蓝宝石切割机设计（全套设计论文+CAD图纸+开题报告+外文翻译+文献综述）
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浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）任务书 学生姓名 学号 专业班级 题 目 蓝宝石切割机设计 指导教师 职 称 高级工程师 课题类型 设计 论文 课题来源 教师科研课题 教师生产实际课题 学生自立课题 毕业设计（论文）起止时间 年 月 日至 年 月 日 一、毕业设计（论文）的主要内容及要求 1、开题报告和文献阅读 （ 1）文献阅读：查阅文献应不少于 15 篇，其中外文文献不少于 2 篇，近 5 年内的文献数一般不少于文献总 数的 1/3，并应有近 2 年内的文献。 （ 2）文献综述： 3000 字以上，包括国内外现状、研究方向、进展情况、存在问题、参考依据等。 （ 3）开题报告： 2000 字以上，包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、拟解决的关键问题、预期结果、研究进度计划等。 （ 4）外文翻译： 3000 字以上（翻译成中文后的汉字字数）。 2、课题要解决的主要问题和具体要求 1) 所设计的蓝宝石切割机使用带锯进行切割 2) 保证带锯行进与路线切向一致； 3) 被切材料快速定心夹紧； 4) 切削液回收。 3、论文： 10000 字以上，包括绪论、正文、结论、参考 文献等。 二、主要参考文献 1) 吴健 ；蓝宝石 工机理与工艺技术的研究 D江。 2012 2) 张彬 ；蓝宝石精密切割装置控制系统设计 D. 黑龙江大学 . 黑龙江 2012 3) 蔡二辉 ,汤斌兵 ,周浪 . 金刚石线锯切割晶体硅模式研究 J. 南昌大学学报 (工科版 ). 2011(02) 4) 黄波 ,高玉飞 ,葛培琪 . 金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析 J. 金刚石与磨料磨具工程 . 2011(01) 5) 5、 金成毅 ; 熊瑞平 制的石材切割机的液压系统 J导教师签名： 年 月 日 专业教研室意见： 同意下达任务书 不同意下达任务书 教研室主任签章： 年 月 日 注：任务书由指导教师填写，专业教研室主任审核，要求在毕业设计（论文）工作开始前下达。 毕业设计（论文） 译文及原稿 译文题目 ： 烧结金刚石 /金属复合材料的制备及评价蓝宝石磨削性能 原稿题目 ： 稿 出处： 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 1 烧结金刚石 /金属复合材料的制备及评价蓝宝石磨削性能 摘要 烧结金刚石 /金属的制造复合材料的平 均粒径由金刚石填料体为 15 微米至 30微米，金属粘合剂（银 - 铜 - 钛制硬钎焊 )试图通过粉末冶金烧结 00000C。其结果是，烧结金刚石 /金属复合材料的致密块体分别本 粉末冶金烧结工艺获得的。烧结温度从 750C 增加至 950C 和压力提高的烧结金刚石/金属复合材料的密度在热压中的真空。所有散货准备在 750C 的温度至 950C 分别组成金刚石相和 金钛制钎焊用任何其他阶段散货烧结金刚石 /金属复合材料。此外，一些性能进行了评价烧结金刚石 /金属复合材料。 关键词 ：金刚石，复合，钎焊，银，显微组织 ;磨碎 1 介绍 需要像这样的金刚石砂轮，金刚石金刚石工具刀片和金刚石针尖的切割和抛光陶瓷，硅和蓝宝石锭仍然在扩大应用领域。在一般情况下，金刚石工具分类为金属结合剂类型和树脂结合剂类型。虽然树脂结合剂金刚石工具是由树脂基体的和金刚石填料具有所需的颗粒大小分布，切削和磨削性能正在迅速降解尽管良好的切削和磨削能力。与此相反，金属粘结金刚石工具一般都制成通过金属电沉积的各种金刚石填料。这些金属结合剂金刚石工具，具有良好的长期表现，虽然他们的切割和抛光能力都相对逊色于树脂结合剂金刚 石工具。像多晶硅另一个金属结合钻石金刚石（ 也制造了超高调压计（约 50,000 个大气压）设备在高温下（典型值 1600C）的金刚石填料与合作粘合剂。此外，金刚石状的发展碳（ 被报道了一些方法，例如作为等离子体 基于等离子体离子注入由许多研究者。