專利名稱：用于電子工業(yè)中的磨料切片工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磨料技術(shù)，并且更具體地涉及用于對電子工業(yè)中所使用的材料如芯片 規(guī)模的包裝(包括球柵陣列)進行切片、以及用于對硬質(zhì)陶瓷材料如氧化鋁、玻璃、鐵氧體、 硅、碳化硅和石英進行切片的研磨工具以及技術(shù)。
背景技術(shù)：
含磨料的基于銅-錫的金屬粘結(jié)劑在電子設(shè)備的切片和切粒工業(yè)中是普遍已知 的。正如進一步所知，可以向粘結(jié)劑混合物中添加合金化元素，如鎳、鐵、鈦、以及鉬，來改進 此類銅-錫系統(tǒng)的耐磨性以便得到更長的磨輪壽命。除了改進磨輪壽命之外，這些合金化 元素還可以改進磨料結(jié)構(gòu)的硬度和鋼度。作為銅-錫粘結(jié)劑系統(tǒng)的一種替代物，已經(jīng)使用鎳基磨料結(jié)構(gòu)用于改進的耐久性 和剛度。例如，美國專利號3，886，925披露了一種切削磨輪，它帶有一個由鎳溶液靜電沉積 得到的高純度鎳所形成的磨料層，這些鎳溶液具有懸浮于其中的精細分開的磨料。美國專利號6，056，795和6，200, 208描述了多個磨輪，其中一種燒結(jié)的金屬粘結(jié) 劑包括一種金屬組分，如鉬、錸和鎢(該‘795專利)；或一種活性金屬如鈦、鋯、鉿、鉻、和鉭 (該‘208專利)，在燒結(jié)時它與這些磨料顆粒形成了一種化學(xué)結(jié)合從而改善了該磨輪的彈 性模量值。歸功于活性金屬的合金化，金剛石的保留得到增強，從而導(dǎo)致了磨輪壽命的改 進。在電子設(shè)備切片工業(yè)中令人希望的其他特征包括切削輪自修飾(self-dressing) 以及在較低功率下運行的能力。概括地，一種磨料結(jié)構(gòu)的自修飾能力可以通過將磨料的磨 損率與粘結(jié)劑的磨損率相匹配而實現(xiàn)。這有時候可以通過添加元素如銀、或者通過摻入軟 性填充劑如石墨和六方氮化硼而完成。另一種技術(shù)是通過添加填充劑如碳化硅和氧化鋁、 和/或通過在粘結(jié)劑中誘導(dǎo)孔隙性來使該微結(jié)構(gòu)變脆。雖然此類改性可以改進磨輪的自修 飾能力，但是可能有損該磨輪的其他特性。在此情況下，在研磨工具的設(shè)計中必須考慮許多 非輕微的對抗性因素。因此，對于用于研磨工具的著手解決了此類因素的基于金屬的粘結(jié)劑系統(tǒng)存在一 種需要。發(fā)明概述本發(fā)明總體上涉及金屬粘結(jié)的磨料工具如切片輪以及用于生產(chǎn)它們的方法。本發(fā) 明的多方面涉及一種粘結(jié)劑，它導(dǎo)致了工具和物品是硬質(zhì)的、耐久的并且自修飾的。在一個實施方案中，本發(fā)明是針對一種金屬粘結(jié)的研磨工具，它包括多個磨料顆 粒、一種金屬粘結(jié)劑組合物，該組合物包括鎳、錫以及一種預(yù)合金的青銅，該青銅存在于在 結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的一個相中。該工具擁有小于約20體積總％的孔隙性。任選地，該工具可以包括一種填充劑。在另一個實施方案中，本發(fā)明是針對用于生產(chǎn)一種金屬粘結(jié)的研磨工具的方法， 該方法包括將多個磨料顆粒與一種金屬粘結(jié)劑組合物(包括鎳、錫和一種預(yù)合金的青銅) 進行組合、將該組合的磨料顆粒與金屬粘結(jié)劑組合物形成為一個成型本體、將該成型本體 進行燒結(jié)以產(chǎn)生該金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬粘結(jié)的研磨工具擁有小于約20%的總 孔隙性?？梢匀芜x加入一種填充劑，例如在形成該成型本體之前。在一個另外的實施方案中，本發(fā)明是針對一種金屬粘結(jié)的磨料物品，該物品包括 一種粘結(jié)劑基體，該粘結(jié)劑基體具有基于該工具的總體積而言小于約20體積％的孔隙性。 