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科技视界高蓝宝石衬底精密研磨加工实验研究虞国良
(浙江师范大学工学院,浙江 金华321000)摘 要]为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工，对蓝宝石晶体的精密研磨加工表面粗糙度、去除 率进行试验研究°采用不同粒度碳化硼磨粒双面研磨晶体,考察了研磨盘转速、加载下压力和研磨颗粒粒径对 研磨加工表面质量的去除率和表面粗糙度参数的影响°实验结果表明：研磨压力和研磨盘转速是影响去除率 的最大因素；在相同条件下，磨料的颗粒粒径对去除率和表面粗糙度起到关键性的作用°揖关键词]蓝宝石；精密研磨；表面粗糙度；实验研究揖中图分类号：TB47 文献标识码：A
DOI : 10.19694/j. cnki. issn2095 -2457.2019.36.079文章编号：2095-2457 (2019)36-0170-002Experimental Study on the Precision Lapping of Sapphire SubstrateYU Guo - liang(School of engineering, zhejiang normal university, Jinhua Zhejiang 321000, China)[Abstract] This paper presents the experimental research on the surface quality parameters such as roughness and removal rate in the precision lapping of sapphire in order to realize the high efficiency and low damaged lapping. The
different grain sizes of B4C were selected to lapping the double side of sapphire (0001) and the effects of processing
parameters as load, speed of rotation and grain size had on the surface quality parameters were investigated. The
results of experiment showed that: (1) it5 s load and speed of rotation that were the most important factors to the
removal rate; (2) the grain side played a key role in improving the removal rate and roughness under the same
conditions .[Key words ]Sapphire; Precision lapping; Roughness; Experimental study0引言蓝宝石晶体具有优良的光学特性和力学性能[】-3], 是首选的光电衬底材料和半导体基片，更可以用作军 事等重要技术领域的窗口材料，这使得对其表面加工 质量有着非常高的要求。要求蓝宝石表面要达到超光 滑的无损伤表面⑷。目前超光滑表面⑸是指:表面粗糙
数与表面质量要求之间的关系以及工艺参数的变化对 表面质量要求的影响。度小于1nm的表面。无损伤表面⑹是指:加工表面不能 有加工变质层，且表面晶格完整。由于蓝宝石硬度高
且脆性大，对其进行机械加工非常困难，镜面加工技 术更加复杂。由于蓝宝石元件在航空航天、国防军事 等方面的特殊用途，国际上蓝宝石晶片的加工工艺一 直处于保密阶段。现有蓝宝石的研磨工艺，加工效率 较低，因此蓝宝石精密研磨加工具有重要的意义。(1)蓝宝石六方晶格；(2)未加工和已加工的蓝宝石图1 蓝宝石分子结构及晶片1 试验条件与材料2 实验结果与分析实验使用的主要仪器Nanopoli - 100研磨机,其研磨 2.1 压力对去除率和表面粗糙度的影响盘为①380mm铸铁十字槽研磨盘袁采用德国Mahr S2 压力参数对研磨去除率和表面粗糙度的影响如图 型接触式粗糙度测试仪测试粗糙度，使用日本岛津公 2所示。研磨效率随着下压力的增大而增大。但试件表
司的毫克级(0.1mg)AUY220型天平测量重量。面粗糙度值在初期略有上升,然后减少,在10.9MPa时