此外，一些捏造基于金刚石的合成含有另一种金属（例如， W）和陶瓷（例如， 氧化铝）已尝试。通过各种方法制造这些 石是极其致密和昂贵的，而不是良好的磨削和每切割预测性能，但他们一般都加工和切割用电火花加工。 另一方面，银的钎 焊，一般银 - 铜 - 锌，和其他金属的钎焊系统是有用实现不同的材料容易地粘结力强。在这里，我们专注于高性能金刚石工具及散货的钻石组成的开发填料和钎焊作为金属粘合剂，例如通过粉末冶金工艺银 - 铜 - 钛制硬钎焊。使用这种粉末冶金工艺，各种微复合材料和纳米复合材料，陶瓷基复合材料和金属 /陶瓷混杂复合材料，进行了开发和报道。在特殊的，这个过程会导致密镶钻散货具有良好的制造加工能力和合理的成本。作者还报道的 金钛制钎焊金刚石涂层切割锯设备发展的结果。在这项研究中，烧结金刚石的制造 /金刚石填料组 成的金属复合材料的组织和金属粘合剂（银 - 铜 - 钛制硬钎焊）中试图通过粉末冶金浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 2 烧结过程在真空环境。此外，一些性能进行了评 估， 这些烧结金刚石 /金属复合材料。 2 实验方法 作为金属粘合剂，商业粉末为银 - 铜 - 钛钎焊系统（ T）是从奶酥有限公司使用商业金刚石填料起初粉碎与氧化铝研钵，充分洗涤，用乙醇和干燥在室温下进行。金刚石填料和金属结合位 金刚石含量 /银 - 铜 - 钛系钎 = 32 重量 / 68 重量 ）在乙醇中混合由砂浆，然后通过使用氧化锆球球磨法干法混合媒体。另外， 合物（混合物的 20 ）是加入到这些的混合物作为粘合剂，并与 过充分混合，这些混合物与粉碎用研钵。得到的粉末分别插在碳金属模然后进行热处理，在 400 C 为 60 分钟。然后样品在 750 C 至烧结与热压设备 950 0 30 分钟（加热速度 10 C 至 20 C /分钟）在真空环境下（ 5 10）与所施加的 帕至 帕压力时的热压炉中的真空，随后缓慢冷却的热压炉。 烧结金刚石 /金属复合材料（ 20 毫米直径三和 5 毫米厚）的接地与钻石轮和切割用金刚石锯。烧结的密度金刚 石 /金属复合材料进行了测量。该组件烧结金刚石 /金属复合材料是由评估 X 射线衍射（ 学电机有限公司）。在微观 观察到烧结金刚石 /金属复合材料 过扫描电镜（ 本电子）和激光显微镜。当地组合物是由 析测量的。烧结金刚石 /金属复合材料粘接用对磨试验蓝宝石餐支撑氧树 脂。 3 结果与讨论 图 1显示了 金属复合材料。在烧结温度都散货 750 C 至 950 C 分别组成金刚石相和没有任何其他阶段赎罪银铜钛钎焊系统金刚石 /金属复合材料，如图所示。因此，烧结温 度的增加从 750 C 至 950 C 有钻石和银铜钛系统之间没有反应用于钎焊金刚石烧结 /金属的成分在复合材料热压在真空中。图 2表示的 X 射线衍射图谱的增加的变化的过程中热压在真空金刚石 /压力烧结在 850 C。金属复合材料的部件烧结金刚石 /金属复合材料也由金刚石和银 - 铜 - 钛制硬钎焊相。目前，压力脱颖而出，增加和烧结温度在热压对复合材料和金刚石之间的反应的成分没有大的影响，银 - 铜 - 钛系钎对于这些烧结金刚石 /金属复合材料。图3（ a）所示的烧结金刚石 /金属复合材料密度的结果，调查的散货金刚石 /金属 复合材料的影响。来自观察采用扫描电镜和激光显微结果，很明显的是，添加的银 - 铜 - 钛制硬钎焊成的金刚石晶粒的金属粘结剂抑制了形成的烧结块体的基质中的空隙的金刚石 /金属复合材料，因此这些金刚石 /金属复合材料的致密化达到了通过热压烧结工艺。 图 3（ a）所示的烧结金刚石 /金属复合材料密度的结果，调查罪散射温度（ 影响。如图所示在图中，烧结温度从 750C 的增加至 950C，导致烧浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 3 结的密度略有增加在金刚石 /金属复合材料热压在 在烧结 850C 的情况下的，密度最大的金刚石 /金属复合 材料块体达到了。烧结温度的升高一点点增强这些复合材料的致密化。 此外，密度与所施加的压力的变化在热压中的真空进行了检查。图 3（ b） 示出了烧结温度为 850C。金刚石 /金属复合材料的密度的结果的增加而施加压力在热压在真空略表示的烧结金刚石 /金属复合材料本热压系统中相同的密度。