在藍(lán)寶石襯底具體研磨加工過程中，除金剛石研磨液自身的質(zhì)量之外，研磨工藝參數(shù)如：研磨盤材質(zhì)、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)也對(duì)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，通過具體研磨試驗(yàn)，確定合適的研磨工藝參數(shù)，為藍(lán)寶石襯底材料的研磨工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

1      試驗(yàn)

1.1    試驗(yàn)設(shè)備及耗材

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備和耗材及其功能如表1所示。

1.2    試驗(yàn)過程

以YM-18LX(Φ460MM)單面修面研磨機(jī)為平臺(tái)，使用自制的3 μm金剛石研磨液，通過重物砝碼加壓、噴液加液方式實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)寶石襯底的研磨加工。試驗(yàn)使用單因素變量方法，單獨(dú)改變某項(xiàng)工藝參數(shù)（研磨盤材質(zhì)、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速）進(jìn)行研磨，根據(jù)具體試驗(yàn)結(jié)果確定合適的研磨工藝參數(shù)。

單次研磨試驗(yàn)結(jié)束后，使用SJ一210粗糙度儀測(cè)定藍(lán)寶石襯底表面粗糙度，直接得出Ra；使用ID-Cll2MXB數(shù)顯千分表測(cè)試研磨前與研磨后藍(lán)寶石襯底的厚度值，根據(jù)研磨前后藍(lán)寶石襯底厚度的差值除以研磨時(shí)間，計(jì)算出去除速率的大小。

選取的研磨工藝參數(shù)如表2所示：

2       實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   研磨盤材質(zhì)對(duì)材料去除速率和表面粗糙度的影響

試驗(yàn)分別使用錫盤、樹脂銅盤、純銅盤和鑄鐵盤四種研磨盤對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行研磨加工。由于研磨盤材質(zhì)的不同，其盤面硬度也有很大的差別，因此金剛石微粉在各盤表面的嵌人深度也會(huì)有較大的不同，從而導(dǎo)致其在研磨盤面上的出刃高度有明顯的區(qū)別。在具體研磨時(shí)，金剛石微粉在盤面的出刃高度對(duì)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)研磨盤對(duì)材料去除速率的影響。從圖1中可以看出：研磨盤材質(zhì)硬度越高，材料去除率也就越高。錫盤、樹脂銅盤、純銅盤和鑄鐵盤的去除率依次為0.50、0.90、0.95和1.10μm/min。這是因?yàn)檠心ケP表面硬度越大，磨粒切人盤面的深度越淺，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)研磨盤對(duì)工件表面粗糙度值Ra的影響。從圖2中可以看出：研磨盤材質(zhì)硬度越高，其加工后的藍(lán)寶石表面粗糙度值就越高；錫盤、樹脂銅盤、純銅盤和鑄鐵盤的表面粗糙度值Ra依次為15、18、20、40nm。這是因?yàn)椋谟捕雀叩难心ケP上磨粒切深大，所以其表面粗糙度值上升。

圖1   研磨盤材質(zhì)對(duì)材料去除速率的影響

圖2   研磨盤材質(zhì)對(duì)表面粗糙度值Ra的影響

從以上數(shù)據(jù)可以得出，使用錫盤進(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，去除速率較錫盤提高了80％以上；當(dāng)使用鑄鐵盤時(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(xiàn)大劃痕。因此，在具體研磨加工過程中，在工件表面粗糙度值Ra滿足加工要求的前提下，可優(yōu)選銅材質(zhì)（樹脂銅、純銅）的研磨盤，大幅提高去除速率。

2.2研磨壓力對(duì)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(duì)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(dāng)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(duì)去除速率的影響

圖4   研磨壓力對(duì)表面粗糙度值的影響

從圖4中看出：隨著研磨壓力增大，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(dāng)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(xù)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(dá)到最大值，因此其表面粗糙度值不變。在批量研磨過程中，當(dāng)研磨壓力超過27.58kPa后，少最基片出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)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 研磨盤轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除速率和表面粗糙度的影響

通常情況下，增大研磨盤轉(zhuǎn)速可以提高研磨液產(chǎn)品研磨加工效率，但當(dāng)速度過高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生研磨運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性降低、研磨盤磨損加快等具體問題，從而降低藍(lán)寶石襯底表面加工質(zhì)量。圖5、圖6是研磨盤轉(zhuǎn)速對(duì)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(dāng)研磨盤轉(zhuǎn)速?gòu)?span>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(dá)75%。

從圖6中可以看出：當(dāng)研磨盤轉(zhuǎn)速?gòu)?span>40r/min提高至80r/min時(shí)，表面粗糙度值僅從15nm略微增至17nm；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大至97r/min時(shí)，由于盤面的穩(wěn)定性受到影響，因此，粗糙度增大至18nm。

圖5    研磨盤轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除速率的影響

圖6    研磨盤轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度值的影響

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

3結(jié)論

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

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

(3）綜合分析材料去除速率和加工過程中設(shè)備的穩(wěn)定性，研磨盤轉(zhuǎn)速優(yōu)選為80r/min。