半固着磨具在非晶态Ni

[摘要]非晶态Ni-Pd-P合金薄膜具有非常好的热传导性和耐磨性，因而被广泛用作防护镀层。铜片由于其良好的导电性能被选为生长非晶态Ni-Pd-P合金薄膜的衬底材料。主要研究半固着磨具精密研磨非晶态Ni-Pd-P合金薄膜铜片衬底，以铜片衬底的表面粗糙度和材料去除率为评价指标，探讨了研磨过程中不同的工艺参数对铜片表面粗糙度和材料去除率的影响。结果表明：用800#SiC半固着磨具对铜片衬底进行研磨加工，10min后铜片表面粗糙度Ra可由0.553μm减小到0.281μm，同时表面无深划痕。加工后的铜片再经金刚石研磨膏抛光可快速获得满足Ni-Pd-P合金薄膜生长用的铜片衬底表面。    
[关键词] 铜片衬底；半固着磨具；表面粗糙度；材料去除率；Ni-Pd-P合金；薄膜

Approach to Semi-fixed Abrasive Grinding Plateon Surface Lapping  Copper Substrates of Amorphous Ni-Pd-P Alloy Films
DENG Qian-fa，YUAN Ju-long ，WEN Dong-hui，TAOLi，WANG Zhi-wei   5 6

[Abstract]The amorphous Ni-Pd—P alloy film shave superior properties of good heat conductivity and wear resistance，thus they are widely used as the protecting coating．For unique electrical properties of copper，it has been chosen to be a substrate material for producingamopr hous Ni-Pd-P alloy films．The precision lapping technoloyg to machine the copper substrate using semi—fixed abrasive plate was studied．The surface roughness and material removal rateas the evaluation of indicators，the influences of the different lapping parameters on the surface roughness and material removal rate were discussed and analyzed．Experimental results indicated that the copper substrate could be efficiently machined by semi-fixed abrasive plate of 800# SiC abrasive，and the initial roughness Ra of a machined surface could be improved from 0.553μm to 0.28μm in 10 min，produced an ideal rarely scratch surface．Then processed copper polished by diamonded grinding paste，it could be satisfied ofrthe Ni-Pd-P alloy thin film growth
[Keywords] Copper substrate；Semi-fixed abrasive plate；Surface roughness；Materialremovalrate；Ni-Pd-P alloy；Film 

引言

    非晶态Ni-Pd-P合金薄膜是一种新的高活性催化剂，其活性高于相应的晶态合金。它不仅具有优异的耐蚀性能，而且经热处理后，其硬度和耐磨性可与电镀硬铬相媲美，因而受到广泛关注7。铜是非晶态合金薄膜常采用的衬底材料之一，为获得薄、无缺陷及具有良好枯附性的合金薄膜，要求铜衬底的粗糙度在10nm内，平面度在1μm内，表面无可见划痕且均匀性好。由于铜的表面活性高，在室温下极其容易被氧化，因此欲获得满足非晶态Ni-Pd-P合金薄膜生长所需的表面质量难度较大。
    电化学抛光方法是获得不锈钢类金属优质表面的常用方法8，而获得铜片的优质表面通常采用化学机械加工方法。传统的车削、铣削会在工件表面留下刀痕，铜片难以获得超光滑表面；采用传统的游离磨料加工方法对铜片表面进行抛光，虽可获得超光滑表面，但加工效率低，同时加工时间过长会使得铜片的平面度变差而不能满足技术要求9 10。对于游离磨料加工，一方面应尽量使磨料中磨粒均匀一致，保证磨粒对工件的切削力相等，从而获得划痕深度均匀的工件表面；另一方面，应尽量提高加工环境的净化程度，尽量避免硬质大磨粒进人加工区而造成工件表面损伤11，但其代价十分昂贵。本文采用800#SiC磨料的半固着磨具对铜片衬底进行研磨．然后用W10和W0.5的金刚石研磨膏对其进行短时间抛光，高效率获得了表面光滑、无划痕且满足非晶态Ni一Pd一P合金薄膜生长所需的铜片衬底。

1 半固着磨具

    文中所用的半固着磨具为浙江工业大学超精密加工研究中心研制1，这种磨具在加工中对大磨粒具有“陷阱”效应，可以有效减少和消除大磨粒在加工中对工件表面的损伤。与普通磨具构成一样，半固着磨粒磨具主要由磨粒、孔隙、结合剂组成，但结合剂的结合强度不大。当硬质大磨粒进人加工区时，大磨粒周围的磨粒可产生位置迁移，形成“陷阱”空间，使大磨粒与其它磨粒等高。从磨具的角度看，在大磨粒作用下，磨具发生的是塑性变形，而不是弹性变形，从而保证了大磨粒对工件的载荷与其它磨粒的载荷相当，达到减轻或避免大磨粒造成工件表面损伤的目的。半固着磨具结合剂的结合强度足以抵抗加工中磨具所受的外力，使其不致破坏。本文所用的磨具以SSB-1为结合剂，结合剂的质量分数为25%，磨具孔隙率为70%，表面邵氏硬度为63，所用的磨料是800#SiC。直径300mm的800#SiC磨料半固着磨具如图1a所示，相应的SEM显微照片如图lb所示。