因此，被用于刑的这个银铜钛制钎焊的金属粘结剂由该热压真空。获得的金刚石 /金属复合材料的这些致密块体在特殊，烧结温度的增加提高了致密化这个热压系统，在烧结金刚石 /金属复合材料，虽然压力 对 这些金刚石 /金属复合材料的致密化影响较小 。图 1 烧结金刚石 /金属的复合材料的 文） 外文翻译 4 图 2 的 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 5 (a) (b) 图 3 烧结金刚石 /金属的复合材料密度的结果 （ a） 温度影响 ;（ b） 压力的影响 烧结金刚石 /金属复合材料的微观结构观察用扫描电镜和激光显微镜。图 4 显示扫描电镜图像烧结金刚石 /金属散货复合材料。烧结金刚石 /金属复合材料块体是致密和金刚石晶粒充满了银 - 铜 - 钛系钎相位作为金属粘合剂。钻石粒具有 15 至 30微米的平均粒径分别为均匀地分散于银 - 铜 - 钛制硬钎焊。从 察 ，晶粒尺寸没有大的变化金刚石热压后证实罪散射，这表明金刚石之间的反应和银 - 铜 - 钛制硬钎焊的金属粘结剂在此热抑制，没有晶粒生长产生热压烧结工艺。这样的结果是一致 图 5 示出了图像从激光显微镜烧结金刚石 /金属复合材料块体。在这种无花果刚石颗粒呈黑色的部分和银 - 铜 - 钛制钎焊是白色和灰色的部分，分别。从这个图象，人们发现，银 - 铜 - 的金属相 钎料均匀地位于晶金刚石颗粒基质的边界，如图所示，热压烧结在真空后。这些观察结果表明，银 - 铜 - 钛制硬钎焊作为粘合剂具有 良好的润湿性，导致散货金刚石 /金属复合材料的致密化。来自观察采用扫描电镜和激光显微结果，很明显的是，添加银的金属粘结剂的 文） 外文翻译 6 成的金刚石晶粒抑制形成的烧结块体的基质中的空隙的金刚石 /金属复合材料，因此这些金刚石 /金属复合材料的致密化达到了通过热压烧结工艺。 烧结金刚石 /金属复合材料的微观结构进行了观察扫描电镜和激光显微镜。图 4显示了扫描电镜对烧结金刚石 /金属复合材料块体的图像。的烧结金刚石 /金属复合材料的块体为致密且金刚石晶粒充满了银 - 铜 - 钛系钎相位作为金属粘合剂。金刚石晶粒具有 15 30m 的平均粒径均匀地分散在银 - 铜 - 钛制硬钎焊。从 察，粒度为金刚石的无大的变化热压罪散射后得到证实，这表明金刚石和银 - 铜 - 钛制硬钎焊的金属粘结剂之间的反应过程中抑制和无晶粒生长产生这种热压烧结工艺。这个结果是一致的与 X 射线衍射的结果。 图 5 示出了从激光显微镜对烧结金刚石 /金属复合材料块体的图像。在该图中，金刚石颗粒为黑色部分和银 - 铜 - 钛制硬钎焊是白色和灰色部分，分别。从这个图像，其结果发现，银 - 铜 - 钛制硬钎焊的金属相均匀地设在金刚石颗粒基质的晶界，如图所示，热压烧结在真 空后。这些观测结果表明，银 - 铜 - 钛制硬钎焊作为粘合剂所具有的良好的润湿性，从而散货金刚石 /金属复合材料的致密化。从观察用 明显的是，添加的银 - 铜 - 钛制硬钎焊成的金刚石晶粒的金属粘结剂抑制了空隙中的金刚石 /金属复合材料的烧结块体的基体的形成，从而这些金刚石 /金属复合材料的致密化是通过热压烧结过程实现的。 此外，烧结金刚石 /金属复合材料的能谱分析，进行了烧结金刚石 /金属复合材料块体。图 6 显示了能谱分析的结果烧结金刚石 /金属复合材料。白点和部分来自银，铜和钛元素。如图 所示， 金属复合材料也检测。因此，金刚石晶粒的晶界充满了的银 - 铜 - 钛制硬钎焊的金属粘结剂和与 金的液相烧结烧结通过热压在真空为致密金刚石 /金属复合材料因此在块体 钎焊。浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 7 图 4 扫描电镜对烧结金刚石 /金属复合材料的散货图片图 5 图片来自激光显微镜对烧结金刚石 /金属复合材料块体 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 8 图 6 烧结金刚石 /金属复合材料的 耐 磨性能是通过研磨蓝宝石晶棒的试验来评价。图 7示出的 面进行研磨蓝宝石晶棒的试验后，在地面金刚石 /金属复合体系的样品的 像。表面没有大的磨削缺陷和跌落式金刚石对金刚石 /金属复合材料样品的获得，如图所示，并用 15 微米至30 微米平均粒度的树脂粘结金刚石的块材。