℃~160℃,模腔加热至130℃~160℃;
(4)注塑机的注射压力为600~700 kgf/cm2、注射速度为35~65 mm/s、注射时间为0.15~0.3 s;
(5)冷却时间为15~20 s;
(6)保压力:40~55 MPa,保压时间为4~8 s;
()螺杆转速:~;
(8)背压:0.2~1.0 MPa。
此成型工艺用精密模具和精密注塑机经过几万次不间断生产单芯、多芯光纤连接器插芯,陶塑材料结晶度可以达到94%~98%之间,都稳定的取得超高精度的产品。多芯插芯具体表现在插芯的2~24个均布ø0.125 mm~ø0.126 mm孔偏离设计理想位置要小于0.65μm,而导孔径精度要小于0.33μm,孔的倾斜容差要小于0.2°,随机接续时的平均损耗降至0.2 d B。单芯插芯的外径中心和黏结光纤微细孔中心的轴偏小于0.4μm。整个工艺流程简单,设计合理,操作方便,能大大提高成品率和生产效率,节省了企业的生产成本。而且利用上述原料注塑得到的光纤连接器插芯具有高硬度的特点,且回波损耗和抛光性高,环境的适应性强。
3成型不良现象分析
在注塑成型过程中,因为模具不良以及注塑参数设定等原因会造成产品的成型不良。
(1)陶塑材料下成型中主要会出现的不良现象:
1)外观缺陷:(1)飞边;(2)充填不足;(3)雾痕;(4)凹痕、空洞、膨胀;(5)黑色痕、变色;(6)气体烧焦。
2)成型模具不良:(1)脱模不佳;(2)模垢;(3)模具腐蚀。
3)尺寸缺陷:(1)翘曲、变形;(2)后收缩。
(2)陶塑材料成型容易产生飞边的原因:
1)材料流动性高;
2)结晶速度慢;
3)粘性与剪切速度没有依存关系。
飞边的一般对策见表1。
(3)陶塑材料成型产生气体烧焦的原因主要是排气不良造成,具体:1)排气口未设置、堵塞;2)高速注射。
成型条件的对策:1)注射速度、压力调整;2)料筒温度设定;3)V-P转换位置向计量侧设置;4)合模力调整。
模具形状对策:1)排气口的设置、保养;2)浇口数、位置变更;3)多空渗透性钢材的使用。
配套注塑机的对策:使用真空抽气成型技术。
(4)黑色痕、变色的原因:1)树脂剪切(注射、可塑化);2)热、紫外线引起的变色;3)与金属的相互作用。
成型条件的对策:1)注射速度降低;2)料筒温度升高;3)螺杆转速降低;4)背压降低;5)喷嘴后退成型。
模具对策:1)形状改成R型角;2)浇口尺寸加大。
注塑机对策:1)改用低压缩螺杆;2)避免含Ni材质的螺杆。
材料对策:低腐蚀等级(弱酸性)。
(5)产生模垢的原因:1)产生的气体成分;2)添加剂造成。
成型条件的对策:1)料筒温度降低;2)滞留时间调短;3)强化干燥;4)模具温度升高;5)合模力降低。
模具对策:1)排气口设置;2)保养;3)模具做表面处理(Ti N;DLC)。
注塑机对策:使用真空抽气成型技术。
材料对策:低气体低腐蚀等级。
(6)模具腐蚀:1)pps气体造成金属腐蚀;2)气体,空气排气不良。
成型条件的对策:1)料筒温度降低;2)滞留时间缩短;3)强化干燥;4)合模力降低。
模具对策:1)排气口设置、维护;2)使用不锈钢材料;3)模具做表面处理(Ti N;DLC)。
注塑机对策:使用真空抽气成型技术。
材料对策:低气体低腐蚀等级。
4模具设计
(1)模具型腔材料选用:不锈钢淬火料,如国内牌号2Cr13、4Cr13,国外牌号S136、HPM38、ELMAX、STAVAX、SUS420J2、SUS440C等。
(2)模具定位设计
模具的导向系统是注塑零部件按照既定的轨迹运动。模具的定位系统是指注塑模具中,保证动、定模之间及各活动零件之间相对位置精度,防止模具在生产过程中变形错位。
根据光纤连接器插芯的产品特征,其有一个或多个ø0.125~ø0.126 mm尺寸的型针,产品孔径精度以及位置精度都要求超高,如其要注意合模动作的精准,合理承受注射压力、合模板的重量。本文作者经多次测试和分析,采用过盈配合的耐高温钢球衬套结合四方向的高精度锥销的定位方式,内镶件用三点式高精度圆销定位,在加工工艺上要求各模板采用真空淬火以及-80℃超低温处理,各关联孔一次性用高精密坐标磨床加工成型。
(3)直浇口、流道、型腔设计
在模具设计中,防止冷料而注射不顺,造成产品填充不满、水纹等,浇口对称面、流道拐角处必须增加冷料井。原料精度高,为了使水口和产品脱模顺利,型腔、注浇口、流道侧面需增加适当的拔模斜度,同时进行必要的研磨抛光。
经多次实验得出如下合理参数:浇口尺寸应为制品的厚度75%~100%;型腔脱模斜度0.5°~1°;流道脱模斜度1.5°~3°。
(4)排气口设计
高精度的注塑模具必须解决好排气才能实现良好填充,减少困气,实现高精度的产品尺寸。排气口在设计中厚度为0.008~0.012 mm;宽度为2~4 mm;长度为0.5~2 mm。
(5)型腔增加表面处理会得到较高的产品表面质量,同时提高模具的耐腐蚀性,不易产生模垢。对目前的表面处理实验,表面质量和产品效果从高到低:DLC、Cr N、Ti N、硬质Cr电镀。模具型腔做表面处理后,虽然成本会适当增加,但是模具的使用有效时间也提高,产品注塑后的高精度尺寸持久性提高。
(6)冷却水道的设计
陶塑材料成型过程中,将300℃~330℃熔融状态的塑料高压注入模腔,熔料在模腔中结晶成型并冷却到塑料的热变形温度以下固化。该过程是由熔料和模具的温差实现的,模具温度及其调节系统对塑件质量的影响是很重要的。模具的温度稳定、冷却速度均匀可以减少塑料的成型结晶、收缩率的波动,是塑件减少变形、保证尺寸稳定的根本条件。塑料熔体在注塑模中稳定注射时,其温度由300℃降至150℃,其释放的热量中的5%是以辐射、对流的方式散发到大气中,其余95%的热量都是由冷却介质带走,模具的冷却时间一般约占整个注射循环周期的2/3,可见注射的生产效率主要取决模具的冷却时间。若模具温度过高或过低,都会影响塑件的质量和生产。过高:溢料,缩孔,塑件固化时间长,注射周期长,生产率低;过低:熔料流动性差,结晶不完全,塑件应力增大,出现填充不良、熔接痕、缺料及表面不光泽等缺陷,不均匀,出现收缩率偏差,塑件变形等问题;所以模具设计时必须考虑冷却或加热装置来调节模具温度。实验经验,陶塑材料成型过程必须使用130℃~160℃模温塑件结晶比较完全,塑件结晶率在95%以上比较容易获得良好的尺寸精度以及尺寸稳定性。
在设计水道时,冷却水道应与成型面各处距离相等,排列与成型面形状尽可能相符;冷却水道应使成型零件表面冷却均匀,模具各处的温差不大;冷却水孔距型腔的距离一般为10~20mm,太近则冷却不均匀,太远则冷却效率低;冷却水孔直径一般为ϕ8~12 mm,结合塑件尺寸大小适当调整水孔孔径;循环式冷却水道中冷却介质的流程应相等;冷却水道应先通过浇口部位并沿料流方向流动,即从模温高区域流向模温低区域;冷却水道不应设置在塑件可能出现熔接痕的部位;冷却水道应防止漏水,特别是通过组合镶件时,应考虑密封问题;冷却水嘴应设在非操作侧,并考虑不与注塑机导向柱干涉;动、定模原则上应分别单独设置冷却系统,以便调节控制塑件的变形等缺陷。
为了达到稳定的130℃~160℃模具温度,一般选用油介质的油温机温度可靠,但是工作环境比较不好,模具和注塑机台表面会有油污,严重地会影响产品外观质量。目前可采用一种加压水蒸汽的高压加温方法,效果良好。
5总结
经过以上表述的主要配方PPS树脂基陶塑材料,在注塑中维持高流动性,其材料线膨胀率是金属同等水平、低异方性,很好解决塑件高机械强度的同时实现超高精度,能到达0.1μm水平的表面平滑性。根据本文的模具设计方法,针对此陶塑材料可以达到良好的排气效果、定位精度高、塑件结晶良好,对应制订的注塑工艺,能稳定的取得超高精度的优秀产品。
根据本实验的超精密原材料和相应的加工方法,可以进一步拓展应用到其他高机械强度、超精密尺寸和优良外观性能的塑件。
本文所述模具结构已经申请国家专利,陶塑材料配方和工艺制造方法正在申请国家专利。
参考文献
[1]孔宪青,周文瑞,张贵学.PPS树脂评析及CF/PPS成型工艺探讨-PPS树脂性能及复合材料工艺研究进展[J].玻璃钢/复合材料,1993(5):27-32.
[2]朱培.PPS树脂及其复合材料发展概况[J].工程塑料应用,1996(1):47-51.
[3]黄赋云.聚苯硫醚改性研究进展[J].上海塑料,2009(1):5-9.
[4]李瑾.密集阵列光纤连接器的研发新进展[J].网络电信,2012(1):46-49.
[5]徐乃英.MT/MPO光纤连接器的新发展[J].现代有线传输,2003(3):1-6.