在該粘結(jié)劑基體中存在的一種金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)或組合物包括、基本上由之組成、或者由之 組成的是三種組分(i)具有的熔點在從約1100攝氏度(°C )至約1600°C范圍內(nèi)的一種金 屬或合金；(ii)具有的熔點為小于約700°C的一種組分，所述組分能夠形成一個全部或部 分溶于(i)中的金屬或合金中的瞬時液相；以及(iii)具有的熔點小于約800°C的一種預(yù) 合金的組分，它形成了一個具有基本上連續(xù)的微結(jié)構(gòu)的相。該粘結(jié)劑基體可進一步包括一 種填充劑。在優(yōu)選的實現(xiàn)方式中，該粘結(jié)劑基體包括在該磨料物品中存在的所有孔隙性。在又一個實施方案中，本發(fā)明是針對生產(chǎn)一種磨料物品例如像切片輪的方法。該 方法包括形成一種成型本體，該成型本體包括多個磨料顆粒、以及如上所述的金屬粘結(jié)劑 組合物；并且將該成型本體致密化(例如通過燒結(jié))以生產(chǎn)出該磨料物品。優(yōu)選地，該磨料 物品具有小于約20體積百分比的孔隙性。在一些實施方案中，將這些磨料顆粒、金屬粘結(jié) 劑組合物或組合的磨料顆粒與粘結(jié)劑組合物進一步與一種填充劑進行組合。本發(fā)明特別好地適合用于電子工業(yè)中的研磨應(yīng)用，特別是在切片球柵陣列中或者 適合于加工其他硬質(zhì)以及脆性陶瓷例如像氧化鋁，并且具有許多優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的多個 實施方案制造的工具包括一種硬還脆的粘結(jié)劑、具有長的工具壽命以及自修飾的特性。它 們能夠以可接受的功率進行研磨并且給出了關(guān)于碎屑以及從上到下的錐體而言的可接受 的切削質(zhì)量。該工具可以使用廣泛可得的材料以及熟知的技術(shù)來有成本效益地進行制造。 可以采用一定范圍的磨料顆粒尺寸和類型來生產(chǎn)具有不同質(zhì)量水平的工件。在其中至少一 部分磨料(如金剛石)顆粒具有一個金屬涂層的這些工具展現(xiàn)出了增強的砂礫截留性以及 耐久性。在此描述的特征和優(yōu)點并非一覽無遺的，具體地講，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將通 過閱讀附圖、說明書以及權(quán)利要求書而清楚許多另外的特征和優(yōu)點。此外，應(yīng)指出在本說明 書中使用的語言主要是為可讀性和指導(dǎo)性目的而進行選擇的，而不是為了限制本發(fā)明主題 的范圍。附圖簡要說明

圖1展示了一張低放大倍率的SEM照片，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案構(gòu)造 的一種Ni-Sn-青銅的粘結(jié)劑系統(tǒng)。圖2展示了一張SEM照片，示出了圖1的Ni-Sn-青銅粘結(jié)劑中的一種澆鑄的青銅結(jié)構(gòu)。圖3展示了一張低放大倍率的SEM照片，示出了一種常規(guī)的Ni-Sn-Cu粘結(jié)劑系統(tǒng)。圖4展示了一張SEM照片，示出了圖3的Ni-Sn-Cu粘結(jié)劑中的一種欠燒結(jié)的青銅結(jié)構(gòu)。圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的一種磨輪的SEM照片。優(yōu)選實施方案的詳細說明金屬粘結(jié)的磨料物品總體上的特征是一種三維結(jié)構(gòu)，其中磨料顆?；蛏暗[被保持 在一種粘結(jié)劑基體之中。如前面指出的，在研磨工具的設(shè)計中必須考慮許多非輕微的對抗 性因素。