磨蓝宝石晶棒后，像金刚石颗粒的脱粘的显著恶化，不能确认。因此，前和研磨蓝宝石晶棒的试验后，观察到的烧结金刚石/金属复合材料的表面没有大的差异。因此，烧结在这项研究金刚石 /金属复合材料的这些密集的散货，获得和拥有了良好的磨削能力的蓝宝石晶锭。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 外文翻译 9 图 7 表面金刚石 /金属的复合材料的磨蓝宝石后的 片 4 结论 金刚石填料和金属粘合剂（银 - 铜 - 钛制硬钎焊）构成的烧结金刚石 /金属复合体的制造中，在 750至 950，在真空大气试图通过粉末的冶金烧结过程。金刚石 /金属复合材料块体附身之后在真空热压烧结的高密度。显微观察表明，金刚石颗粒被均匀地分散于块体。从 ，铜和钛的元素分别为均一分散在金刚石晶粒的晶粒边界和钻石和银 - 铜 - 钛系钎之间的反应作为金属粘结剂在此热抑制，没有晶粒生长根纳入样本热压烧结工艺。从这些观察，银 - 铜 - 钛制硬钎焊作为粘合剂所具有的良好的润湿性，从而散货金刚石 /金属复合材料的致密化。 因此，烧结金刚石 /金属复合材料的这些密集的散货，获得和拥有了良好的磨削能力的蓝宝石晶锭。对烧结金刚石 /金属复合材料的研磨性能，是由于金刚石颗粒和银 - 铜 - 钛制硬钎焊作为粘合剂之间的良好粘结。因此，烧结金刚石 /金属复合材料的蓝宝石晶棒的好磨性阅读能力的致密块体由该处理成功制造。 毕业设计（论文） 开 题 报 告 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 1 1 选题的背景和意义 单晶蓝宝石具有良好的物理、化学和光学特性，在微电子、工业、国防、科研以及 片 底领域得到越来越广泛的作用。随着科学技术的不断发展，对于蓝宝石晶片的加工精度以及表面质量要求越来越高，因此蓝宝石的高效低损加工工艺成为阻碍蓝宝石工业发展的主要障碍。 现今随着机电一体化的发展，机械手也被广泛的利用各种机械当中，自动切割渐渐取代了手工切割，蓝宝石切割机能自动将放入的工件切割成所要求的形状，这样可以大大提高切割效 率，减轻人力负担，蓝宝石切割机的优点是结构简单，生产效率较手动切割机高。 本文简要的概述了 蓝宝石切割机 的设计发展历史、研究现状以及发展趋势 题的背景 蓝宝石以其 良好的物理、化学和光学特性，在微电子、工业、国防、科研以及 片 底领域得到越来越广泛的作用。随着科学技术的不断发展，对于蓝宝石晶片的加工精度以及表面质量要求越来越高，因此蓝宝石的高效低损加工工艺成为阻碍蓝宝石工业发展的主要障碍。 内外研究现状及发展趋势 外研究现状 80 年代初期，国际商业机器公司 (先提出的化学机械抛光引入集成电路进行平坦化的制程工作。主要是通过适当的制程参数设计，利用一个抛光平台，配合适当的化学溶液，将晶片表面高低起伏不一的轮廓加以磨平。安永畅男使用不锈钢环抛光蓝宝石，发现蓝宝石界面与不锈钢形成了结构松软的固相化学反应层，蓝宝石表面具有镜面光泽，而且没有发现亚表面损伤的现象，并提出了机械化学抛光的概念。 人在进行蓝宝石超抛光的实验中，利用二氧化硅水溶液搭配上锡盘当研磨盘，首次观察到蓝宝石的残余表面粗糙度为 1于使用 磨粒而言，因为其硬度比蓝 宝石的要低，理论上并不具有去除蓝宝石表面的能力，但是实验结果却说明 光液具有去除蓝宝石表面材料的能力，利用此套仪器设备对蓝宝石进行抛光可获得比较好的表面粗糙度并认为在超抛光中，抛光液中直径 7胶羽状 过撞击移除了蓝宝石表面原子，并提出了一种新的抛光方法，浮法抛光法。 人在其研究成果上提出假设，他们认为是由于单纯的化学反应能移除蓝宝石表面的原子，而来自抛光过程摩擦产生的热是化学反应能够进浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 2 行的驱动力，并提出化学反应式为： 7222232 222 反应后生成物为高岭土，并可利用抛光液的流动特性将高岭土移除。 人使用直接接触法搭配上沥青抛光盘对蓝宝石进行超抛光，抛光结果均方根粗糙度值可达到 据 人证实的直接接触的想法的基础上，提出了“热液磨耗”的理论模型。最近几年，国际上一些知名的半导体及光电子技术公司纷纷投入了大量的资金去研究蓝宝石抛光，并取得了一定的成果，如美国、日本、德国以及俄罗斯等公司己经能 产业化生产 3 英寸的单晶蓝宝石，并且正在研发 4 英寸的技术。 