超精密成型技术 篇2
（一）基本描述
课程名称：精密和超精密加工技术
英文译名：Precision and Ultraprecision Machining Technology 课程学时：30 讲课：28
实验：2
上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化 开课教研室：机械制造及其自动化系 开课时间：第七学期
先修课程：机械制造技术基础、测试技术与仪器、机械制造装备设计 主要教材及参考书：
1.袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社，1999年
2.王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社，2001年 3.刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社，1991年
（二）课程的性质、研究对象及任务
精密和超精密加工技术是机械制造学科的专业课。本课程研究对象是精密和超精密加工技术的基本理论、加工工艺、加工设备、测量技术及环境技术等。本课程的主要任务是培养学生：
1、建立起精密和超精密加工技术的基本概念，了解精密和超精密加工技术的应用范围。
2、掌握精密和超精密加工技术的基本理论和基本技术，具有选择和应用精密和超精密加工工艺和设备的基本能力。
3、了解精密和超精密加工技术的最新发展趋势，新理论和新技术。培养学生在相关技术领域从事精密和超精密加工工作和研究的能力。
（三）教材的选择与分析
精密和超精密加工技术是一门正在不断发展的新技术，国内外有关的教材和书籍不是很多，一些专著也不完全适合作教材。目前国内可供选择的教材有：袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社；王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社；刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社。
1.袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》一书，是目前国内现有精密和超精密加工技术教材中比较权威和使用广泛的教材，该书比较系统地总结了国内外精密和超精密加工技术，涉及的面较广，其内容有相当的深度和权威性，被许多其它学校使用，并多次再版。在目前情况下是一本比较合适的教材，但不足之处是编写的时间较早，未能反映精密和超精密加工技术最新的发展情况，有些内容不够系统，需要在讲课时补充部分内容。根据现在的情况和我校的特点，我们选择该书作为教材。
2．王先逵编《精密加工技术实用手册》涉及内容较多，适合作为参考工具书使用，由于我们讲课学时所限，不适合作为教材，可以作为学生的课外参考书。
3．刘贺云、柳世传编《精密加工技术》教材于1991年由华中理工大学出版社出版，出版时间较早，不能反映精密和超精密加工技术的新发展，内容基本上被袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》一书所包括，可以作为学生的课外参考书使用。
（四）本课程各章的主要内容与基本要求、重点与难点、学时分配
第1章 精密和超精密加工技术及其发展展望（2学时）
精密和超精密加工技术的重要性、现状及技术发展展望。基本要求：
搞清楚本课程学习的目的、主要内容和方法；了解精密和超精密加工技术的基本概念、应用范围和重要意义、精密和超精密加工技术的现状及发展趋势。
重点与难点: 精密和超精密加工技术的基本概念及研究、应用范围。第2章 超精密切削与金刚石刀具（4学时）
切削参数选择，金刚石刀具的性能、设计与制造，切削变形和加工质量的影响因素。
基本要求：
了解使用金刚石刀具进行超精密切削的基本规律、超精密切削对刀具的要求及金刚石刀具的性能、设计与制造，单晶金刚石刀具的磨损破损机理。
重点: 1）使用金刚石刀具进行超精密切削的特点和基本规律。2）超精密切削的机理和对金刚石刀具性能的要求。3）金刚石刀具的设计制造。4）金刚石刀具的磨损破损机理。难点: 1）切削参数对加工表面质量的影响规律。2）金刚石的晶体结构及刀具晶向的选择。第3章 精密和超精密磨削（4学时）
精密和超精密磨削概述，精密磨削，超硬砂轮磨削，超精密磨削，精密和超精密砂带磨削简介。
基本要求：
1）了解和掌握精密和超精密磨削的基本原理。
2）掌握超硬磨料砂轮磨削的特点、砂轮修整方法和磨削工艺。
3）掌握超精密磨削的机理及对工艺系统的要求。4）了解砂带磨削的特点和基本原理。重点: 1）精密和超精密磨削的机理及工艺特点。2）超硬磨料砂轮磨削的特点及砂轮修整方法。3）超精密磨削对工艺系统的要求。难点: 1）精密和超精密磨削的机理。2）超硬磨料砂轮修整方法。第4章 精密研磨和抛光（4学时）
研磨抛光机理、工艺因素，采用新原理的研抛工艺方法。基本要求：
1）了解和掌握研磨和抛光加工的机理及工艺特点。2）了解影响研磨和抛光加工的主要工艺因素。
3）了解各种新原理的研磨抛光加工方法的机理、工艺特点及应用范围等。
重点:
1）研磨和抛光加工的机理及工艺特点。2）各种新原理的研磨抛光加工方法 难点: 1）研磨和抛光加工的机理。
2）新原理的研磨抛光加工方法的机理。第5章 精密和超精密加工的机床设备（4学时）
精密和超精密加工机床发展概述，典型超精密机床简介，超精密机床的主要部件及关键技术。
基本要求：
1）超精密加工对机床的技术要求、超精密机床的基本概念。2）了解超精密机床的技术特点。
3）掌握超精密机床主轴、床身和导轨、进給驱动系统等的工作原理和性能特点。
重点:
1）超精密机床的技术要求和结构特点。
2）超精密机床主轴、床身和导轨、进給驱动系统等的工作原理和性能特点。
难点:
不同工作原理的机床主要部件的性能特点及选用。第6章 精密加工中的测量技术（2学时）
精密加工中长度、直线度、圆度的测量方法，激光测量技术。基本要求：
1）了解长度、直线度、圆度的测量方法。2）了解和掌握激光测量原理和特点。重点:
1）长度、直线度、圆度的测量原理。2）激光干涉测量原理。难点:
激光干涉测量原理。
第7章 在线检测与误差补偿技术（2学时）在线检测与误差补偿方法，微位移技术。基本要求：
1）了解和掌握在线检测与误差补偿方法的原理和特点。2）了解和掌握微位移技术的原理和应用特点。重点:
1）在线检测与误差补偿方法的原理。2）各种微位移装置的工作原理 难点:
在线检测与误差补偿方法的原理。
第8章 精密和超精密加工的环境技术（2学时）
空气环境和热环境，振动环境，噪声和其它环境，精密和超精密加工的环境要求及技术设施。
基本要求：
1）了解和掌握精密和超精密加工对环境的要求。2）了解和掌握振动、温度等环境对超精密加工的影响。重点:
1）精密和超精密加工对环境的要求及措施。2）振动、温度等环境对超精密加工的影响。难点:
振动、温度等环境对超精密加工的影响。
第9章 典型零件的精密和超精密加工技术（2学时）
典型精密件的加工工艺，半导体基片、光学非球面等器件加工技术。基本要求：
了解和掌握半导体基片、光学非球面等典型器件加工技术。重点:
精密和超精密加工技术在半导体基片、光学非球面等重要器件加工中的应用。
难点:
超精密加工新工艺的综合应用。
第10章 微细加工和纳米加工技术简介（2学时）
微细加工技术的概念、加工机理及方法简介，纳米和纳米加工技术 5 概述，微机械及微机电系统简介。
基本要求：
1）了解和掌握微细加工技术的概念、加工机理及方法 2）了解纳米加工技术和微机械及微机电系统的基本概念。重点:
1）微细加工技术的概念及加工机理。
2）纳米加工技术和微机械及微机电系统的基本概念。难点:
微细加工的机理。
（五）教学环节
1．课堂讲授（28学时）任课教师必须做到下面几点：
1）认真备课，做好教案，熟练掌握课程的基本内容。
2）采用启发式、讨论式的教学方法，以学生为中心，活跃课堂气氛，调动学生学习的主动性、积极性，培养学生逻辑思维能力、分析问题能力和解决问题能力。
3）讲课思路要清晰，包括：问题的提出、解决问题的条件、建立模型、分析解决问题的思路、解题和总结等；
概念要准确，重点要突出，理论联系实际，要适时反映本学科发展的前沿理论和技术，特别是将本单位的科研成果引入课堂。
4）教学手段要完备，根据教学内容的要求，恰当运用图片、挂图、CAI课件和多媒体等。
5）教书育人，为人师表，上课精神饱满，以人格的魅力和精神气质激发学生的求知欲和思维活动。
教学组要开展以下教学活动：
1）集体备课。2）制作CAI课件。3）试讲。4）相互听课。
5）组织课堂教学检查，教学讲评。6）教学研讨，撰写教研论文。2．实验（2学时）
实验教学是培养学生的动手能力和创新精神的重要教学环节，由于条件和学时限制，安排了2学时的超精密车削和磨削实验。
实验时每组人数10人，任课教师要指导实验，并且批改实验报告，写出评语，评出成绩。
（六）考核办法
1.采用累加式考试方法
精密注塑成型技术探究 篇3
关键词：精密注塑成型技术,成型收缩,控制,充模过程
1 精密注塑成型技术的概念及其发展
随着我国在高分子材料方面不断取得突破性进展, 精密注塑成型产品在通讯、电子、医疗和仪表仪器等行业的开发及应用也越来越广泛。塑料制品的精度包括尺寸、重量、形位和功能的精度等, 而精密注塑成型技术首先要注重的是尺寸精度, 且不同应用领域的塑料制品对尺寸精度的要求也不同。尺寸精度一般取决于尺寸公差, 并与模具质量、成型方法、设备精度、周围环境和塑料的收缩性质等息息相关, 在实际成型中应根据情况决定。对于重量精度, 我国目前还没有统一的标准, 其一般较为直观, 且检测容易, 可根据相关公式计算出来。形位精度表示塑料制品的形状及彼此间的位置变化;而功能精度是对塑料制品的表面质量、外观、内在质量和机械性能等的要求, 且不同种类的制品功能精度也不同。
