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超精密拋光工藝

發布時間:2019-09-28 11:04:14 閱讀:3050 作者:

       很早以前看過這樣一個報道,說是德國、日本等幾個國家的科學家耗時5年時間,花了近千萬元打造了一個高純度的硅-28材料制成的圓球,這個1kg純硅球要求超精密加工研磨拋光,精密測量(球面度,粗糙度,質量..),可謂是世界上最圓的球了。

我們經常把研磨和拋光放在一起講,因為零件經過這兩個工序的粗糙度已經十分小了。首先咱們了解一下它們的區別。

研磨與拋光的區別

      研磨利用涂敷或壓嵌在研具上的磨料顆粒,通過研具與工件在一定壓力下的相對運動對加工表面進行的精整加工。研磨可用于加工各種金屬和非金屬材料,加工的表面形狀有平面,內、外圓柱面和圓錐面,凸、凹球面,螺紋,齒面及其他型面。加工精度可達IT5~IT1,表面粗糙度可達Ra0.63~0.01微米。

      拋光是利用機械、化學或電化學的作用,使工件表面粗糙度降低,以獲得光亮、平整表面的加工方法。

兩者的主要區別在于:拋光達到的表面光潔度要比研磨更高,并且可以采用化學或者電化學的方法,而研磨基本只采用機械的方法,所使用的磨料粒度要比拋光用的更粗,即粒度大。

現代電子工業,超精密拋光是靈魂 

       超精密拋光技術在現代電子工業中所要完成的使命,不僅僅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多層材料,使得幾毫米見方的硅片通過這種‘全局平坦化’形成上萬至百萬晶體管組成的超大規模集成電路。例如人類發明的計算機從幾十噸變身為現在的幾百克,沒有超精密拋光不行,它是技術靈魂。

       以晶片制造為例,拋光是整個工藝的最后環,目的是改善晶片加工前一道工藝所留下的微小缺陷以獲得最佳的平行度。

       今天的光電子信息產業水平,對作為光電子基片材料的藍寶石、單晶硅等材料的平行度要求越來越精密,已經達到了納米級。這就意味著,拋光工藝也已隨之進入納米級的超精密程度。

       超精密拋光工藝在現代制造業中有多重要,其應用的領域能夠直接說明問題:集成電路制造、醫療器械、汽車配件、數碼配件、精密模具、航空航天。

頂級的拋光工藝只有美日等少數國家掌握

      拋光機的核心器件是“磨盤”。超精密拋光對拋光機中磨盤的材料構成和技術要求近乎苛刻,這種由特殊材料合成的鋼盤,不僅要滿足自動化操作的納米級精密度,更要具備精確的熱膨脹系數。

      當拋光機處在高速運轉狀態時,如果熱膨脹作用導致磨盤的熱變形,基片的平面度和平行度就無法保證。而這種不能被允許發生的熱變形誤差不是幾毫米或幾微米,而是幾納米。

       目前,美國日本等國際頂級的拋光工藝已經可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求(屬超大尺寸),他們據此掌控著超精密拋光工藝的核心技術,牢牢把握了全球市場的主動權。而事實上,把握住這項技術,也就在很大程度上掌控了電子制造業的發展。

       日本產拋光機的研磨盤均為定制,不進行批量生產,直接限制了他國仿制;美國的拋光設備銷往中國,價格一般都在1000萬元以上,而且銷售訂單已經排至2019年年底,此前不接受任何訂單。

       面對如此嚴密的技術封鎖,在超精密拋光領域,我國幾乎目前只能進行自研。

中國的超精密拋光技術水平在哪個層次? 

       作為一套技術要求極高的合成工藝,超精密化學機械拋光工藝精必須由設備和材料(拋光液)組成,二者缺一不可。我們國家研發的“二氧化鈰微球粒度標準物質及其制備技術”已經具有成效,相關納米級粒度標準物質獲得國家計量器具許可和國家一級標準物質證書。二氧化鈰新材料的超精密拋光生產試驗效果一舉趕超了國外傳統材料,填補了該領域空白。

       但是這并不意味著我國已經攀登到了這一領域的頂峰,對于整體工藝來說,只有拋光液而沒有超精密拋光機,我們最多還只是賣材料的。

拋光工藝需要滿足目前電子工業制造的要求,可以概括為超精密、大尺寸。有了頂級的拋光材料僅僅是基礎,以此為基礎,我國還需要分兩步走,首先解決磨盤問題,其次解決拋光面積擴大問題。

        目前,美國、日本拋光機磨盤的材料構成和制作工藝一直是個謎。換言之,購買和使用他們的產品,并不代表可以仿制甚至復制他們的產品,這是兩回事。

用什么材料和工藝才能合成這種熱膨脹率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盤,是我們首先需要集中力量攻克的技術難題,這個問題一旦解決,60英寸拋光作業面也將不再是夢想。而這樣的核心技術,永遠不能指望從別人手中獲得,除了依靠自己,我們別無選擇。

超精密加工技術將向超精密制造技術發展 

       退一步講,即使我們掌握了超精密拋光技術,我們并沒有達到機械加工的最終點。因為,超精密加工技術還包括超精密車削、鏡面磨削、超精密研磨、機械化學拋光、電子束曝射、激光束加工、離子濺射和離子注入、金屬蒸鍍及分子束外延等。

       超精密加工技術以前往往是用在零件的最終工序或者某幾個工序中,但目前一些領域中某些零部件整個制造過程或整個產品的研制過程都要用到超精密技術,包括超精密加工、超精密裝配調試以及超精密檢測等,最典型的例子就是美國國家點火裝置(NIF)。

       所以,還是回歸到我們的文章的開頭,只有原點,沒有終點,我們距離超精密制造技術的最前沿還有一定的距離。為了追求市場份額和利潤,技術的領頭羊們會一直改進提高,做到更精,我們處于落后的地位,落后就要挨打,所以更需要想盡一些辦法去趕超。