内研究现状 随着第三代半导体材料的 推出，蓝宝石作为 重要的衬底材料之一，国内需求量处于日益增长。蓝宝石切割技术作为衬底材料加工的重要工序之一，目前在国内存在很多不足。如切割精度不足，生产效率低下，切割表面损伤较大等等 2 相比与国外，我国的起步比较晚， 20 世纪 80 年代才正式开始对蓝宝石进行研究开发，北京市光电子技术实验室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作为磨料对蓝宝石基片外延片减薄加工过程中，比较了在 不同的氮化硼磨料粒度对蓝宝石去除速率和表面粗糙度的影响，以及去除速率和表面粗糙度与研磨盘转速和研磨压力的关系，通过比较实验最终表面粗糙度可达到 江工业大学袁巨龙等人，研究讨论了蓝宝石化学机械抛光过程中的必备条件，并提出了相应的抛光机理。文章认为蓝宝石加工过程中， 即使蓝宝石与磨料在高速接触过的界面接触点的时间非常短，也能发生固相化学反应，生成 10 数量级厚度的化学反应层，且反应生成物与材料自身的结合力很低，在抛光过程中极易用磨粒的机械作用移除。河北工业大学王娟等人对蓝宝石晶片化学机械抛光液 进行了研制并对蓝宝石衬底片进行了化学机械抛光加工，确定了适宜蓝宝石化学机械抛光加工的条件： T=30 ， 在 9 和 13 之间，并得出采用大粒径、高浓度的 光液并且在抛光液中应加入适量添加剂，可以获得较高的材料去除率和较好的表面粗糙度。深圳奥普光电子有限公司发明了一种新的蓝宝石加工方法，叫固相反应湿式 工方法。该加工方法选取比蓝宝石硬度低的氧化物微粉作为磨料；在抛光中，氧化物磨料与蓝宝石接触，在接触点发生固相化学反应，生成结晶层；磨料通过机械接触把结晶层去除。通过实验结果表明用该抛光加工方法获得的 蓝浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 3 宝石表面基本没有任何损伤，获得了比较理想的加工表面，提高了抛光加工效率，降低了生产成本。 从上面国内外对蓝宝石的几种加工方法可以看出，对蓝宝石晶体的加工条件都比较特殊，虽然加工后得到的晶体表面精度能够达到使用的要求，但同时晶体表面也存在一定的缺陷，影响晶体的应用，因此开展对蓝宝石 工的研究，探索蓝宝石晶体的加工方法对其未来的应用也很重要。 1 2 研究的基本内容 1） 对蓝宝石切割机的执行系统进行设计，对装备图进行设计； 2） 对切割机夹具快速定心进行设计； 3） 对切削液循环系统进行设计。 本框架 蓝宝石切割机总共分为 4 部分：夹紧机构，驱动机构，执行机构，循环系统 将蓝宝石工件放置在工作台上，利用夹具将其夹紧，用带锯进行切割，通过控制系统来控制带锯的走到路径，不停地用切削液对切割区域进行冲刷，将切割时产生的宝石粉末冲掉，从工作台的孔中流入沉淀池，对含有宝石粉末的切削液进行沉淀，从而使切削液循环使用，也可以对宝石粉末进行回收利用 夹紧部分：利用夹具对工件进行紧固，使工件在切割时不会发生偏移。 驱动部分：用一台三相异步电动机来为带锯提供动力，使锯高速转动。 执行部分：用两台步进电机来分别控制金刚石带锯的 横纵走向，来实行根据不同要求来完成不同的走刀路线。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 4 究的重点和难点 1） 夹锯现象的出现 2） 锯切单晶硅表面缺陷 3） 切削液的循环与宝石粉末的回收 解决的关键问题 1) 所设计的蓝宝石切割机使用带锯进行切割； 2) 保证带锯行进与路线切向一致； 3) 被切材料快速定心夹紧； 4) 切削液回收。 3 研究的方法及措施 献归纳法 通过上网或在图书馆查阅各种相关文献 依据现有的 科学理论 和实践的需要，提出设计，利用科学仪器和设备，在自然条件下，通过有目的有步骤地操纵，根据观察、记录、测定与此相伴随的现象的变化来确定条件与现象之间的 因果关系 。 证分析法 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 5 找到国内外各类蓝宝石切割机，以实际案例为基础，分析各类宝石切割机的优缺点，归纳总结。 4 预期成果 1） 论文： 10000 字以上。 2） 蓝宝石切割机的 装配图。 