精密注塑成型技术经历了一个系统的发展过程, 20世纪中期, 等温充模模型的提出促进了精密注塑成型技术的开创和发展;20世纪80年代, 计算机技术的快速发展, 使得充模流动的相关研究进入了新的阶段;进入20世纪90年代, 充模流动的数值模拟方法越发严谨, 而且研究方法也趋向于多元化, 很多充模分析软件如Moldfow等, 在精密注塑成型技术中得到了广泛的运用。
2 精密注塑成型技术分析
2.1 精密注塑物料和成型收缩要求
对于精密注塑成型技术而言, 不同塑料所采用的助剂与聚合物的配比、成分、类别各有不同, 材料的成型性能及流动性能也有很大差别。即使材料的配比和组合相同, 由于环境、批次、日期和厂家的不同, 所成型的塑料制品的尺寸和形状也不会完全相同。精密注塑成型技术对材料的要求如下: (1) 成型性能和流动性能较好, 具有稳定均匀的密度和流动性; (2) 具有较高的机械强度和较好的稳定性, 以及较强的抗蠕变能力; (3) 材料内部具有较稳定、较小的应力。
另外, 塑料收缩率对成型产品的性能和尺寸也有较大影响, 因此较小的收缩率是精密注塑成型技术的关键控制目标之一。成型收缩包括热收缩和相变收缩等, 其中因温度变化而导致的收缩称为热收缩, 一般模具型腔和聚合物熔体在冷却和加热过程中都会出现热收缩现象, 因此精密注塑成型中应严格控制模具的温度。相变收缩是在定型中由于高分子发生结晶化, 结晶型物料的比容降低而导致的收缩。实际相变收缩率与结晶度的大小以及模具温度的高低有关, 在精密注塑成型中应该综合考虑二者的影响。
2.2 精密注塑成型方法的有效控制
2.2.1 注塑温度的控制
精密注塑成型技术与温度高低密切相关, 在其他技术条件稳定的前提下, 若采用主流道型浇口, 可减少熔料上的剪切作用, 使熔体温度和料筒温度近似相同。模具温度的高低决定着塑料制品脱模温度以及熔体的固化层厚度。在模具温度较低时, 温度较高的熔体注入模腔后, 固化层会迅速增加, 不仅增大了熔料的黏度, 还对熔料的压实不利。同时, 过低的模具温度会导致浇口的快速封冻, 降低保压功能。综上所述, 收缩率随着模具温度的增加而提高。在精密注塑成型过程中, 不仅要科学控制和合理选择各设备的温度, 还要严格控制温度的变化范围, 尤其是喷嘴和料筒的温度, 在温度升高时要减小超调量和温度波动, 采用PID对双位温度和常规温度进行控制, 控制精度在0.5℃左右。
2.2.2 注塑速度的控制
注塑速度的提高有助于薄壁和形状复杂塑料制品的生产, 并且可以提高产品的尺寸精度。高速度的注塑能够减小塑料充模完成后的温度与最初流入温度的温差, 有利于减小塑料制品的内应力和成型薄壁制品。在超高的注塑速度下, 成型物料进行高速的剪切流动, 由于高剪切产生热量, 从而减小了物料的黏度。同时, 模腔的低温面在与物料接触过程中会产生皮层, 采用超高速注塑, 可以减小该皮层的厚度, 有助于超薄壁制品的成型。在黏度较低时, 塑料制品承受着较为均匀的成型压力, 温度梯度较小, 从而减少了塑料制品的扭曲和翘曲变形。另外, 与低速成型相比, 高速成型能够减少塑料制品表面的熔合线和流纹。注塑速度对塑料制品精度的影响, 还可以从注塑功率方面去考虑, 一般注塑功率较大时, 塑料制品的尺寸偏差较小。
2.3 精密注塑成型充模过程的控制
在精密注塑成型充模过程中, 除了要精确控制保压过程外, 还应该合理控制注塑的切换点, 同时为了防止在充模过程中靠近壁面的塑料提前定型凝固, 还应该严格控制充模速度。熔体的充模速度不同, 可能出现不稳定流动或稳定流动充模的情况。熔体的初始流动状况除了与工艺参数有关外, 还与制品厚度和浇口厚度的比例有关。若浇口较小而充模速度太大, 射流流动会非常不稳定。为了消除高速注塑所产生的射流现象, 应该采取如下措施: (1) 适当调整制品厚度与浇口厚度的比例, 防止因高速注塑而导致射流现象的产生; (2) 合理调整熔体压力、温度、模具温度等参数, 防止射流现象发生。另外, 在高速注塑过程中, 还应该消除稳定性不强的湍流和过渡流的影响。
2.4 精密注塑成型模具的选择
为了保证精密注塑成型制品的精度, 首先应该确保模具的精度。注塑模具的设计过程与注塑机的性能、注塑物料、工艺条件和制品要求等紧密相关。设计中除了遵循模具刚度和强度要求, 还应该严格遵循一定的压力梯度原则和平衡流动原则。在设计模具过程中, 还要考虑型腔是否具有可塑性, 使得注塑中各个零件能进行抛光、研磨和磨削。因此, 注塑成型模具一般使用镶嵌的组合式结构, 每个镶嵌块的销孔与定位面间的配合精度较高。此外, 模具材料的刚性、耐磨性和表面精度等对模具的加工精度和性能有重要影响, 刚度严重缺乏时会导致塑性的破坏或变形。在高压成型过程中, 还要求模具具有较好的研磨性、脱模性以及耐高温高压的刚性等。同时, 模具的流道、型腔及与压力直接接触的材料, 应该选择耐磨性好、机械强度高和抗腐蚀性强的材料。
2.5 精密注塑机的要求
精密注塑机是用于精密塑料制品成型的注塑机。为了保证精密注塑成型过程中制品的质量, 对精密注塑机有以下几方面的要求: (1) 其合模系统要具有高强度的刚性结构, 以承受精密注塑过程中的高压; (2) 由于合模力的大小会影响模具的变形及变形程度, 从而影响成型制品的精度, 因此精密注塑机在工作中要稳定、精确地控制合模力的大小; (3) 提高合模系统的工作效率及启闭模速度; (4) 精密注塑机的塑化部分要具有较强的塑化能力、注塑效率和均化能力; (5) 应该对精密注塑机的工艺参数进行多级反馈, 不断提高参数的精度, 包括多级速度、压力、转速控制、位置控制等, 同时控制操作要易于进行且具有可靠优良的性能。
2.6 对人员素质和成型环境的要求
精密注塑成型的环境包括电网电压、湿度、温度、尘埃等, 而人员素质指的是对知识和技术的掌握程度。随着精密注塑技术的进步, 对工作人员整体素质的要求也逐渐提高, 除了要熟练掌握塑料的各种特性, 还要能熟练操作精密注塑机, 并掌握一定的液压、电子和机械方面的理论知识。人员的素质培养和严格管理对精密注塑产品质量的提高非常重要, 同时要对材料、设备、生产和质量等进行全线管理, 从注塑材料的入库、材料的生产加工到成品的包装交货、质量检验等都要进行严格的控制, 从而保证精密注塑成型产品的质量。
3 结语
精密注塑成型制品的质量与成型物料的特性、成型方法的控制、注塑充模过程的控制、成型模具的选择、精密注塑机的性能以及人员素质和成型环境等多种因素有关。本文在对精密注塑成型技术的概念及其发展进行讨论的基础上, 对以上各方面的因素进行了详细的分析, 对于提高产品质量, 促进精密注塑成型技术更广泛的应用具有重要意义。
参考文献
[1]黄锐.塑料工程手册[M].北京:机械工业出版社, 2000
[2]瞿金平, 黄汉雄, 吴舜英.塑料工业手册[M].北京:化学工业出版社, 2001
精密与超精密磨削关键技术探讨 篇4
现代新产品新工艺的出现对工件表面质量提出了越来越高的要求,磨削是一种广泛应用于精加工的技术,随着科学技术的不断发展,精密与超精密磨削的技术指标也在不断发生变化。精密磨削是指加工精度介于0.1 um～1 um、表面粗糙度为Ra0.1 um～Ra0.16 um范围的磨削;超精密磨削是指加工精度小于0.01 um、表面粗糙度小于Ra0.01 um范围的磨削技术[1]。目前超精密磨削已经达到纳米级工艺阶段。本文就精密与超精密磨削所涉及的关键技术进行探讨。
1精密与超精密磨削机理研究
精密磨削是将金刚石或立方氮化硼等具有高硬度的磨料砂轮进行精细修整,使磨粒在具有微刃的状态下进行加工而得到低的表面粗糙度参数值。微刃的数量很多且具有很好的等高性,因此被加工表面留下的磨削痕迹极细,残留高度极小。与普通磨削相比,超精密磨削具有如下特点:
(1)极小量切除。超精密磨削是一种切削量非常小的磨削,磨削深度可能比晶粒的尺寸还小,因此磨削在晶粒内进行,要使磨削顺利进行,必须使磨削力大大超过晶粒的结合力,甚至可以达到材料的剪切强度[2]。同时,磨粒在磨削时产生高温和高压,因此磨粒材料要选取高温性能好、硬度大的材料,如金刚石、立方氮化硼等。
(2)连续磨削。在磨削初始阶段,砂轮与工件相接触,慢慢切入,此时砂轮的切深少于工件的减少量,即砂轮与工件形成一个弹性变形的阶段;砂轮逐渐切入时,砂轮切深与工件减少量的差值逐渐减少,最后砂轮的切深等于工件的减少量,即砂轮达到稳定磨削阶段;接下来,随着砂轮切深的加大,最后达到加工值,加工完成。该加工的整个过程为一个连续磨削的持续过程,这种磨削要求机床刚性高、磨削量小、砂轮修锐量好。
随着磨削建模和计算机仿真技术的发展,对磨削机理的研究更加深入,人们可以对加工过程在计算机上进行仿真与数值计算,进而对磨削加工做出有效的预测与评估。目前,通过建立砂轮模型,在已知磨削运动和磨具参数、磨削振动及磨削力等初始条件下,对磨削形成过程、磨削力与磨削区温度变化、磨削精度和表面质量进行仿真,进而可以模拟再现整个磨削过程,并最终分析和预测在特定加工条件下的加工精度及效果。
针对不同工程材料,国内外也开展了有关精密及超精密磨削的磨削机理与工艺的研究,但研究面较窄,没有建立起独立完整的理论体系,所以今后的研究重心主要集中在:①各种常用材料的磨削机理研究;②磨削加工工艺参数优化研究;③磨削全过程、磨削力、磨削温度的研究;④磨削加工的计算机仿真与模拟研究。
