基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪制備及其對單晶硅的磨削性能

白福厚 廖燕玲 軒闖 張鳳林

摘要 針對陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度高的問題，提出一種基于Bi2O3-B2O3 的新型低溫陶瓷結(jié)合劑。分析添加納米SiC 和納米ZrO2 對結(jié)合劑物相組成、流動性和力學(xué)性能的影響，并探索添加核桃殼粉造孔劑對金剛石砂輪微觀形貌的影響；制備基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結(jié)合劑金剛石杯形砂輪，測試其對單晶硅晶圓片的磨削性能。結(jié)果表明：添加納米SiC 會導(dǎo)致陶瓷結(jié)合劑中出現(xiàn)一定量的Bi 單質(zhì)，破壞結(jié)合劑的[BiO4] 玻璃網(wǎng)絡(luò)；添加納米SiC 及納米ZrO2 后，結(jié)合劑的流動性降低；隨燒結(jié)溫度上升，結(jié)合劑的流動性、抗彎強度和硬度有增大的趨勢，在560 ℃ 燒結(jié)時結(jié)合劑的抗彎強度和硬度達到最大。隨著造孔劑含量的增大，砂輪中大氣孔的數(shù)量顯著增多、尺寸顯著增大。在砂輪線速度為12.56 m/s，工件轉(zhuǎn)速為5.23 m/s，進給速度為0.1 μm/s 條件下，使用以M10/20 金剛石（粒度號為800 目）制備的砂輪磨削加工單晶硅晶圓片，其磨削比為790，表面粗糙度為0.16 μm。

關(guān)鍵詞 陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪；單晶硅晶圓片；力學(xué)性能；磨削性能

中圖分類號 TQ153 文獻標(biāo)志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0432-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0137

收稿日期 2022-08-26 修回日期 2022-12-04

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪因其自銳性好、砂輪剛度大、氣孔率可調(diào)等特點，表現(xiàn)出優(yōu)異的磨削鋒利性和磨削精度[1-2]， 廣泛應(yīng)用于聚晶金剛石和CBN 刀具[3]、半導(dǎo)體材料[4]、藍寶石[5]、結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷[6] 等難加工硬脆材料的精密磨削加工。

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪主要由磨料、陶瓷結(jié)合劑、氣孔等3 部分組成，磨料主要由金剛石主磨料和綠碳化硅或白剛玉等輔助磨料組成；陶瓷結(jié)合劑主要起到包裹和固結(jié)磨料，使砂輪具有一定機械強度的作用[7-9]；氣孔主要起到容屑、排屑、傳遞冷卻液的作用，可以降低磨削溫度和防止砂輪堵塞[10-12]。

Bi2O3-B2O3 作為一種新型低溫玻璃體系，一些學(xué)者將該玻璃體系用于陶瓷零件的釬焊連接。比如，GUO等[13] 設(shè)計了一種可在1 000 ℃ 熔煉的硼酸鉍玻璃，化學(xué)組成為50Bi2O3-50B2O3（物質(zhì)的量分數(shù)，下同），并將其應(yīng)用于氧化鋁陶瓷的低溫釬焊連接，在625 ℃ 保溫20 min 時獲得了剪切強度為164 MPa 的接頭。LIN等[14] 研究了Bi2O3-B2O3-SiO2 系低溫玻璃，其熔煉溫度為1 000 ℃、軟化溫度低于472 ℃，并將其應(yīng)用于鋰鈦鐵氧體陶瓷釬焊，在750 ℃ 保溫30 min 時可使接頭剪切強度達到92 MPa。GUO 等[15] 還研究了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低溫玻璃的性能， 其玻璃軟化溫度為419 ℃，在650 ℃ 釬焊連接藍寶石時，可獲得剪切強度為85 MPa 的接頭。CHEN 等[16] 擴大了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低溫玻璃的應(yīng)用范圍，將其用于氧化鋁與銅的異種基體低溫釬焊連接。

現(xiàn)有的陶瓷結(jié)合劑燒結(jié)溫度較高，燒結(jié)過程中金剛石磨料易石墨化，影響金剛石砂輪的磨削性能。因此，提出一種基于Bi2O3-B2O3 體系的新型低溫陶瓷結(jié)合劑，以降低燒結(jié)溫度。該結(jié)合劑中的[BiO4] 玻璃網(wǎng)絡(luò)是由不對稱的錐形四面體相互連接形成的一種不穩(wěn)定鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)合劑力學(xué)性能較低，因此需要選用熱膨脹系數(shù)較低的納米SiC 和納米ZrO2 作為增強相來改善結(jié)合劑的力學(xué)性能，研究這2 種納米材料對結(jié)合劑流動性和力學(xué)性能的影響。選用常用的核桃殼粉為造孔劑，分析了不同造孔劑含量對砂輪微觀形貌的影響；制備了一種基于Bi2O3-B2O3 體系的陶瓷結(jié)合劑金剛石杯形砂輪，測試了該砂輪對單晶硅晶圓片的磨削性能。