例證了磨輪壽命、耐磨性、硬度以及磨輪剛度之間的關(guān)系的一種示例性情況可以在 一個磨輪由于改善的砂礫截留性并且由于活性金屬合金化的結(jié)果而展現(xiàn)出增強的剛度和 延長的磨輪壽命的情況下找到(如美國專利號6，200，208中所描述的)。這樣一種活性金 屬的添加改善了金剛石與粘結(jié)劑之間的結(jié)合強度，由此允許金剛石在該粘合劑中被保持更 長的持續(xù)期。雖然這種延長的顆粒保持性在使用一種脆性顆粒時可以是有益的，但它可能在使 用一種塊狀顆粒時導(dǎo)致研磨力的增大。這是因為塊狀顆粒在研磨過程中并不出現(xiàn)微裂縫， 由此導(dǎo)致了由于在工件上拖動鈍顆粒所造成的研磨功率上的一種潛在的不可接受的增大。 因此，所希望的是一種硬質(zhì)但易碎的粘結(jié)劑，這將不僅是耐久的且能夠延長磨輪壽命，而且 還將展示出自修飾行為(適時釋放磨透的顆粒)并且能夠以較低或另外的可接受的功率下 進行研磨。在此披露一種用于研磨工具的粘結(jié)劑基體，它使能得到長的工具壽命以及適當(dāng)程 度的耐磨性。此外，該粘結(jié)劑基體賦予了自修飾的能力。該粘結(jié)劑基體可以用于例如配置 用于電子工業(yè)的研磨工具，如用于切片球柵陣列(BGA)的1A8輪中并且用于其他工具如磨 輪、磨石工具、另一種金屬粘結(jié)的磨料物品中。該粘結(jié)劑基體包括一種金屬粘結(jié)劑組合物(在此也稱為“系統(tǒng)”)、孔隙性、以及任 選地一種填充劑。在該金屬粘結(jié)劑組合物或系統(tǒng)中存在有如下三種組分(i)具有的熔點在從約 1100攝氏度(V )至約1600°c范圍內(nèi)的一種金屬或合金；(ii)具有的熔點為小于約700°C 的一種組分，所述組分能夠形成一個全部或部分溶于(i)中的金屬或合金中的瞬時液相； 以及(iii)具有的熔點為小于約800°C的一種預(yù)合金的組分，所述預(yù)合金組分形成了一個 具有基本上連續(xù)的微結(jié)構(gòu)的相。該第一組分(即具有的熔點在從約1100攝氏度(°C )至約1600°C范圍內(nèi)的金屬 或合金)的實例包括鎳、鈷、鐵、錳、硅、含有這些與其它金屬的合金以及其他金屬或它們的 合金。在特定實例中，該第一組分具有的熔點在從約1100至約1600的范圍內(nèi)、優(yōu)選在從約 1100至約1480的范圍內(nèi)。該第二組分(即具有的熔點小于約700°C并且能夠形成一個基本上全部或部分溶 于第一組分的金屬或合金中的瞬時液相的這個組分)的實例包括多種金屬例如像錫、鋅、 鋁、銦、鉍、銻、它們的組合等等。在特定實例中，該第二組分具有的熔點是小于約700、優(yōu)選 小于約500。該第三組分是一種預(yù)合金、具有的熔點為小于約800°C并且在物品中是作為一個 結(jié)構(gòu)上連續(xù)的相存在。適當(dāng)?shù)膶嵗ǖ幌抻阢~-錫、銅-鋅、銅-錫-磷、銅-錫-鋅 以及其他組合。在特定實例中，該第三組分具有的熔點是小于約800、優(yōu)選小于約700。如在此使用的，術(shù)語“連續(xù)的”是指一種三維網(wǎng)絡(luò)。一個連續(xù)相可以是或可以不是完全致密的。它可以包括孔隙性和/或填充劑。在一種如上所描述的三組分基體中，如果 在例如通過選擇性地浸取而去除第一和第二組分之后，所留下的結(jié)構(gòu)骨架保持完整或在一 起，那么該第三組分相是連續(xù)的。在這里所描述的物品中，在一個基本上連續(xù)的相中可以存 在多于一種的組分。該金屬粘結(jié)劑組合物或系統(tǒng)可以包括、基本上由之組成、或由之組成的是組分 ⑴、(ii)和(iii)?；谶@三種組分的總重量，即，該金屬粘結(jié)劑組合物的總重量，組分(i)可以存在 的量值是在從約20重量％至約94. 9重量％的范圍內(nèi)；組分(ii)可以存在的量值是在從約 5重量％至約60重量％的范圍內(nèi)；并且組分(iii)可以存在的量值是在從約0.1重量％至 約50重量％的范圍內(nèi)。該粘結(jié)劑基體可進一步包括一種填充劑。