2精密与超精密磨削磨具技术
随着航空航天、汽车及高精密模具制造所涉及的新型材料的加工需求及其应用,使CBN和人造金刚石砂轮等精密磨具有了更多的用武之地。精密磨削的加工方式根据要求及加工条件的不同,主要有超精密砂轮磨削和超精密砂带磨削、ELID磨削、超硬材料微粉砂轮磨削、超声振动磨削、电泳磨削及双断面精密磨削等[3]
实际生产中应用最为广泛的是精密砂轮磨削,其加工的主要对象包括陶瓷、玻璃、黑色金属等硬脆材料。精密磨削中砂轮的材料有立方氮化硼(CBN砂轮)、人造金刚石、蓝宝石等硬度极高的磨料[4],此外还有新型陶瓷磨料及微晶刚玉砂轮等。
在精密磨削加工中,砂轮修整技术是保证零件加工质量的关键。砂轮的修整会直接影响被磨工件的表面质量、生产成本及生产效率,是目前普遍的一个技术难题。修整主要包括修形与修锐两部分。修形是使砂轮达到特定的几何形状;修锐是将磨粒间的结合剂去除,以保证有足够的容屑空间和切削刃。目前,超硬材料砂轮的修整方法主要包括电解加工整形、电火花整形、杯形砂轮整形、气体喷砂修锐、超声振动修锐和弹性修锐。也可以将这两种技术及其以上修整复合在一起,如电火花—超声修整、电火花—化学修整等。
对新型高精密砂轮进行设计与制造,需要考虑砂轮的截面形状及其优化、粘结剂的种类和应用场合、砂轮的制造工艺及选取的基体材料等,其中需重点攻克的技术难题有:①砂轮新型粘结剂的试验研究与开发;②选择合适的基体材料进行制造工艺的开发与优化;③研究新型砂轮的制造技术,在满足砂轮充分容屑空间的同时保证其良好的凸出性;④新型磨料制备工艺研究,如可使磨料容易产生新切削刃的加工方法;⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮制备技术等。
3精密磨削加工设备及基础零部件技术
进行精密及超精密磨削加工的主要设备有超精密磨削机床、各种研磨机等,对于这些加工设备要求其具有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化等特点。基础零部件技术包括高精度主轴单元制造技术及精密进给单元制造技术。
3.1 主轴单元
适应于高精度、高速度磨床的主轴单元是磨床的关键部件。主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等部分,其性能的好坏对系统的加工精度、应用范围及加工稳定性有着较大的影响,尤其其动力学特性在加工过程中起着至关重要的作用。
提高效率,保证主轴能快速升降,从而可以快速定位到加工准确位置,因此要求主轴具有较高的角加速度。目前,在高速高精度主轴结构上主要采用交流伺服电机进行直接驱动的集成方式。其有两种方案:①将转子与主轴连成一体;②采用电机与主轴通过联轴器直接相联。现在,大多数高精度高速机床采用了内装式电主轴的结构形式,即将变频电机和机床主轴合为一体,而主轴的变速完全通过控制交流电的频率来完成。
国内外用于高精度高速加工的机床主轴轴系的轴承主要有陶瓷球轴承、动静压轴承、静压轴承、气浮轴承及磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时,且无法承受较重负载。磁悬浮轴承支承的电主轴寿命长,但由于对主轴的支撑刚度较低,难以用于磨削加工。静压轴承抗过载能力低,难以推广应用。液体动静压轴承则集中了动压轴承及静压轴承的优点,刚性好,精度高,在理论上具有无限寿命,应用前景很好,但目前的理论模型多是针对层流、不可压缩物体的粘度假设,范围较窄,有待于进一步研究。
对于超精密磨削加工而言,由于要求主轴单元系统具有刚性好、精度高、加工稳定性好、散热好、故障少等特点,因此在成本适中的条件下,对主轴的制造精度、主轴轴承结构方式、主轴的润滑和冷却系统、底座及主轴刚度等提出了更高的要求,主轴单元的静刚度和工作精度对磨床精密加工性能有很大的影响。磨床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
3.2 进给单元
进给单元是评价精密及超精密磨床性能的重要指标之一,也是使砂轮保持正常工作的必要条件。在精密和超精密磨削加工中,进给单元是影响精度的重要部件,由于其分辨率高,运转灵活,同时又具有较高的定位精度,加工时需要小进给或者微进给,而在空行程时又能够快速进给,有较大的加速度和推力,并且主轴单元系统刚性好,反应速度快,回转精度高。
由交直流伺服电机与滚珠丝杠组合的轴向进给方案是目前国内数控机床普遍采用的方式。基于高精密加工的要求,越来越多的国内外机床厂家采用直线伺服电机直接驱动技术,通过高性能的直线伺服电机结合数字控制技术,可以获得较高的尺寸精度与表面质量,从而满足加工要求。
4磨床支承技术及辅助单元技术
数控机床支承技术在精密机床的设计中占有非常重要的地位,它主要涉及磨床支承构件的研究开发与加工技术。相应的辅助单元技术则有夹具技术、加工主轴及砂轮的动平衡技术、机床冷却润滑液系统、机床安全装置、加工切屑处理及工件清洁技术等。
在磨床部件中,磨床支承构件主要包括砂轮架、头架、尾架、工作台等起支撑作用的基础件,要进行高精度加工,要求它具有良好的动刚度、静刚度及热刚度。在一些精密及超精密磨床设计中,为了提高部件的刚度,国内外多数采用聚合物混凝土制造床身和立柱;还有采用钢板焊接件,并将阻尼材料填充其内腔以提高抗震性;也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,这些都收到了很好的效果。
在精密磨削领域,应在以下几个方面进行重点研究:①新型材料及结构的支承件优化设计及其制造技术研究;②磨削液过滤系统的研究;③砂轮动平衡技术研究;④精密自动跟刀架及支承件的研究;⑤安全防护装置设计制造技术的研究。
5精密磨削测量技术及误差补偿技术
精密检测是精密和超精密磨削的必要条件,实现加工过程的自动监控和误差补偿,以使制造系统长期保持高效率、高可靠性和低成本的运行状态。精密磨削监控检测技术多采用传感器进行信号的分析处理,对加工的整个过程实现实时监控,例如实时监控砂轮的磨损及破损情况以便及时更换砂轮,检测及监控工件的加工精度与表面质量等。目前,在超精密磨削加工领域,尺寸测量主要有两种技术:激光干涉技术和光栅技术[5]。
激光干涉仪分辨率高,最高可达0.3 nm,一般为1.25 nm;其测量范围大,可达几十米。由于激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大,因此该测量方法对环境要求很高。
光栅在近年来被越来越多地选作为测量工具。从分辨率来看,北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达0.1 nm;精度上,Heidenhain的LIP401的准确度为±0.1 μm,LG100光栅系统分辨率可达0.1 nm,测量范围100 mm,精度±0.01 μm。单从分辨率和精度上看,光栅技术可以和激光干涉技术相媲美,同时对环境要求相对较低,可以满足精密磨削加工的使用要求,是一种非常有前途的精密测量工具。
当加工精度高于一定程度后,如果仍然从采用提高机床的制造精度、保证加工环境的稳定性等误差预防措施来提高加工精度,将会使成本极大地增加,得不偿失。而取而代之的是误差补偿措施,即通过消除或抵消误差本身的影响来达到提高加工精度的目的。国内外的一些著名精密磨床,采用了误差补偿的方法,取得了很好的效果。
6结束语
实现超精密磨削,不仅需要超精密的磨床和砂轮,也需要超稳定的环境条件,还需要运用计算机技术进行实时检测,反馈补偿,只有将各领域的技术集成起来,才有可能实现。随着磨削在切削加工中的比重日益增大,精密与超精密磨削的应用将越来越广泛,这将在极大程度上提高我国机械制造业的发展水平。
参考文献
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超精密切削加工技术探析 篇5
1 金刚石刀具切削的机理
超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具切削或SPDT (Single Point Diamond Turning) 。金刚石刀具的超精密切削加工虽有很多优点, 但要使金刚石刀具超精密切削达到预期的效果, 并不是很简单的事, 许多因素都对它有影响。
1.1 切削厚度与材料切应力的关系
金刚石刀具超精密切削属微量切削, 其机理和普通切削有较大差别。精密切削时要达到0.1微米的加工精度和Ra0.01微米的表面粗糙度, 刀具必须具有切除亚微米级以下金属层厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸, 切削是将金属晶体一部分一部分地去除。因此, 精密切削在切除多余材料时, 刀具切削要克服的是晶体内部非常大的原子结合力, 于是刀具上的切应力就急剧增大, 刀刃必须能够承受这个比普通加工大得多的切应力。
切削厚度与切应力成反比, 切削厚度越小, 切应力越大。当进行切深为0.1微米的普通车削时, 其切应力只有500MPa;当进行切深为0.8微米的精密切削时, 切应力约为10000MPa。因此精密切削时, 刀具的尖端将会产生根大的应力和很大的热量, 尖端温度极高, 处于高应力高温的工作状态, 这对于一般刀具材料是无法承受的。因为普通材料的刀具, 其刀刃的刃口不可能刃磨得非常锐利, 平刃性也不可能足够好, 这样在高应力和高温下会快速磨损和软化, 不能得到真正的镜面切削表面。而金刚石刀具却有很好的高温强度和高温硬度, 能保持很好的切削性能, 而不被软化和磨损。
