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研究生:林風經
研究生(外文):Fong - Jing Lin
論文名稱:微孔陶瓷研磨碇開發
論文名稱(外文):Development of micro-porous ceramic grinding ingot
指導教授:蔡明義蔡明義引用關係
指導教授(外文):Ming-Yi Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:105
中文關鍵詞:單晶α氧化鋁研磨盤
外文關鍵詞:Single-crystal alpha aluminagrinding plate
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目前市場LED基材晶片主流為單晶α氧化鋁,如何快速研磨加工單晶α氧化鋁硬脆材已是一大研究趨勢。業界普遍以數百號研磨輪遞增到數千號研磨輪依序進行磨削、研磨加工,最後一道程序再採用化學機械拋光。從磨削到研磨之製程,需要不斷更換研磨輪,因此使用耗材多、製程時間長,故將磨削與研磨縮短為一製程,本研究開發微孔陶瓷研磨裝置,以砂輪磨削的型態結合機械拋光之概念進行硬脆材料移除。
本研究針對微孔陶瓷研磨裝置開發為三大部分,一、以最佳燒結製程開發孔洞為直徑約50μm之陶瓷碇。其二、製備鑽石集中度75、100微孔陶瓷研磨碇於不同壓力、轉速之加工參數條件下研磨加工;實驗結果顯示,集中度75、100陶瓷研磨碇表面易受壓力、轉速影響而使陶瓷結構些微崩解產生自銳效果,故可提升材料移除率。其三、製備圓/弧碇微孔陶瓷研磨盤,實驗結果顯示集中度75弧碇研磨盤材料移除率0.90-1µm/min,表面粗糙度Sa 15-25nm;廠商製作弧碇研磨盤材料移除率為0.9-1µm/min,表面粗糙度Sa 20-30nm,故本研究開發之微孔陶瓷研磨盤對單晶α氧化鋁加工能力已達業界標準。本研究對微孔陶瓷研磨盤之開發,從陶瓷材料選用與燒結特性、陶瓷研磨盤製作及加工參數探討、研磨盤不同型態之變化以及研磨盤修整品質,希冀其開發研究能為業界及學術界於單晶α氧化鋁硬脆材料加工效益有所貢獻。
LED chip is currently the mainstream of single crystal alpha alumina, as for the grinding processing efficiency of single crystal α alumina is concern as a big research trend. Generally, the industry uses grinding wheel with the grit size of hundreds has increase to the grit size of thousands to carry out grinding, lapping process and chemical mechanical polishing for the last process. During the grinding process to lapping process, the grinding wheels has to be change all time, this lead to high supplies, long processing time. Therefore, both grinding and lapping process is desired to shortened to a single process. In this study, micro-porous ceramic grinding apparatus was developed to remove hard and brittle materials with the principle of grinding wheel grinding and mechanical polishing.
In this study, the development of micro-porous ceramic grinding device is divided three parts: 1, Using optimal sintering process to manufacture micro-porous with the diameter of 50μm of the ceramic ingots. 2, Preparation of diamond concentration of 75 and 100 micro-porous ceramic grinding ingots to carry out grinding process under different pressure and rotational speed; The experimental results show that the concentration of 75,100 ceramic grinding ingot surface susceptible to pressure and rotational speed leaving the microstructure of the ceramic ingots to produce self-sharpening effect, resulting in the enhancement of the material removal rate. 3, Preparation of round or arc ingot of micro-porous ceramic grinding disc, the experimental results show that the material removal rate of 75 arc ingot plate is 0.90-1μm / min and surface roughness is 15-25nm; Arc grinding plate that produce by manufacturers has a material removal rate of 0.9-1μm / min and surface roughness is 20-30nm. In this research, the development of micro-porous ceramic grinding plate, from the choice of ceramic materials, sintering characteristics, ceramic grinding disc production, processing parameters, grinding discs of different types of changes and hole grinding disc dressing quality, different types of grinding plate and micro-porous ceramic grinding plate dressing quality, hoping its development and research for the industry and academia in the single crystal α alumina hard and brittle material processing benefits contribute.