2 实验过程

    加工实验研磨系统如图2所示。系统由研磨盘（半固着磨具固定在研磨盘上）和Nanonli-100精密抛光机组成。在超精密研磨过程中，铜片衬底粘贴在砝码盘下，砝码盘可随修整环转动，从而使得在研磨过程中有足够多的磨粒能够与铜片接触。铜片衬底进行研磨加工，每次试验时间为10min。

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    实验过程如图3所示。首先清洗初始铜片上的油污，清洗完并烘干后测量每片铜片的表面粗糙度和质量。铜片衬底研磨过程中的实验条件如表1所示。在每次研磨完后，测量铜片衬底表面粗糙度和质量，同时用光学显微镜进行观察。铜片的表面粗糙度采用德国制造的Perthometer S2(Mahr Co.)表面粗糙度检测仪测量，仪器精度能够达到0.001μm。测量长度每次取5.6mm，在相同条件下测5次，取平均值。用所得到的表面粗糙度值评价铜片的表面加工质量。材料去除率用单位时间内铜片的质量变化表示，铜片质量采用日本岛津生产的分析天平测量，该仪器精度可达0.0001g。

3 实验结果和分析

3.1 对表面粗糙度影响的分析
3.1.1 载荷的影响
    加工载荷对工件表面粗糙度的影响见图4（研磨时间为10min，转速为40r/min）。从图4中可以看到，当加工载荷从0.85kPa增加到2.75kPa时，工件表面粗糙度从0.553μm迅速下降到0.280μm。然而，当加工载荷从2.75kPa增加到4.55kPa时，表面粗糙度值不降反而增加。显微观察铜片表面，发现有深划痕出现。因此，半固着磨具研磨铜片衬底时，加工载荷不应超过2.75kPa。

3.1.2 研磨盘转速的影响
    研磨盘转速对工件表面粗糙度的影响如图5所示。从图5可知，当研磨盘转速由20r/min增加到40r/min时，铜片表面粗糙度从0 .553μm快速降到0.280μm；当转速超过40r/min时，工件表面粗糙度变化不大。因此，磨具转速为40r/min时，已可以获得较好的铜片表面。

3.1.3 研磨时间的影响
    研磨时间对铜片表面粗糙度Ra的影响如图6所示。从图6中可以看到，研磨6min后，工件的表面粗糙度很快降到0.350μm。研磨时间达到l0min时，工件表面粗糙度从0.350μm降到0.280μm。研磨时间超过10min后，铜片表面粗糙度不再改善，基本无变化。因此、采用800#SiC磨料半固着磨具研磨铜片，研磨l0min后，铜片衬底就能得到较好的表面粗糙度。

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3.2 对材料去除率影响的分析
    研磨载荷、研磨盘转速对铜片衬底去除率的影响如图7所示。从图7可知，随着研磨载荷和研磨盘转速的增加，工件材料去除率增加。这是因为研磨转速增加，单位时间内铜片衬底被加工次数增加，因而使得材料去除率也相应增加。研磨载荷增加，作用在磨粒上的力会随着增加，单颗磨粒上的作用力也随之增加，从而增加单颗磨粒在工件表面上的切削长度，进而使得材料去除率提高。但是当载荷超过4.5kPa时，磨具上有更多磨粒与工件相接触，相应减小了单颗磨粒上所受的载荷，因而材料去除率并没有相应增加很多，所以此时，材料去除率与工件载荷并不是成正比的。

3.3 与游离磨料加工的对比
    相同的实验条件下，采用半固着磨具和游离磨料分别加工铜片衬底材料，以铜片表面粗糙度为评价指标，相应实验结果如图8所示。由图8可知，采用半固着磨具研磨铜片衬底只要10min就能使工件表面粗糙度趋于一稳定值；而采用游离磨料研磨加工，达到相应的值却需要20min。 

    图9为采用半固着磨具和采用游离磨料加工所得铜片衬底的显微照片（4倍光学显微镜）。从图上可知，游离磨料加工的铜片表面有较多明显的磨粒去除划痕，而半固着磨具加工的铜片表面却没有明显的划痕。因此，采用半固着磨具加工可为下一步工序提供更有利的条件。用金刚石研磨膏抛光采用半固着磨具和游离磨料研磨后的铜片衬底，可获得相同的铜片村底表面质量，但采用半固着磨具加工的铜片衬底抛光所需的时间大大少于采用游离磨料加工的铜片衬底抛光所需要的时间。实验证明，相比于游离磨料加工的铜片衬底，半固着磨具加工后的铜片衬底达到满足非晶态Ni-Pd-P合金薄膜生产的要求所需抛光加工耗时更少，因而提高了加工效率。

4 结论

    在本文中，采用半固着磨具研磨加工满足非晶态Ni-Pd-P合金薄膜生长的铜片衬底。运用单因素实验分析方法，所得相应的结论如下：
    1）半固着磨具研磨铜片时，当载荷为2.75kPa，可使铜片表面粗糙度值为最小（0.28μm）。
    2）研磨盘转速为40r/min时，可以获得较好的铜片表面粗糙度（0.28μm）。
    3）采用半固着磨具加工，材料去除率随着加工载荷和研磨盘转速的增加而增加，在满足加工要求的同时，应尽量提高加工载荷和研磨盘转速。
    4）在相同的研磨条件下，欲使铜片衬底的表面粗糙度趋于一稳定值，采用半固着磨具加工仅需1Omin，并且加工表面划痕均匀，无深划痕。
    5）采用半固着磨具可加工出满足非晶态Ni-Pd-P合金薄膜生长需要的铜片衬底。