1.2 材料缺陷及其对超精密切削的影响
金刚石刀具超精密车削是一种原子、分子级加工单位的去除 (分离) 加工方法, 要从工件上去除材料, 需要相当大的能量, 这种能量可用临界加工能量密度δ (J/cm3) 和单位体积切削能量ω (J/cm3) 来表示。临界加工能量密度就是当应力超过材料弹性极限时, 在切削相应的空间内, 由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度;单位体积切削能量则是指在产生该加工单位切削时, 消耗在单位体积上的加工能量。从工件上要去除的一块材料的大小 (切削应力所作用的区域) 就是加工单位, 加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同时, 被加工材料的破坏方式就不同。
2 超精密金刚石刀具切削
当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔一微米则还要狭窄的区域时, 在此狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生材料滑移变形。当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔还要宽的范围内时, 位错线就会在位错缺陷的基础上发生滑移, 同时在比剪切应力理论值低得多的加工应力作用下, 晶体产生滑移变形或塑性变形。当加工应力作用在比晶粒大小更宽的范围时, 多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。实际上, 在比微错缺陷平均分布间隔还要小的范围内, 还存在着空位、填隙原子等缺陷, 会演变成位错并发生局部塑性滑移.因此实际剪切强度比理论值低, 实际的临界加工能量密度和单位体积切削能量比理论值也要低得多。
2.1 金刚石刀具起精密车削表面的形成
用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素有几何特性、塑性变形和机械加工振动等。几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度。图a表示了在切削时, 主偏角kr、副偏角kr和进给量f对残留面积高度的影响。图中ap为切削深度, Ry为表面粗糙度的轮廓最大高度, 由几何关系可知:
Ry=f/ (ctgkr+ctgk’) r
图b表示了在切削时, 刀尖圆弧半径re和进给量f对残留面积高度的影响, 其几何关系如下:
Ry≈f2/8re
2.2 金刚石刀具超精密车削的切屑形成
金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。当前, 最小切削深度可达0.1微米以下, 其主要影响因素是刀具的锋利程度, 一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。超精密车削所用的金刚石车刀, 其切削刃钝圆半径一船小于0.5微米, 而切削时的切削深度ap和进给量f都很小, 因此, 在一定的切削刃钝圆半径下, 如果切削深度太小, 则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况, 在自由切削条件下, 切削刃钝圆圆弧上某一质点A的受力情况见图。该点有切向分力Fz和法向分力Fy, 合力为Fy, z。切向分力使质点向前移动, 形成切屑;法向分力使质点压向被加工表面, 形成挤压而无切屑。所以, 切屑的形成取决于Fz和Fy的比值, 当Fz>Fy时, 有切削过程, 形成切屑;当Fz
式中:ψ—金刚石刀切削时的摩擦角;
Ff—金刚石刀切削时的摩擦力;
Fn—金刚石刀切削时的正压力。
可见, 切削刃钝圆半径rn是决定切屑形成的关键参数。
金刚石刀具越精密切削时, 刀具切削刃钝圆半径小, 切薄能力强, 形成流动切屑, 因此切削作用是主要的。但由于实际切别刃钝因半径不可能为零, 以及修光刃等的作用, 因此还伴随着挤压作用。所以金刚石刀具超精密车削表面是由微切削和微挤压而形成, 并以微切削为主。
3 结语
近几年来, 切削加工技术得到了突飞猛进的发展, 像计算机用的磁鼓、磁盘, 大功率激光用的金属反射镜, 激光扫描用的多面棱镜, 红外光等用的光学零件和复印机的高精度零件, 都是用切削的方法加工出来的, 超精密切削加工技术在这个技术时代显得尤为重要。
摘要：超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的, 故一般称为金刚石刀具具切削或SPDT。对超精密切削加工技术及其机理进行介绍和总结, 希望对超精密加工行业同事有所指导。
关键词：超精密切削,金刚石,机床
参考文献
[1]骆红云, 焦红, 范猛, 王立江.金刚石刀具与精密超精密加工技术[J].长春光学精密机械学院学报, 2000, (1) .
单晶硅片超精密磨削技术与设备 篇6
微电子行业是全球最大的产业,2009年全球半导体行业的年产值已达到2284亿美元。单晶硅片是集成电路(integrated circuit, IC)制造中最重要的衬底材料。IC芯片的制作过程包括四个阶段:硅片制备(wafer manufacturing)、前道制程(front-end)、晶圆测试(wafer test)和后道制程(back-end)。在硅片制备阶段,硅晶棒需要经过切片(内圆锯或线锯)、平整化、腐蚀和抛光加工以形成具有光滑无损伤表面的单晶硅片。受成品芯片制造成本因素的驱动,硅片尺寸不断增大,已由半世纪前的ϕ12.5mm增加到目前的ϕ300mm[1]。随着硅片尺寸的增大,对硅片面型精度的要求也不断提高。例如,对于ϕ200mm和ϕ300mm的硅片,要求其总厚度变化(total thickness variation,TTV)分别小于10μm和3μm。由于切片存在较大的厚度偏差、表面波纹、平面度较大和较深的损伤层[2],而后续化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)过程的去除量非常小,仅约15～25μm,因此在CMP前要应用平坦化工艺来改善硅片表面粗糙度、减小亚表面损伤层深度、消除波纹度、减小平整度与平行度。对于直径小于200mm的硅片,研磨加工是最主要的平整化方案,研磨加工一次能够同时研磨批量硅片,加工效率很高。当硅片尺寸增加到ϕ300mm时,传统的研磨加工已经很难达到TTV小于3μm的加工要求。同时,研磨大尺寸硅片时同时装片的数量大大减少,加工效率随之降低。为了应对大尺寸硅片精密加工的要求,精密磨削技术应运而生。与研磨加工相比,磨削加工具有如下优势:①采用固结磨料的砂轮代替游离磨料的研磨液加工硅片,减少了磨粒的消耗,降低了磨削液处理的难度,节约了成本;②磨削速度快,加工效率高;③自动化程度高,工艺稳定性好,控制容易;④单次磨削一片硅片,使得硅片质量的追踪控制变得更加容易和精确[3]。
在后道制程阶段,晶圆(正面已布好电路的硅片)在后续划片、压焊和封装之前需要进行背面减薄(back thinning)加工以降低封装贴装高度,减小芯片封装体积,改善芯片的热扩散效率、电气性能、机械性能及减小划片的加工量[4]。背面磨削加工具有高效率、低成本的优点,目前已经取代传统的湿法刻蚀和离子刻蚀工艺成为最主要的背面减薄技术[1]。
目前已经成功应用于硅片制备的磨削工艺有转台式磨削、硅片旋转磨削、双面磨削等。随着单晶硅片表面质量需求的进一步提高,新的磨削技术也不断提出,如TAIKO磨削、化学机械磨削、抛光磨削和行星盘磨削等。
国内外关于硅片磨削技术的综述性文章很多[2,3,5,6],但其中大部分都只针对一种或几种技术进行评述,很少有结合磨削设备对硅片磨削技术进行分析的文献。本文介绍了单晶硅片表面磨削工艺及其设备的发展历程,分析了目前广泛应用的转台式磨削、硅片旋转磨削、双面磨削等硅片磨削技术的原理、适用场合及代表性设备的特点,对单晶硅片磨削技术的最新进展以及未来的发展趋势进行了探讨。
1 单晶硅片的超精密磨削技术
1.1 转台式磨削
转台式磨削(rotary table grinding)是较早应用于硅片制备和背面减薄的磨削工艺,其原理如图1所示。硅片分别固定于旋转台的吸盘上,在转台的带动下同步旋转,硅片本身并不绕其轴心转动;砂轮高速旋转的同时沿轴向进给,砂轮直径大于硅片直径[7]。转台式磨削有整面切入式(face plunge grinding)和平面切向式(face tangential grinding)两种。整面切入式加工时,砂轮宽度大于硅片直径,砂轮主轴沿其轴向连续进给直至余量加工完毕,然后硅片在旋转台的带动下转位;平面切向式磨削加工时,砂轮沿其轴向进给,硅片在旋转盘带动下连续转位,通过往复进给方式(reciprocation)或缓进给方式(creep feed)完成磨削。
与研磨方法相比,转台式磨削具有去除率高、表面损伤小、容易实现自动化等优点。但如图2所示,磨削加工中实际磨削区(active grinding zone)面积B和切入角θ(砂轮外圆与硅片外圆之间夹角)均随着砂轮切入位置的变化而变化,导致磨削力不恒定,难以获得理想的面型精度(TTV值较高),并容易产生塌边、崩边等缺陷。转台式磨削技术主要应用于ϕ200mm以下单晶硅片的加工。单晶硅片尺寸增大,对设备工作台的面型精度和运动精度提出了更高的要求,因而转台式磨削不适合ϕ300mm以上单晶硅片的磨削加工。