誌謝 I
摘要 II
Abstract III
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
5.1 前言 1
1.1.1 硬脆材料的特性 1
1.1.2 硬脆材料的應用 4
5.2 研究動機與目的 5
5.3 本文貢獻與創新 6
5.4 論文架構 6
第二章 研磨加工之相關文獻 8
2.1 化學機械拋光 8
2.2 固定磨料加工 9
2.4 硬脆材料之拋光加工 9
2.3.1 硬脆材料之機械拋光加工 10
2.3.2 硬脆材料之化學機械拋光加工 11
2.3.3 硬脆材料之紫外光輔助研磨加工 12
2.3.4 硬脆材料之觸媒蝕刻加工 14
2.3.5 硬脆材料之其他加工 15
2.5 研磨盤之相關專利 16
2.6 硬脆材料產品相關規格 20
第三章 實驗規劃與設備 23
3.1 實驗設備 23
3.1.1 高速壓研磨拋光機 23
3.1.2 球磨機 24
3.1.3 油壓機 25
3.1.4 高溫爐 25
3.1.5 陶瓷板 26
3.1.6 抗折試驗機 26
3.1.7 加熱器 27
3.1.9 超音波洗淨機 29
3.1.10 場發射掃描式電子顯微鏡 29
3.1.11 X-射線繞射分析 30
3.1.12 表面粗糙度儀 31
3.1.13 光學顯微鏡 32
3.1.14 高精度萬分量錶 33
3.1.15 雷射位移計 33
3.1.16 成型壓碇模具 34
3.2 實驗材料及耗材 34
3.2.1 單晶α氧化鋁晶圓 35
3.2.2 鑽石磨粒 35
3.2.3 氧化鋁粉 36
3.2.4 結合劑 36
3.2.5 碳化矽磨料 37
3.2.6 環氧樹脂 37
3.2.7 鑽石修整器 38
3.2.8 氧化鋁削銳塊 38
3.3 實驗規劃及進行步驟 39
3.3.1. 微孔陶瓷研磨碇製作 41
3.3.2. 微孔陶瓷研磨盤製作 43
3.3.3. 單晶α氧化鋁研磨 47
第四章 結果與討論 51
4.1 探討微孔陶瓷研磨碇 51
4.1.1 探討微孔陶瓷研磨碇外觀形貌、內部形貌、燒結密度、體積收縮率、體積膨脹率 51
4.1.2 圓碇研磨盤之陶瓷研磨碇探討 64
4.1.3 微孔陶瓷研磨碇之XRD成份分析 65
4.2 單晶α氧化鋁研磨加工在不同壓力與不同轉速之特性 69
4.2.1 單晶α氧化鋁研磨加工在不同壓力之材料移除率特性 69
4.2.2 單晶α氧化鋁研磨加工在不同壓力之表面粗糙度特性 71
4.2.3 單晶α氧化鋁在不同轉速的研磨加工之材料移除率 75
4.2.4 單晶α氧化鋁在不同轉速的研磨加工之表面粗糙度 78
4.3 單晶α氧化鋁研磨加工在不同型態之研磨盤之特性 81
4.3.1 單晶α氧化鋁在研磨盤的長時間研磨加工之晶圓表面粗糙度與材料移除率 82
4.3.2 單晶α氧化鋁在不同圓碇研磨盤的研磨加工之晶圓表面粗糙度與材料移除率 83
4.3.3 單晶α氧化鋁在不同圓碇研磨盤之研磨盤移除率 85
4.3.4 單晶α氧化鋁在不同弧碇研磨盤的研磨加工之晶圓表面粗糙度與材料移除率 86
4.3.5 研磨盤表面形貌 87
4.3.6 晶圓表面形貌 91
4.4 單晶碳化矽研磨加工之特性 97
第五章 結論與未來展望 100
5.1 結論 100
5.2 未來展望 101
參考文獻 103
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