一般填充劑并不與該金屬粘結(jié)劑系統(tǒng) 中的其他組分進行合金化，并且它們的物理和化學(xué)特性或狀態(tài)在制造過程中保持不變。適 當(dāng)?shù)奶畛鋭┑膶嵗ɡ缣蓟铩⒀趸?、硫化物、氮化物、硼化物、石墨、它們的組合等 等。在許多情況下，填充劑是在1200°C以上熔化的化合物。如同硬質(zhì)填充劑一樣，可以采用軟性填充劑?？梢蕴砑榆浶蕴畛鋭├缦袷⒘?方氮化硼或本領(lǐng)域中已知的其他的，例如來改善自修飾特性并且減小研磨過程中抽取的功 率?？梢蕴砑佑操|(zhì)填充劑例如像碳化鎢、碳化硅、氧化鋁等等，例如來改善耐磨性和/或磨 輪壽命。該粘結(jié)劑基體可以結(jié)合磨料顆粒如超級磨料像天然或合成金剛石、立方氮化硼 (CBN)或本領(lǐng)域中已知的其他磨料材料如氧化鋁、碳化硅、碳化硼或磨料顆粒的組合而使 用，用來形成一種研磨工具如磨輪，像切片輪，或其他工具像晶片減薄磨料、磨石棒、圓柱形 研磨輪以及其他。在一個實例中，至少一些磨料顆粒具有一個涂層，該涂層包括一種金屬或 其合金?？梢杂脕硗扛材チ项w粒(例如金剛石顆粒)的適當(dāng)材料包括銅、鎳、銀、鈦、鎢、鉻、 硅、它們的組合或合金。包括一個金屬涂層的顆粒是商業(yè)上得到的，例如在RJKlCu、RVG-D 以及MBM-Ti的名稱下從Diamond Innovations, fforthington, OH可獲得?？梢允褂闷渌?類型的金屬涂覆的顆粒。也可以采用團聚的磨料顆粒，如在例如于2007年10月2日授予 Bormer等人的美國專利號7，275，980中所描述的，其傳授內(nèi)容通過引用以其全文結(jié)合在 此。團聚的顆?？赡軐嵸|(zhì)性地不含孔隙性或者可以進而是多孔的?？梢赃x擇任何適當(dāng)?shù)哪チ项w粒粒度，這取決于應(yīng)用、工具特性、制造工藝以及其他 考慮。例如，用于制造切片輪的磨料顆粒的粒度可以是在從約2微米(μπι)至約120μπι的 范圍內(nèi)。在特別的實施方案中，該物品例如工具擁有較低的孔隙性，例如按體積計約20% 或更小的總孔隙性。根據(jù)本發(fā)明的金屬粘接的磨料物品可以具有小于10體積％的總孔隙 性、小于2體積％的總孔隙性、或者可以是完全或基本上完全致密的。在許多實現(xiàn)方式中， 該粘結(jié)劑基體包括在該磨料物品中存在的所有孔隙性?？紫缎钥梢栽谥圃爝^程中傳遞給研磨工具(固有孔隙性)，是通過選擇特定的顆 粒和/或粘結(jié)劑材料、制造(如壓制)條件、進行一種不及完全的致密化等等；和/或通過 使用誘導(dǎo)孔的材料，如玻璃或塑料空心球、殼如胡桃殼、在用來形成該工具的加熱步驟中被 燒掉的有機化合物、可以浙濾出的分散體材料、以及本領(lǐng)域中已知的其他孔誘導(dǎo)劑。如果沒有采用孔誘導(dǎo)劑，則該工具的總孔隙性和它的固有孔隙性是相同的。在本發(fā)明的一些實現(xiàn)方式中，該工具中存在的固有孔隙性不均勻地分布在這多個 相的至少兩個之間。如在此使用的，短語“不均勻地分布”是指在一個或多個相中存在固有 孔隙性，而至少一個其他的相包括非常小的固有孔隙性或沒有固有孔隙性。根據(jù)本發(fā)明的 多個實施方案的一種工具還可以在兩個或多個相之間具有一種均勻或?qū)嵸|(zhì)性均勻分布的 孔隙性。在特定實例中，在該預(yù)合金的相中不存在或?qū)嵸|(zhì)性不存在孔隙性。在其他實例中， 該預(yù)合金的相包括孔隙性。根據(jù)本發(fā)明的物品可以包括量值在從約5體積％至約40體積％的范圍內(nèi)、例如在 從約5體積％至約25體積％的范圍內(nèi)的磨料顆粒；在從約沈體積％至約95體積％的范圍 內(nèi)、例如從約50體積％至約80體積％的一種金屬粘結(jié)劑(包括以上描述的這三種組分)； 在從約0至約20體積％的范圍內(nèi)、例如在從約0至約10體積％的范圍內(nèi)的孔隙性；以及量 值在從約0至約15體積％的范圍內(nèi)、例如從約0至約10體積％的填充劑。