为提高磨削效率,商用平面切向式磨削设备通常采用多砂轮结构。例如在设备上装备一套粗磨砂轮和一套精磨砂轮,旋转台旋转一周依次完成粗磨和精磨加工,该形式设备有美国GTI公司的G-500DS(图3)[8]。
1.2 硅片旋转磨削
为了满足大尺寸硅片制备和背面减薄加工的需要,获得具有较好TTV值的面型精度,1988年日本学者Matsui[9]提出了硅片旋转磨削(in-feed grinding)方法,其原理如图4所示。吸附在工作台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线旋转,砂轮同时沿轴向连续进给。其中,砂轮直径大于被加工硅片直径,其圆周经过硅片中心[10]。为了减小磨削力和减少磨削热,通常把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或调整砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角,保证砂轮和硅片之间实现半接触磨削。
硅片旋转磨削与转台式磨削相比具有以下优点[1]:①单次单片磨削,可加工ϕ300mm以上的大尺寸硅片;②实际磨削区面积B和切入角θ恒定(图5),磨削力相对稳定;③通过调整砂轮转轴和硅片转轴之间的倾角可实现单晶硅片面型的主动控制,获得较好的面型精度,如图6所示。另外还具有可实现大余量磨削、易于实现在线厚度与表面质量的检测与控制、设备结构紧凑、容易实现多工位集成磨削、磨削效率高等优点。
根据砂轮的布置方向不同,硅片旋转磨削有立式和卧式两种磨削方式,其中立式设备有日本Okamoto公司的VG401 MKII(图7)[11],卧式设备有日本Komatsu等公司的UPG-300H(图8)[12]。卧式设备的砂轮进给易控制,磨屑易清洗;立式设备占地小,操作方便,在背面减薄和硅片制备单面加工中获得了广泛应用。
为了提高生产效率,满足半导体生产线需求,基于硅片旋转磨削原理的商用磨削设备采用多主轴多工位结构,一次装卸即可完成粗磨和精磨加工,结合其他辅助设施,可实现单晶硅片“干进干出(dry-in/dry-out)”和“片盒到片盒 (cassette to cassette)”的全自动磨削。具有可移动的双主轴和两工位的硅片旋转磨削设备如美国Strasbaugh公司的7AF(图9)[13];具有双主轴和可转动三工位的硅片旋转磨削设备有日本Okamoto公司的DNX300(图10)[14];具有双主轴和可转动的四工位的硅片旋转磨削设备有德国G&N公司的NanoGrinder/4(图11)[15]。
1.3 双面磨削
硅片旋转磨削加工硅片上下表面时需要将工件翻转分步进行,限制了效率。同时硅片旋转磨削存在面型误差复印(copied)和磨痕(grinding mark),无法有效去除线切割(multi-saw)后单晶硅片表面的波纹度(waviness)和锥度等缺陷[16],如图12所示。
为克服以上缺陷,在20世纪90年代出现了双面磨削技术(double side grinding),其原理如图13所示。两侧面对称分布的夹持器将单晶硅片夹持在保持环中,在辊子的带动下缓慢旋转,一对杯型金刚石砂轮相对位于单晶硅片的两侧,在空气轴承电主轴驱动下沿相反的方向旋转并沿轴向进给实现单晶硅片的双面同时磨削[18,19,20]。从图14中可看出,双面磨削可有效去除去除线切割后单晶硅片表面的波纹度和锥度。
按照砂轮轴线布置方向,双面磨削有卧式和立式两种,其中卧式双面磨削能有效降低硅片自重导致的硅片变形对磨削质量的影响,容易保证单晶硅片两面的磨削工艺条件相同,且磨粒和磨屑不易停留在单晶硅片的表面,是比较理想的磨削方式。卧式设备有日本Koyo公司的DXSG320(图15)[21]。
1.4 单晶硅片磨削和研磨加工对比
表1所示为上述三种单晶硅片的磨削与双面研磨的对比。双面研磨主要应用于ϕ200mm以下硅片加工,具有较高的出片率。由于采用固结磨料砂轮,单晶硅片的磨削加工能够获得远高于双面研磨后的硅片表面质量,因此硅片旋转磨削和双面磨削都能够满足主流ϕ300mm硅片的加工质量要求,是目前最主要的平整化加工方法。选择硅片平整化加工方法时,需要综合考虑单晶硅片直径大小、表面质量以及抛光片加工工艺等要求。晶圆的背面减薄加工只能选择单面加工方法,如硅片旋转磨削方法。
硅片磨削加工中除了选择磨削方法,还要确定选择合理的工艺参数如正向压力、砂轮粒度、砂轮结合剂、砂轮转速、硅片转速、磨削液黏度及流量等,确定合理的工艺路线。通常采用包括粗磨削、半精磨削、精磨削、无火花磨削和缓退刀等磨削阶段的分段磨削工艺获得高加工效率、高表面平整度、低表面损伤的单晶硅片。
2 单晶硅片超精密磨削技术与设备的最新进展
2.1 TAIKO磨削
高性能电子产品的立体封装甚至需要厚度小于50μm的超薄的芯片[22],而背面减薄后硅片强度降低、容易产生翘曲变形,导致输送和夹持困难,在划片时产生碎裂。针对上述问题,Disco公司提出一种TAIKO磨削方法[23],其原理与硅片旋转磨削类似,不同之处在于砂轮直径比硅片半径稍小,仅磨削单晶硅片内部而保留外圆周约2～3mm宽区域,如图16所示。在Disco公司,采用DAG810设备(图17)应用TAIKO磨削技术磨削的硅片的强度明显高于传统磨削加工硅片的强度,如图18所示。
TAIKO磨削技术利用硅片旋转磨削方式通过改变硅片的磨削区域,在增强超薄硅片强度方面做出了改进,便于夹持定位以及工序间输送,降低了晶圆破裂的机率。
2.2 化学机械磨削
为了改善硅片在经过旋转磨削后表面存在放射状磨痕和中心“微凹”(dimple)的缺陷,减小残余应力、非晶层等损伤(图19),Zhou等[24] 和Kang等[25]提出了一种化学机械磨削技术(chemo-mechanical grinding),又称软磨料砂轮磨削技术,该技术采用硬度低于硅片或与硅片硬度相当、但在一定条件下能和硅片发生固态化学反应的软磨料制作砂轮,通过化学反应和机械作用相结合去除表面材料,实现硅片低损伤或无损伤磨削加工。
Zhou等研制的一种干磨砂轮及其磨削的硅片如图20所示,硅片表面粗糙度Ra<0.8nm。Kang等研制了软磨料砂轮并用于磨削单晶硅片,获得了具有表面粗糙度Ra=0.54nm、亚表面非晶层深度为16nm的磨削表面。通过和金刚石砂轮超精密磨削以及CMP加工效果的对比显示,软磨料砂轮磨削单晶硅片的表面质量远高于同粒度金刚石砂轮磨削硅片的表面,基本达到CMP加工水平,材料去除率高于CMP加工,如图21所示。
化学机械磨削又称软磨料磨削,采用了MgO软磨料砂轮用于磨削单晶硅片。从图21可看出,软磨料砂轮磨削单晶硅片的表面粗糙度Ra(0.54nm)及亚表面非晶层深度(16nm)远低于3000号金刚石砂轮磨后的表面粗糙度和亚表面非晶层深度,且表面层质量已基本达到CMP水平,而材料去除率则高于CMP加工。
化学机械磨削技术属于在磨削单晶硅片工艺上(砂轮的材质)的改进,从加工质量、加工效率和环境友好性等方面考虑,该技术可作为单晶硅片金刚石砂轮磨削的后一道工序,是一种非常有潜力的代替传统CMP加工的技术。
2.3 抛光磨削
在硅片制备过程中,采用CMP加工去除磨削后较深的表面损伤层,为缩短CMP加工时间,同时减少工序间的硅片传输次数,Disco公司新近提出一种磨抛技术(poligrind technology)[26],即在粗磨和精磨工序后,直接采用固结磨料抛光轮抛光,可以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工,该技术不用抛光液、水和化学试剂,加工成本低。如Disco 公司开发了一种超细磨料砂轮,安装于图22所示的具有粗磨轴和精磨轴设备的精磨轴上,磨后表面粗糙度Ra达9nm,抗折强度达900～1500MPa[27]。所加工的硅片机械性能可与 CMP 加工相比。但是,该设备加工效率低(小于1μm/min),只适合磨削损伤较浅的硅片,且加工表面温度较高。
抛光磨削技术将单晶硅片的磨削加工与抛光加工工艺集成,并在磨削单晶硅片所用的砂轮磨粒粒径和结合剂上进行了改进,在对单晶硅片质量要求不高的场合中,可以替代传统CMP加工技术。
2.4 行星盘磨削
上述各种磨削方式中,由于单晶硅片与砂轮之间均存在有序的相对运动,致使磨后单晶硅片的表面留下磨痕,以及残留应力和表面损伤,尤其在硅片旋转式磨削后的单晶硅片中心出现图23所示的“微凹”缺陷[28],最终将影响单晶硅片表面的纳米形貌特征。
为消除磨痕,并获得更高的单晶硅片平整度,最近出现一种基于双面研磨的行星盘磨削(planetary pad grinding,PPG)技术。该技术用于单晶硅片双面磨削的磨削原理如图24所示,单晶硅片被保持架分置于上下磨盘之间做行星运动,固结磨料的上磨盘和下磨盘同时磨削单晶硅片的上下表面,所用磨削液为纯水和表面活性剂。如德国Peter Wolters公司采用该技术生产的行星盘磨削设备AC 2000-P2(图25),可有效去除双面磨削工艺中的微波纹度[29],磨削后单晶硅片的全局平整度(GBIR)小于500nm、局部平整度(SFQR)小于100nm[30]。同类设备还有韩国Am Technology公司的ADG-1500双面研磨削设备[31]。
行星盘磨削技术将磨削和研磨加工工艺进行集成,在磨削原理上进行改进,是比较有潜力的大尺寸单晶硅片的表面磨削方法。
2.5 磨抛一体化
在硅片制备阶段,磨削单晶硅片后仍存在较深的表面损伤层,为缩短后续CMP加工时间,同时减少工序间的硅片传输次数,新近提出一种磨抛一体化技术,即在粗磨和精磨完单晶硅片后,直接采用干式抛光轮进行抛光,如图26所示。如日本Disco 公司的DFG8760和Tokyo Seimitsu公司的PG300RM均采用该技术。
