研磨拋光加工之簡介

研磨拋光加工之簡介
 
1.簡介
研磨和拋光是利用「磨粒」,把材料從工件上精確地移除,以產生預期的尺寸、形狀,或者是表面。研磨和拋光目前已被廣泛地應用到金屬、玻璃、光學、半導體和陶瓷等等材料加工上。其特點在於這些材料被移除的量可以做精準且微小的控制,尤其在奈米等級的範圍內,研磨拋光的加工更是常用的加工法,本文將介紹一些關於研磨的基本的概念。
 
2.研磨拋光的分類
有關於研磨拋光,可以分成四種不同的類型,以下將會介紹這四種分類。
(1)磨削 (Grinding)
(2)研磨 (Lapping)
(3)拋光 (Polishing)
(4)化學機械拋光 (CMP)
 
前面三種屬於純機械除料的方法,可以做成下圖來比較。

 
2.1 磨削 (Grinding)
磨削可以定義從工件表面迅速去除材料至目標尺寸的加工,或從表面除去較大的凹凸面。其砂輪或研磨板通常以高速旋轉(200~1000rpm),配合較粗磨粒的磨輪(>40um),機制如同進給切屑一樣把材料從表面除去。通常除料的速度是其重點,反而表面的括傷不是那麼重要。但若是較軟的材料,最好是用較溫和的方法,以平衡除料速度與嚴重的刮痕產生。

 
2.2 研磨 (Lapping)
研磨的目的在於產生平整光滑的表面,但還未到拋光鏡面的程度,尺寸誤差的容許也較高 (通常小於2.5um)。其研磨板會以較低的速度旋轉 (<80rpm),配合顆粒尺寸中等的磨料(5~20um),來消除因為磨削所產生的表面刮痕,也磨出所需的尺寸和平整度。
 
研磨特性:
硬脆材料的研磨:微小破碎痕跡構成的無光澤面。磨粒不是作用於鏡面而是作用在有凸凹和裂紋等處的表面上,並產生磨屑。
 
金屬材料的研磨:表面沒有裂紋,對於鋁材等軟質材料,研磨時有很多磨粒被壓入材料內;對刀具和塊規等淬火工具鋼等可確保有塊規那樣的光澤表面。

 
其磨料可以分成兩種機制:(1)固定磨料;(2)游離磨料
固定磨料是指將磨料黏在聚酯基材上或是SiC的砂紙上,這些基材可以做到十分平整的表面。
游離磨料是指將磨料直接加在研磨盤上,這樣的優點是剛性的研磨盤的表面可以被控制,以滿足特定材料的需求,以研磨出較為精確的尺寸,以及最少量的表面損傷。
 
2.3 拋光 (Polishing)
拋光是用很細的磨料(<3um)來除去面表的刮痕,以產生鏡面。拋光通常是用很低的速度,搭配拋光布輪或都是特別的研磨盤。使用拋光布輪或研磨盤需使用游離磨料,而布輪或研磨盤的材料也是十分重要,大大地影響到最終拋光的品質。
 
拋光工作方式:使用<1μm的微細磨粒
軟質材料拋光墊:瀝青、石蠟、合成樹脂和人造革等。
微小的磨粒被拋光器彈性地夾持研磨工件。因而,磨粒對工件的作用力很小,即使拋光脆性材料也不會發生裂紋。
 
研磨特性:
由磨粒進行的機械拋光可塑性地生成切屑。但是它僅利用極少磨粒強制壓入產生作用。借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸因變平。

 
在對硬質材料,如陶瓷和金屬等等,使用研磨盤來拋光是十分常用的方法。
使用銅複合板或錫鉛研磨板可以在高研磨率下做出高品質的表面。
但在一般狀況下,布輪是一定會用到的,選擇適當的布輪就是重要的關鍵。
 
選擇拋光布的特性取決於應用的方法,如果想要的是平整度,短毛布(如尼龍)則可適用。
若是表面光潔度是主要考量的因素,那長的拉毛布(如Rayon和絲)就是選擇的目標。
不過發展至今,許多布料都可以滿足這兩種需求,以提供高性能的平整度和表面光潔度,例如聚氨酯墊(Polyurethane pads)就常用在最終拋光過程,以產生極好的平整度和表面光潔度。
 
2.4 化學機械拋光 (CMP)
化學機械研磨是結合了化學和機械拋光的原理,以達成對高度複合材料時,可以夠均勻地進行拋光加工(例如積體電路的製造)。通常是使用一個硬聚氨酯拋光墊,配合微細分散地氧化鋁或二氧化矽顆粒,在鹼性溶液中使用。因此對於同一個平面中,有不同材料時,CMP可以獲得很好的平坦性。
 
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3. 磨料的種類
從磨削到拋光,有太多的磨料可以選擇。選擇的方式取決於
(1)工件的硬度
(2)除料速度
(3)表面光潔度
(4)壽命
(5)價格
 
目前最常用的4種基本類型如下,都有各自的屬性和不同的材料應用:
(1)碳化矽(Sic)
(2)氧化鋁(Al2O3)
(3)碳化硼(B4C)
(4)鑽石(C)
 
3.1 碳化矽(Sic)是比較硬的材料,且顆粒上易有尖刃與塊狀的結構,在粗研磨上是經常用的,但少用在拋光,因為它容易刮傷表面。
3.2 氧化鋁(Al2O3)也是比較硬且銳利,顆粒上棱角分明,在研磨&拋光上經常使用,且價格也較為便宜。
3.3 碳化硼(B4C)是比大多數的磨料更硬,有塊狀的結構,可以提供出色的切除率。通常用在表面品質要求中等,但需快速除料的研磨況狀。
3.4 鑽石(C)是目前已知最硬的材料,並且具有尖角的結構,所以是非常好的研磨和拋光的磨粒。由於它的高除料率和極佳的表面光潔度,是十分優良的磨料。

 
4. 研磨拋光設備
研磨拋光的設備,典型上包括以下幾個部分
(1) 可調速的研磨拋光機
(2) 可確實夾持待拋光工件的夾具
(3) 各式不同用處的研磨板或研磨頭
(4) 可調裝置來控制研磨板平整或研磨頭的進給程度
(5) 完整的工作站,整合夾治具的使用