本發(fā)明的磨料物品優(yōu)選具有在約維氏硬度計60kg/mm2至約維氏硬度計400kg/mm2 的范圍內(nèi)的粘結(jié)劑基體硬度，所用荷載為100克(g)。本發(fā)明的一個實例采用了一種金屬粘結(jié)劑組合物或系統(tǒng)，它賦予了一種工具(如 磨輪)多種特性如耐久性、耐磨性、剛度、優(yōu)化的斷裂韌性和脆性，從而產(chǎn)生了改進的磨輪 壽命以及以較低研磨功率或力進行研磨的能力，如下面進一步描述的。在本發(fā)明的優(yōu)選方面，該金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)由之組成、基本上由之組成、或者包括 (i)鎳、(ii)錫以及(iii)青銅。術(shù)語“青銅”總體上是指錫和銅的一種合金或包括錫和銅 的一種合金。例如，一種青銅可以包括錫、銅和磷，其中磷在該青銅中存在的量值是小于約 12重量％。該組分(ii)錫是指金屬的或元素錫并且與該預(yù)合金的青銅中存在的錫區(qū)分開。這三種組分中的任一種或全部都能以粉末形式提供。典型的中值粒徑可以是例如 對于鎳而言是在從0. 5 μ m約至約50 μ m的范圍內(nèi)，例如從約1 μ m至約20 μ m ；對于錫而言 是從0. 5 μ m約至約50 μ m,例如從約1 μ m至約20 μ m ；并且對于青銅而言是從約1 μ m至約 50 μ m,例如從約10 μ m至約50 μ m。該鎳-錫-青銅系統(tǒng)可以例如結(jié)合金剛石磨料或結(jié)合其他磨料或超級磨料材料、 結(jié)合涂覆的磨料或結(jié)合磨料團聚體一起使用，如以上描述的那些。在一個實例中，該工具是 使用粒度在從約2微米至約120微米的范圍內(nèi)的金剛石顆粒制造的。也可以采用其他磨料 顆粒尺寸，例如在從約2 μ m至約100 μ m或從約20 μ m至約60 μ m的范圍內(nèi)。在一個實現(xiàn)方式中，該金剛石和鎳-錫-青銅粘結(jié)劑系統(tǒng)工具被配置為一種1A8 切片輪。該青銅是預(yù)合金的并且具有按重量百分比計從大約75 25至大約40 60的 銅-錫比。當(dāng)通過如掃描電子顯微術(shù)(SEM)、透射電子顯微術(shù)(TEM)、光學(xué)顯微術(shù)、能量色散 光譜學(xué)(EDQ或本領(lǐng)域中已知的其他的技術(shù)進行觀察時，該工具擁有兩個或更多的相，在 此也稱為“多個相”。可以基于這些相的微結(jié)構(gòu)而將它們彼此區(qū)分開。例如，使用鎳、錫和青 銅(預(yù)合金的銅和錫)而制造的一種工具典型地將具有不同組成和/或不同孔隙性的多個 相。一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)可以包括從約20至約94. 9重量百分比的鎳，例如從約10 至約70重量百分比的鎳；從約0. 01至約60重量百分比的錫，例如從約5至約40重量百分比的錫；以及從約0. 01至50重量百分比的青銅，例如從約0. 01至約40重量百分比的青 銅，其中，該青銅具有的銅-錫比是按重量百分比計從約75 25至40 60。一種示例性 工具是實質(zhì)性致密化的，例如通過燒結(jié)，并且被配置為具有小于20體積％的總的固有孔隙 性(并且無誘導(dǎo)孔隙性)。另一種示例性工具擁有的總孔隙性是小于約10，例如小于約2 體積％。在又一種情況下，該工具是完全致密化的，基本上不含孔隙性。在一些情況下，固有孔隙性限于最終工具的鎳和錫相，而該青銅相是一個連續(xù)相， 展現(xiàn)出極小的固有孔隙性或沒有固有孔隙性。不希望束縛于任何具體解釋，相信在青銅相 或另一種預(yù)合金的組分的相中可以不存在孔隙性或孔隙性處于減小的水平，因為該青銅 典型地是通過使液體銅和錫霧化而形成的，從而產(chǎn)生了一種致密的青銅粉末。因此，當(dāng)該 三組分的金屬粘結(jié)劑在例如熱壓制過程中熔化時，該青銅相形成了一種澆注的結(jié)構(gòu)(cast structure)并且孔隙性仍被限制(或幾乎限制)在非青銅區(qū)域，例如鎳和/或錫區(qū)域。