从图27中单晶硅片在粗磨、精磨和抛磨后的损伤层深度对比可看出,磨抛一体化加工可进一步提高单晶硅片表面的加工质量。从图28中可看出,相比于砂轮磨削后单晶硅片翘曲度,干式抛光的翘曲度要小得多,表面残余应力较小。
磨抛一体化技术是将单晶硅片加工工艺的集成,并在磨削设备和单晶硅片传输上取得了改进。
除以上介绍的新技术外,还有从其他角度进行改进的新技术,例如:为了解决在单晶硅片磨削过程中出现的面型“误差复印”问题而提出的软质吸盘夹持技术[32];为监测磨削状态、降低磨削大而薄晶圆的碎裂机率而提出的恒力磨削技术[33]等。
3 结束语
硅片磨削技术是涉及精密加工、精密测量与控制、材料和力学等多学科知识的一项高新的系统技术。采用新组织结构的砂轮和改进的砂轮运动形式,以及利用物理化学作用与机械摩擦作用相结合形成新原理的加工方法,实现去除表面损伤层和释放应力的超精密磨削加工技术是低损伤超精密磨削加工技术的发展方向。
国外先进的商用硅片超精密磨削设备沿着全自动化、功能齐全化的方向发展,如采用多主轴多工位结构,集成磨削、定位、清洗和干燥等功能于一体,或集成其他工艺设备而形成生产线,采用传输机械手装卸硅片、自动检测硅片厚度、自适应控制磨削力以及分段磨削,完成从“片盒到片盒”和“干进干出”式的全自动加工。
超精密加工的关键技术及发展趋势 篇7
由于加工技术水平的发展, 超精密加工划分的界限逐渐向前推移, 但在具体数值上没有固定的界定。根据目前技术水平及国内外专家的看法, 对中小型零件的加工形状误差△和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。精密加工:Δ=1.0~0.1μm, Ra=0.1~0.03μm;超精密加工:Δ=0.1~0.01μm, Ra=0.03~0.005μm;纳微米加工:Δ<0.01μm, Ra<0.005μm。随着科学技术的飞速发展, 超精密加工技术日趋成熟, 已形成系列, 它包括超精密切削、超精密磨削、超精密微细加工、超精密计量等, 并向更高层次发展。
超精密加工的影响因素很多, 只有广泛研究和综合采用各种新技术, 并在各方面精益求精, 才能突破目前常规加工技术不能达到的精度界限。实现超精密切削加工的条件主要包括超精密加工机床、超精密切削刀具、超精密加工环境、超精密加工的工件材质、超精密加工用夹具和超精密测控技术等多项技术。超精密加工技术实际上就是这些技术的综合应用。
2 超精密加工的关键技术
2.1 主轴
机床的主轴在加工过程中直接带动工件或刀具运动, 故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。现在超精密加工机床中精度最高的主轴采用的是空气静压轴承, 其实用精度可达0.05μm, 但还不能满足纳米级加工的要求。近年来磁悬浮轴承的发展非常迅速, 有望在未来有所突破, 但目前还达不到空气静压轴承的精度。而提高空气轴承主轴回转精度的途径之一是提高轴及轴套的圆度, 因为理论上这两者是成正比的。另外, 还要想办法提高气孔供气的平稳性。通过多孔粉末冶金材料的小孔供气是理想的供气形式, 有待进一步研究。此外, 还可以利用控制技术以补偿的形式来减小或消除回转误差。
2.2 直线导轨
总的来说, 从精度角度看, 空气导轨是现在最好的导轨。虽然它没有液体静压导轨的刚性大, 但气浮导轨优点也很明显, 如无需进行油温控制, 对环境没有污染。此外, 纳米级精度加工机床的负荷和行程没有那么大, 所以应优先考虑空气导轨。目前, 空气导轨的直线度可达 (0.1~0.2) μm/250 mm, 国内303所也可做到0.1μm/200 mm的水平。纳米水平的机床导轨行程比上述要短, 通过补偿技术还可进一步提高导轨的直线度。国防科技大学利用二维微进给装置补偿导轨直线度, 取得了较好的效果, 可补偿到0.1μm/300 mm的精度水平。在导轨的结构设计上还有潜力可挖, 如采用多根导轨并联来加强气膜的误差匀化作用, 加大气垫式导轨跨度来缩小直线度误差等。由于空气导轨的气膜厚度大概只有10μm, 在使用过程中防尘显得很重要, 若不保证洁净的环境, 导轨有可能因为灰尘而受损伤, 这种损伤常常是难以修复的。
2.3 传动系统
传统进给装置的主要任务之一是把旋转运动转化成直线运动, 主要使用滚珠丝杠。与轴承一样, 为了克服摩擦引起的爬行和反向间隙现象, 出现了静压丝杠。由于介质膜的均化作用, 目前的空气静压丝杠分辨率可达到0.01μm, 进给精度比C0级滚珠丝杠高2个数量级, 但刚度有所欠缺。所以, 又出现了传动原理类似齿轮齿条传动的摩擦传动, 它能够实现无反向间隙的传动, 同时因为结构非常简单, 弹性变形因素较小。目前, 已有的摩擦传动分辨率能达到1.25 nm, 定位精度能达到0.1μm, 而根据其原理, 采用高分辨率的电机还可以使这两个数值进一步减小。微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用, 它一般被用作补偿工具。用压电陶瓷驱动、弹性铰链支撑的微位移机构得到了广泛的应用。
2.4 超精密测控技术
在距离的测量仪器中, 双频激光干涉仪测量精度高、测量范围大, 但对环境的要求过高, 在使用中有很多困难。近年来, 微光学器件的发展使光栅技术有了很大的进步。德国Heidenhain的超精密光栅尺被世界各超精密设备厂家选用。在小距离的测量仪器中, 电容式、电感式测微仪仍是主要的设备, 光纤测微仪也发展很快。在更小测量范围的测量仪器中有扫描隧道显微镜 (STM) 、扫描电子显微镜、原子力显微镜, 这些仪器可进行纳米级的测量, 常用于表面质量检测。测量仪器的稳定性和可靠性也是超精密测量中的一项十分重要的指标。
2.5 微进给技术
微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用, 它一般被用来微进给或作补偿工具。压电陶瓷材料具有较好的微位移特性和可控制性。以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支撑的微位移机构目前是用得最多的。美国LODTM机床上用的快速刀具伺服机构 (FTS) 在±1.27μm范围内分辨率达2.5 nm, 频响可达100 Hz, 可进行主轴回转误差的补偿 (转速在150 r/min以下) 。日本东京工业大学用压电陶瓷微进给机构补偿气浮导轨运动直线度, 可将直线度提高到0.14μm/600 mm。国防科技大学利用自研的二维微进给刀具进行二坐标工作台定位误差的补偿, 获得了较好的效果。在机床跟踪半径50 mm的圆时, 定位误差从0.7μm提高到0.033μm。这种微进给机构在行程是5μm时分辨率可达5 nm。目前希望解决的是提高这种机构的频响和刚度, 对于主轴回转误差的补偿来说100 Hz的频响是不够的。开环控制可提高系统的频响, 但会牺牲刚性和精度。利用补偿技术来提高机床的精度是一种有效的手段。
2.6 超精密环境控制技术
为了适应超精密加工的需要, 达到微米甚至纳米级的加工精度, 必须对它的支撑环境加以严格的控制, 主要包括空气环境、热环境、振动环境、声环境和磁环境等。空气环境中主要应控制的品质是洁净度, 一般超精密加工要求的洁净度在1 000~100级, 即每立方米空间0.5μm大小的尘埃不多于35×1 000~35×100个 (1ft3的空间0.5μm大小的尘埃不多于1 000~100个) 。随着半导体工业的快速发展, 对空气洁净度提出了更加苛刻的要求, 美国联邦标准209D上增加了1级和10级的洁净度级别。
热环境与加工精度有密切关系, 热环境中主要应控制的品质为温度和湿度。普通金属在温度变化1℃时的热膨胀量约为1.6μm, 所以为进行亚微米精度的加工, 温度变动范围应控制在±0.05℃, 相对湿度控制在35%~45%为宜。目前, 实用的温度控制技术最高水平为美国的恒温油喷淋技术, 可实现20±0.002 5℃的温度控制。
振动是影响超精密加工精度的又一重要因素。利用良好的隔振地基和空气隔振垫, 可以隔离绝大部分“常时振动”, 是目前应用较多的隔振手段。另外, 还应考虑设备运动件的动平衡或振动隔离, 消除或减少内部振源, 尽量远离外部振源。通过综合努力, 70 Hz以下的振动幅度小于1μm, 满足超精密加工的要求。
2.7 加工原理
超精密加工的精度要求越来越高, 机床相对工件的精度裕度已很小。在这种情况下, 只是靠改进原来的技术是很难提高的, 应该从工作原理着手进行研究, 来寻求解决办法。从这种意义上说, 没有必要一定要采用原来的通过固定磨料去加工的方法, 而可以采用不用刀具的研磨, 通过游离磨料去除材料。还可采用各种能量束的加工方法。在采用能量束直接进行的加工中, 无需刀具等中间物, 也就不会有弹性变形等问题, 因此被看作是很好的加工方法, 特别是将来进行纳米级、0.1 nm级甚至分子级的加工时, 这种方法将是极为有效的。使用STM方式的能量束加工已能进行分子级的加工。因此从微细加工方面来看, 最终的加工目标已经确立。分子单位的加工, 在生物和基因工程学、医学上是合适的, 对机械工程学的加工来说, 加工效率不能满足大批量生产的实际要求。以分子为单位对机械零件进行加工, 简直需要天文数字的加工时间。其他能量加工, 例如电子束、激光束和离子束加工等, 虽然加工效率有相当大的提高, 但目前来看精度不能满足要求, 因此将来的纳米级精度加工, 可以考虑采用超精密加工机床的机械去除加工和STM原理的能量束去除加工的复合方式。
3 结论