5 研究工作进度计划 （ 1） 完成前期准备材料 （ 2） 完成结构设计 （ 3） 完成 切削液循环 （ 4） 完成总体设计 （ 5） 完成设计说明书、准备答辩 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 6 参考文献 1 吴健 ；蓝宝石 工机理与工艺技术的研究 D浙江 2 张彬 ；蓝宝石精密切割装置控制系统设计 D. 黑龙江大学 . 黑龙江 2012 3 蔡二辉 ,汤斌兵 ,周浪 . 金刚石线锯切割晶体硅模式研究 J. 南昌大学学报 (工科版 ). 2011(02) 4 黄波 ,高玉飞 ,葛培琪 . 金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析 J. 金刚石与磨料磨具工程 . 2011(01) 5 金成毅 ; 熊瑞平 制的石材切割机的液压系统 J动 6 李艳丽 ;赵东杰 7 吕文利 ;王理正 ;刘嘉宾 J8 吕 智 ;郑 超 J9 钟康民 ;窦云霞 ;李欣 ;王传洋 J机电工程学院 10 胡金成 ;陈霁恒 ;陈淳辉 ;孙从科 J11 郭瑞洁 D12 汤睿 D13 朱荣钱 ;朱永升 ;于艾华 ;王振利 J器厂 14 15 J 毕业设计（论文） 文 献 综 述 蓝宝石切割机 1 前言 蓝宝石，是 刚玉 宝石中除红色的 红宝石 之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是 氧化铝 （ 工业用蓝宝石是军用车辆用作透明装甲的材料，除钻石以外，蓝宝石的硬度 强于其他任何天然材料。它比“ 大猩猩玻璃 ”硬三倍，耐划伤性也高三倍左右。由于它出色的性能，被广泛应用到各个领域。随着蓝宝石的应用越来越频繁，对其切割方法与设计的要求也越来越高。以方法分类，切割蓝宝石的宝石切割机大致分为两种：一种是用电弧切割，另一种是用金刚石带锯切割。电弧切割成本较高，带锯切割成本低但是精度较低。 蓝宝石切割机的优点是能快速获得我们所需要的形状的宝石工件。本文简要的阐述了蓝宝石切割机的发 展历史、研究现状以及发展趋势。 2 国内外研究现状 外研究现状 80 年代初期，国际商业机器公司 (先提出的化学机械抛光引入集成电路进行平坦化的制程工作。主要是通过适当的制程参数设计，利用一个抛光平台，配合适当的化学溶液，将晶片表面高低起伏不一的轮廓加以磨平。安永畅男使用不锈钢环抛光蓝宝石，发现蓝宝石界面与不锈钢形成了结构松软的固相化学反应层，蓝宝石表面具有镜面光泽，而且没有发现亚表面损伤的现象，并提出了机械化学抛光的概念。 人在进行蓝宝石超抛光的实验中，利用二氧化硅水溶 液搭配上锡盘当研磨盘，首次观察到蓝宝石的残余表面粗糙度为 1于使用 磨粒而言，因为其硬度比蓝宝石的要低，理论上并不具有去除蓝宝石表面的能力，但是实验结果却说明 光液具有去除蓝宝石表面材料的能力，利用此套仪器设备对蓝宝石进行抛光可获得比较好的表面粗糙度并认为在超抛光中，抛光液中直径 7胶羽状 过撞击移除了蓝宝石表面原子，并提出了一种新的抛光方法，浮法抛光法。 人在其研究成果上提出假设，他们认为是由于单纯的化学反应能移除蓝宝石表面的原子，而来自 抛光过程摩擦产生的热是化学反应能够进行的驱动力，并提出化学反应式为： 7222232 222 反应后生成物为高岭土，并可利用抛光液的流动特性将高岭土移除。 人使用直接接触法搭配上沥青抛光盘对蓝宝石进行超抛光，抛光结果均方根粗糙度值可达到 据 人证实的直接接触的想法的基础上，提出了“热液磨耗”的理论模型。最近几年，国际上一些知名的半导体及光电子 技术公司纷纷投入了大量的资金去研究蓝宝石抛光，并取得了一定的成果，如美国、日本、德国以及俄罗斯等公司己经能产业化生产 3 英寸的单晶蓝宝石，并且正在研发 4 英寸的技术。 内研究现状 随着第三代半导体材料的 推出，蓝宝石作为 重要的衬底材料之一，国内需求量处于日益增长。蓝宝石切割技术作为衬底材料加工的重要工序之一，目前在国内存在很多不足。如切割精度不足，生产效率低下，切割表面损伤较大等等 2 相比与国外，我国的起步比较晚， 20 世纪 80 年代才正式开始对蓝宝石进行研究开发， 北京市光电子技术实验室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作为磨料对蓝宝石基片外延片减薄加工过程中，比较了在不同的氮化硼磨料粒度对蓝宝石去除速率和表面粗糙度的影响，以及去除速率和表面粗糙度与研磨盘转速和研磨压力的关系，通过比较实验最终表面粗糙度可达到 江工业大学袁巨龙等人，研究讨论了蓝宝石化学机械抛光过程中的必备条件，并提出了相应的抛光机理。