实验材料：蓝宝石(Sapphire ),化学分子式为琢- 达到最小。因此，下压力的增加要在一定的范围内才 Al2O3,俗称刚玉袁属于六方晶系袁如图1所示。磨料使 可以得到最佳的研磨效果。B4C。2.2 转速对研磨去除率和表面粗糙度的影响实验步骤可以简化为：修盘寅研磨寅清洗寅称 研磨盘转速参数对研磨去除率和表面粗糙度的影 重寅研磨。最后，用轮廓仪测量所有试验的蓝宝石晶 响如图3所示。研磨去除率随研磨盘转速的变化效果 片表面的粗糙度和面形轮廓度，用于分析各个工艺参作者简介：虞国良(1973—),男，浙江杭州人，本科，实验师，研究方向为精密加工。170科技视界 Science & Technology VisionScience & Technology Vision
科技视界明显袁转速增加袁去除率显著增大,在30rpm时达到最 大值,转速再增加时,去除率有少量下降°同时试件的 表面粗糙度值随研磨盘转速的增大而上升袁转速为 30rpm时表面粗糙度值有明显下降,随之又上升°因此 研磨盘转速也应控制在合理的范围内以保证研磨效率 和表面粗糙度°_去除率(nm/min) I
raw性变化,磨料粒径小时其值最小袁随后逐渐变大°这种
现象是因为在其他条件相同的情况下袁磨料粒径小, 单位时间内参与研磨切削的磨粒就多袁切削充分袁去 除率就高；试件表面粗糙度值较小°_去除率(nm/min> —表面粗糙度(nm)_—♦一表面粗糙度(nm)_35030025020035.0030.0025.00
料 20.00
30o 25o 20o 15o 10o 50
90.0080.0070.0060.00M 50.00刑 15.00甬 40.0030.0020.0015010050
10.005.000.0010.000.00W3. 5 W5 W7 W10
磨料颗粒粒径W141. 6 3. 2 5. 8 下压力(MPa)8. 3 10. 9图4 磨料颗粒粒径对去除率和表面粗糙度的影响图2 下压力对研磨去除率和表面粗糙度的影响_去除率(nm/min)
3 结论本文对蓝宝石精密研磨进行了实验研究袁讨论了 研磨盘转速、加载下压力、研磨颗粒粒径对研磨加工 表面质量的去除率和表面粗糙度参数的影响°得到如 下结论：研磨压力和研磨盘转速是影响去除率的最大 因素；在相同条件下,磨料的颗粒粒径对去除率、表面 粗糙度起到关键性的作用°揖T—表面粗糙度(nm)_40o 35o 30o 25o 20o15o1 0o5 00
80.0070.0060.0050.00
遽 40一00 讯 30.00鏗勰紧K來
参考文献]20.0010.000.00[1 ] G rzegory I. High nitrogen pressure growth of GaN crystals
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转速(rpm)30 35[3 ] Chol K S, John S T. Optimum machining of optical crystals. Mechanical Engineering [ J ]. 2003 (4):68-72.图3 转速对研磨去除率和表面粗糙度的影响[4 ] Nakamura S , Ann. InGaN - based Laser Diodes [ J ]. Rew . Mater. Sci, 1998 (28): 125 .[5] 杨力.先进光学制造技术[M].北京:科学出版社,2001.[6] 袁哲俊，王先逵.精密和超精密加工技术[M].北京:机械
磨粒粒径对表面粗糙度及去除率的影响从图4中可以得知袁去除率随磨料粒径的增大是 先降低再升高，当研磨颗粒粒径为W3.5和W14时较 高,粒径为W5和W7时较低；表面粗糙度数值近似线
2.3
工业出版社,1999.(上接第308页)用下,熔体在圮垠壁附近至上而下流动, 加快夹杂物上浮°靠近圮垠芯部袁电磁力逐渐减弱袁熔体至下而上流动, 在熔体顶部与底部沿轴向流动，在熔体内部形成稳定环流, 3
结论最大流速出现在熔体芯部区域°由图1可知随着磁场强度 模拟结果表明袁在电磁力与浮力的共同作用下袁磁 与频率增加,流速随之增加，但流速分布未发生改变° 场作用能有效加速中心区域的夹杂物上浮袁尺寸较大 2.2不同磁场参数对夹杂物迁移效果影响夹杂物集中于铸锭帽口中心区域，尺寸较小的夹杂物
夹杂物为随机注入30000个尺寸正态分布于5~ 25滋m的夹杂物，图2分别为熔体中夹杂物下行波作
分布于铸锭帽口边缘区域°【用不同时间下的分布云图袁结果表明在下行波作用
参考文献]下，夹杂物颗粒在熔体中出现富集趋势，上行的熔体 [1]李杰华,郝启堂.铝合金熔体净化技术的现状及其发展趋 加速了夹杂物上浮袁下行波磁场对熔体中夹杂物净 势[J].中国铸造装备与技术,2005(6):1.化作用首先从熔体的芯部开始，在熔体芯部形成夹 [2 ] Volz M P, Mazuruk K. Lorentz body force induced by 杂物颗粒分布较少区域，夹杂物主要集中分布于熔 traveling magnetic fields [ J]. Magneto - hydrodynamics , 2004,40(2): 体上部以及圮垠壁上部袁增加磁场强度与频率可以 117 - 127 .Science & Technology Vision 科技视界171