超精密加工技术在高技术迅猛发展的今天显得越来越重要。一方面受高技术发展的牵引, 超精密加工的精度和尺寸微小程度越来越高;另一方面, 超精密加工技术是整个高技术领域的基础。提高超精密加工精度、降低超精密加工成本是目前迫切需要解决的问题。如果说亚微米的加工精度能够满足当今高技术的发展, 那么超大规模集成电路和微细加工已经向我们提出了0.01μm的加工精度要求。
超精密成型技术 篇8
天基观测、激光工程与IC制造业等是关系国防安全和国家利益的重大项目,高精度光学零件在这些行业中得到广泛应用。在天基观测领域,作为光学系统的核心部件,光学元件的制造精度和稳定性对整个光学系统的成像质量和可靠性起着决定性的作用,要求光学表面面形精度达到纳米量级的同时,还要求光学元件的加工过程中消除一切可能会影响产品安全或降低光学元件表面/亚表面质量的因素;对激光器而言,要求谐振腔反射镜表面非常光滑,以尽量减少反射损失、降低局部热效应和提高光学零件的激光破坏阈值[1];在IC行业,为满足现代微处理器和其它芯片的要求,要求硅的特征宽度越来越细,表面具有纳米级面形精度和亚纳米级表面粗糙度,同时要保证表面和亚表面无变质层、无损伤[2],这已接近表面加工的极限。可以预见,未来超精密光学元件的特点是加工对象结构特征尺度在数十纳米、表面粗糙度在亚纳米量级,同时要求加工效率高、工艺稳定性好。现有的制造技术和工艺均不能满足未来光学元件的制造要求,需要理论的创新和关键技术的突破。
以在天基观测、激光工程、IC业得到广泛应用的单晶硅材料为例,传统的金刚石砂轮磨削由于磨料硬度大于硅而且磨削速度比较高容易产生较深的损伤层,影响后续加工周期,同时不可避免的在表面产生划痕、微裂纹、残余应力从而影响其光学特性、寿命和可靠度。应用较多的化学机械抛光(CMP)由于抛光液大部分为碱性或者酸性抛光液,在抛光之后很难对废液进行处理,对环境危害较大,而且对过程稳定性很难控制[3]。软磨料砂轮化学机械磨削(CMG)技术是近年来应用于单晶硅光学表面进行纳米级磨削加工的一种超精密加工技术,但是目前这一技术仍处在试验阶段[4,5,6,7,8]。本文在研究软磨料砂轮CMG技术材料去除机理模型的基础上,采用硬度低于硅的Mg O和Fe2O3作为主磨料设计制作了两种软磨料砂轮,以表面粗糙度、材料去除率、加工电流、亚表面损伤深度为指标,通过软磨料砂轮与金刚石砂轮的对比磨削实验研究软磨料砂轮的磨削性能。
1 材料去除机理模型及砂轮设计
1.1 材料去除机理模型
软磨料砂轮CMG技术可以得到超光滑低损伤的硅表面/亚表面,其材料去除机理模型如图1所示。
可以划分为四个阶段:1)机械接触阶段:软磨料砂轮和硅表面在磨削力作用下开始机械接触。2)钝化层预生成阶段:机械作用使得砂轮磨损和自锐,砂轮释放填料进入接触区域,提高了硅表层的化学反应活性,同时砂轮中的软磨料颗粒保持微突起状态,开始与硅表面接触,为钝化层的生成做好准备。3)钝化层生成阶段:在足够热量和压力的作用下,磨料与硅之间发生特定的固相化学反应,在硅表面尖点或者突起的地方开始生成一层薄而软的反应层(钝化层),反应层的硬度低于硅和软磨料。4)钝化层去除阶段:产生的软反应层可以轻松地被软磨料砂轮和硅之间的机械滑擦作用去除,同时,因为反应层与软磨料的硬度均低于硅,因此硅基体部分不会出现大的划痕和损伤。之后,新的硅基体表面又开始与砂轮表面机械接触,如此循环,最终在不断平整化硅表面的同时实现了硅的低损伤加工。
在这个磨削过程中,1)和4)可以看成是机械作用阶段,而2)和3)可以认为是化学作用阶段。因此,利用软磨料砂轮进行的磨削过程是一个化学作用和机械作用相耦合的固相化学机械磨削过程,在硅表面固相化学反应层形成与去除的交替重复过程中,实现硅表面的材料不断去除,并获得低损伤的加工表面。
1.2 砂轮设计
基于以上的软磨料砂轮材料去除机理模型可知,与金刚石砂轮机械作用的磨削方式不同,软磨料耦合能量磨削硅要求砂轮主料的莫氏硬度要低于硅的莫氏硬度或与之相当,砂轮主料与填料能够在一定的压力和温度下与单晶硅在接触表面发生一定的固相反应,并且生成的软质固相化学反应层(Solid Phase Chemical Reaction layer)或软质钝化层(Passive layer)[9,10]覆在硅表面可以被磨料的机械滑擦作用轻松去除,而不会划伤表面。图2是一些常用砂轮磨料的莫氏硬度对比图。
从图中我们可以看出金刚石、CBN和Si C磨料硬度都大于硅,不利于减小表面亚表面损伤。而Mg O、Fe2O3两种磨料的莫氏硬度都低于硅,同时和硅在一定的温度条件下有一定的固相化学反应,另外加入一些填料可以调节砂轮的p H值和气孔率,有利于固相反应的进行和砂轮的自锐[4,5,6,7,8,11,12,13,14]。因此本实验自制的两种软磨料砂轮的主料分别选用Mg O和Fe2O3。开发的两种#3000软磨料砂轮其配方分别见表1,实物图分别如图3和图4。
2 磨削实验
利用研制的耦合能量软磨料砂轮对金刚石砂轮磨削后的单晶硅进行磨削实验。采用VG401MKⅡ型超精密磨床为实验平台,半接触逆磨方式。采用ZYGO Newview5022型3D表面轮廓仪和Park XE-200原子力显微镜检测磨削表面的微观形貌。采用Sartorius CP225D型精密电子天平对磨削前后的重量进行测量(每次称重三次后取平均值),获得单位时间内的材料去除质量,即材料去除率(单位g/h)。试验过程中直接记录磨床主轴电流的显示数值,磨削完毕对电流记录值取平均值。
磨削原始试件均为φ150 mm×650µm的(100)晶面P型单晶CZ硅,#3000树脂结合剂金刚石砂轮磨削后表面粗糙度RMS为7.196~9.961 nm,如图5(a)和表2所示。作为参照的化学机械抛光(CMP)硅,由北京有研半导体材料股份有限公司在工业化标准参数下生产提供,表面粗糙度RMS为0.483~0.776 nm,如图5(d)和表2所示。磨削试验的加工参数如表3所示。
3 实验结果及分析
图5、图6和表4为不同方式加工后硅表面的ZYGO 3D表面轮廓仪检测结果,可以看到,对于表面粗糙度指标而言,软磨料砂轮远远优于金刚石砂轮(RMS 8.832 nm),在开发的两种软磨料砂轮中,Mg O砂轮的磨削质量(RMS 0.721 nm)要远远好于Fe2O3砂轮(RMS 1.460 nm),达到了CMP的效果,而且其磨削稳定性也是所有加工方式中最好的;对于材料去除率指标而言,金刚石砂轮(23.833 g/h)要优于软磨料砂轮,Fe2O3砂轮(1.758 g/h)要优于Mg O砂轮(1.346 g/h);对于加工电流指标而言,金刚石砂轮(7.5 A)要低于软磨料砂轮,Mg O砂轮(7.9 A)要低于Fe2O3砂轮(8.3 A)。
从这些数据可以反映出,由于软磨料砂轮的磨粒硬度小,和硅之间可以发生固相反应,因此可以得到高质量的表面,但是同样因为磨粒硬度小,材料去除率较低。另外,因为软磨料砂轮是干式磨削,因此磨削过程中的磨削力和磨削热(由加工电流反映)要比金刚石砂轮大,而在软磨料砂轮中Mg O砂轮的磨削力与磨削热是最小的。
由于硅光学表面的CMG工序是建立在前道金刚石磨削工序的基础上,用来减少后续抛光工序的加工余量甚至取代部分抛光工序,从而提高整体加工效率。因此相比材料去除率指标,CMG应更看重加工表面质量指标。同时从精密加工的观点来看,磨削过程中磨削力与磨削热的变化对磨床精度的影响应当尽量的小。因此,通过对两种软磨料砂轮的对比磨削试验可知,Mg O砂轮CMG作为软磨料砂轮中磨削单晶硅表面粗糙度与加工稳定性最优、加工电流最低与电流变化最小的加工方式,应当受到更多的重视。
图7和表2为Mg O软磨料砂轮磨削前(#3000金刚石砂轮磨削)、磨削后以及CMP后硅表面的原子力显微镜检测结果,可以看到,Mg O软磨料砂轮的磨削质量远远优于金刚石砂轮,达到了CMP的效果。
图8为利用角度抛光法对Mg O软磨料砂轮磨削前(#3000金刚石砂轮磨削)、磨削后以及CMP后的硅亚表面损伤的检测结果。利用OLYSIM Ver3.0测量软件,对检测结果中的损伤信息进行测量,即可得到样品的测量损伤深度值L,进而计算得出样品的亚表面损伤深度(SDD)。从不同加工方式后的硅上各取5个样品截面,进行检测后获得每个截面的损伤深度最大值,再从中选取最大值作为该加工方式下硅的损伤深度值。试验样品的亚表面损伤深度值如表5所示,可以看到软磨料砂轮磨削前,#3000金刚石砂轮磨削的硅亚表面损伤深度较大,而软磨料磨削后的硅亚表面损伤深度很小,在角度抛光这种检测方法中接近于零损伤,达到了抛光加工的效果。
4 结论
本文提出利用软磨料砂轮对硅光学表面进行纳米级磨削的化学机械磨削技术,分析了软磨过程中的材料去除机理,并制作两种软磨料砂轮进行与金刚石砂轮的对比磨削实验,最后利用角度抛光法对软磨料砂轮磨削后的硅进行了亚表面损伤检测,得出以下结论:
1)软磨料砂轮磨削过程是一个化学和机械耦合作用的过程,软磨料砂轮可以克服金刚石砂轮造成的磨纹、划痕等缺陷,在一定磨削条件下获得的表面粗糙度远比金刚石砂轮获得的好,开发研制的软磨料砂轮适用于单晶硅光学表面的超精密加工。
2)在开发的两种软磨料砂轮中,Mg O砂轮磨削过程中的加工电流最低,电流变化最小,磨削表面质量与加工稳定性最好,采用三维表面轮廓仪和原子力显微镜测量磨削后工件表面分别得到0.568 nm RMS和0.554 nm Rq的表面粗糙度,角度抛光法显示磨削后的工件亚表面损伤深度接近0,达到了化学机械抛光的加工效果。
3)角度抛光法检测结果表明,软磨料砂轮磨削后的单晶硅亚表面损伤深度接近于零,证明了应用软磨料砂轮对单晶硅光学表面进行的化学机械磨削技术是一种低损伤的超精密制造技术。