文章认为蓝宝石加工过程中， 即使蓝宝石与磨料在高速接触过的界面接触点的时间非常短，也能发生固相化学反应，生成 10 数量级厚度的化学反应层，且反应生成物与材料 自身的结合力很低，在抛光过程中极易用磨粒的机械作用移除。河北工业大学王娟等人对蓝宝石晶片化学机械抛光液进行了研制并对蓝宝石衬底片进行了化学机械抛光加工，确定了适宜蓝宝石化学机械抛光加工的条件： T=30 ， 在 9 和 13 之间，并得出采用大粒径、高浓度的 光液并且在抛光液中应加入适量添加剂，可以获得较高的材料去除率和较好的表面粗糙度。深圳奥普光电子有限公司发明了一种新的蓝宝石加工方法，叫固相反应湿式 工方法。该加工方法选取比蓝宝石硬度低的氧化物微粉作为磨料；在抛光中，氧化物磨料与蓝宝石接触，在接 触点发生固相化学反应，生成结晶层；磨料通过机械接触把结晶层去除。通过实验结果表明用该抛光加工方法获得的蓝宝石表面基本没有任何损伤，获得了比较理想的加工表面，提高了抛光加工效率，降低了生产成本。 从上面国内外对蓝宝石的几种加工方法可以看出，对蓝宝石晶体的加工条件都比较特殊，虽然加工后得到的晶体表面精度能够达到使用的要求，但同时晶体表面也存在一定的缺陷，影响晶体的应用，因此开展对蓝宝石 工的研究，探索蓝宝石晶体的加工方法对其未来的应用也很重要。 单晶蓝宝石具有良好的物理、化学和光学特性，在微电子、工业 、国防、科研以及 片 底领域得到越来越广泛的作用。随着科学技术的不断发展，对于蓝宝石晶片的加工精度以及表面质量要求越来越高，因此蓝宝石的高效低损加工工艺成为阻碍蓝宝石工业发展的主要障碍。 1 传统上一般晶棒 / 锭切成片状的方式是内圆切割，间，加工效率较低，材料损耗大，出片率低，晶片表面质量较低 ,难以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且随着晶圆直径的增大和第三代半导体材料的出现，内圆切割加工受到其本身结构的 限制使得切片切割过程逐渐困难，所以内圆锯片切割的加工方式在第三代半导体材料和大直径大批量晶片生产中逐渐被边缘化。 20 世纪 90 年代发展起来的线切割技术的成熟应用，成功地满足了大片径、低损耗和相对较高表面质量的晶片切割需要。线切割晶圆技术刚开始是运用游离磨粒的方式，也就是利用线带动游离磨粒（如碳化硅等），传统的金属切割线如图 1所示，使在工件和线中间的磨粒对工件进行磨切割。但是游离磨粒的缺点在于，因为磨粒和工件实际接触到的面积较小，造成材料移除率较小，所以需要较长的加工时间；而另外一个缺点在于，如须 加工更硬、更难以切割的工件（如蓝宝石、碳化硅），则游离磨粒的方式将难以对工件的表面达到预期的切割。为了改善上面的缺点，切割碳化硅、蓝宝石等硬度大的材料，固定金刚石磨料线切割技术应运而生，这种加工技术通常是使用电镀的方法将金刚石磨料固定在钢丝表面（如图 2 所示） ,加工过程中锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行磨削加工 , 相比游离磨料多线锯的 三体加工 ,它属于 二体加工 ，其加工效率是游离磨料多线锯的数倍以上。金刚石单线切割机以其独特的优势成为第三代半导体硬脆材料和大直径材料切割中不可或 缺的一部分。 7 针对蓝宝石表面情况先用夹具准确夹住蓝宝石工件，然后利用金刚石带锯进行切割，利用 制三相异步电机或液压系统完成走刀路径，完成后利用切削液冲洗工件表面并对切削液进行回收，进入沉淀池使切削液中的宝石粉末沉淀进行回收利用并使切削液能重复冲洗宝石工件表面。 图 2是采用几种不同工艺参数组合锯切的单晶硅表面形貌的 图 2可以看出 , 电镀金刚石线锯锯切单晶硅的表面缺陷 , 主要有较长较深的沟槽、较浅的断续划痕、材料脆性去除留下的表面破碎 及个别较大较深的凹坑。 锯切过程中锯丝为往复式运转 , 当锯丝要换向运转时 , 此时线速为零 , 而工件依然在进给 , 锯丝弹性变形增大 , 使此时的锯切力变大 , 因此锯切表面容易产生较深沟槽 。锯丝上磨粒凸出高度不均或黏附在锯丝上的切屑随锯丝运动时 , 在加工表面会产生沟槽和划痕 ; 再就是锯丝随机的振动 , 会导致金刚石磨粒在料表面任意地产生断续划痕。一些较浅的划痕也可能是个别出露高度低磨粒进行塑性域切削的结果。工件表面残留大量的破碎凹坑 , 呈弹坑状的表面形貌 , 可说明材料主要是在脆性方式下去除 , 切屑的形成是裂纹扩展 交叉的结果 , 材料最终以微观与宏观破碎的块状去除。显然 , 破碎凹坑对锯切表面亚表面的损伤程度要大于表面划痕。 硅片切割表面上存在个别较大较深的凹坑 , 见图 2b, 可能是由于在切割过程中 , 脱落的金刚石磨粒被挤压嵌入加工表面所造成 , 对材料表面和亚表面质量的损害更为严重。 图 2锯切硅片表面缺陷特征 图 2中以 01断面加工为例，带锯沿进给方向从点 切到 时就有产生夹锯的趋势，此时从点 口将逐渐变小，若想继续切割可在外沿点需用力敲打 进去 )，当切到点 楔所受夹紧力最大，取下相当困难，而锯条往往在该位置被夹住，既无法前进，也难以后退，若遇到这种现象处理起来相当麻烦，既费时又费力，锯条还可能断裂。 13 图 2带锯切割过程示意图 参考文献 1 吴健 ；蓝宝石 工机理与工艺技术的研究 D浙江。 2012 2 张彬 ；蓝宝石精密切割装置控制系统设计 D. 黑龙江大学 . 黑龙江 2012 3 蔡二辉 ,汤斌兵 ,周浪 J工科版 )4 黄波 ,高玉飞 ,葛培琪 J. 金刚石与磨料磨具工程 . 2011(01) 5 金成毅 ; 熊瑞平 制的石材切割机的液压系统 J6 李艳丽 ;赵东杰 7 吕文利 ;王理正 ;刘嘉宾 J8 吕 智 ;郑 超 J9 钟康民 ;窦云霞 ;李欣 ;王传洋 J机电工程学院 10 胡金成 ;陈霁恒 ;陈淳辉 ;孙从科 J11 郭瑞洁 D12 汤睿 D13 朱荣钱 ;朱永升 ;于艾华 ;王振利 J唐山 14 15 J 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 业设计 (论文 ) 题 目： 单击此处添加论文题目 学生姓名 姓名 学 号 学号 专业班级 专业班级 二级学院 二级学院 指导教师 （职称） 指导教师（职称） 年 月 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 信承诺书 本人谨此承诺，本人所写毕业设计（论文）均由本人独立撰写，无任何抄袭行为。凡涉及他人的观点材料，均作了注释。如出现抄袭或侵犯他人知识产权的情况，愿承担由此引起的任何责任，并接受相应的处分。 学生签名： 年 月 日 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 中 文摘要 I 单击此处添加毕业论文中文题目 单击此处添加中文副标题 【摘要】 单击此处添加中文摘要 【关键词】 单击此处添加中文关键词 ， 单击此处添加中文关键词 ， 单击此处添加中文关键词 ， 单 击 此 处 添 加 中 文 关 键 词 ，单击此处添加中文关键词 以下是说明文字，正式成文后请删除。 1、模板的使用方法 （ 1）请不要删除任何具有格式的模板文字。 （ 2）按照提示直接单击或单击后选择“编辑”“选择性粘贴” “无格式文本”就可添加相应 内容。 2、题目的确定 题目应简短、明确、有概括性，用极为精炼的文字把论文的主题或总体内容表达出来，能反映论文内容、专业特点和学科范畴，且涵盖的内容不宜过大。字数一般不超过 24 字 ，必要时可加副标题，副标题的字数一般不超过题目的字数。 3、摘要的撰写 摘要反映了毕业设计（论文）的主要信息，以浓缩的形式概括说明研究目的、内容、方法、成果和结论，具有独立性和完整性。中文摘要一般为 300 字左右，不含公式、图表和注释。论文摘要应采用第三人称的写法，力求文字精悍简练。 摘要通常包括： （ 1）毕业设计（论文）所研究问题的 意义（通常一句话概括）。 （ 2）毕业设计（论文）所研究的问题（通常一两句话概括）。 （ 3） 对 论文中有新意部分（观点、方法、材料、结论等）的明确概括。 （ 4）结果的意义。 4、关键词的选择 关键词是供检索用的主题词条，应采用能覆盖毕业设计（论文）主要内容的通用技术词条（参照相应的技术术语标准）。关键
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