在其他例子中，該預(yù)合金的相包含孔隙性，例如是固有孔隙性。在一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)與一種鎳-錫-銅元素的粘結(jié)劑系統(tǒng)(它未采用一種預(yù) 合金的錫和銅的組合，即，青銅)之間進行區(qū)分可以基于該工具的微結(jié)構(gòu)而進行。例如，一 種元素制造的磨輪可以包含(i) 一個帶有溶解的錫的鎳相，以及(ii) 一個帶有溶解的錫的 銅相，其中在每個這些相中都出現(xiàn)了孔隙性。相比之下，固有孔隙性僅僅在根據(jù)本發(fā)明的一 個實施方案制造的磨輪的鎳和錫相中出現(xiàn)，而青銅相基本上展示出無孔隙性。出乎意料地，根據(jù)本發(fā)明的多個實施方案制造的一種工具與未使用一種預(yù)合金的 青銅并且不具有相同組分百分比的鎳-錫-銅粘合劑的元素組成而制造的一種工具表現(xiàn)得 不相同。更詳細地說，根據(jù)本發(fā)明的多個實施方案的配置有預(yù)合金的青銅的工具以相當(dāng)?shù)?或更好的切削速率展現(xiàn)出了更低的磨輪磨損率以及研磨功率、并且此外生產(chǎn)出了具有相當(dāng) 或更好質(zhì)量的部件。不希望束縛于本發(fā)明的任何具體解釋，相信多種特性如硬度和耐久性與粘結(jié)劑中 存在的一個金屬相有關(guān)并且脆性和自修飾與一個瞬時液體相(它與該金屬相成為溶液)的 存在有關(guān)。該預(yù)合金的相通過使能進行液相燒結(jié)而有助于將該工具致密化。此外，該預(yù)合 金的相在性質(zhì)上通常是脆性的，由此增強了該工具的自修飾能力。這種鎳-錫-青銅粘結(jié)劑系統(tǒng)的耐磨性可以進一步通過加入填充劑材料如碳化 鎢、碳化硅、氧化鋁和其他硬質(zhì)填充劑而進行優(yōu)化來改性磨輪壽命和/或耐磨性。還可以加 入填充劑來改善自修飾特性并且減小研磨過程中抽取的功率。實例包括石墨、六方氮化硼 或其他軟性填充劑。在一個實例中，該粘結(jié)劑系統(tǒng)包括鎳(例如，粒度為3至5微米或更小)、錫(例 如，粒度為10微米或更小)、青銅(例如，粒度為44微米或更小)、碳化鎢(例如，粒度為1 微米或更小)、以及金剛石，如MBG 620金剛石(例如，粒度為325/400篩目，大約25至50 微米)。得到的工具具有的RockwellC硬度在20至35kg/mm2的范圍內(nèi)，并且斷裂韌性在1 至IOMPa · m1/2的范圍內(nèi)。本發(fā)明還可以利用通過使用其他預(yù)合金的金屬組合而形成的金屬粘結(jié)劑進行實 施來形成一種工具，該工具的特征為兩個或多個不同的相，這些相之一是一個結(jié)構(gòu)上連續(xù) 的預(yù)合金的相。如在此描述的，孔隙性可以在這些相的至少兩個之中不均勻地分布，例如其 中最小的孔隙性或無孔隙性在該連續(xù)的預(yù)合金的相中出現(xiàn)。
為了制造如在此所披露物品的一種磨料物品，可以將磨料顆粒與該金屬粘結(jié)劑組 合物以及任選地其他組分如填充劑、孔誘導(dǎo)材料等等進行組合?；旌匣蚬不炜梢允褂帽绢I(lǐng) 域中已知的技術(shù)和設(shè)備進行。將組合的材料成型，例如使用一種適當(dāng)模具，并且將該物品致 密化，例如通過燒結(jié)或其他熱致工藝。將一種金屬粘合劑與這些磨料顆粒一起進行熱加工包括例如將該混合物燒結(jié)、熱 壓、以及熱壓印以形成一種磨料物品。其他適當(dāng)?shù)某尚头椒ǜ鶕?jù)本披露將是清楚的(例 如，將粘結(jié)劑組分與磨料顆粒的混合物直接熱加工、帶流延以形成生坯帶(green tape)磨 料物品并然后燒結(jié)生坯帶物品、或注塑模制一個生坯物品且然后燒結(jié)該生坯物品)?？?以用來例如通過燒結(jié)一種含金剛石顆粒和一種鎳、錫與青銅金屬系統(tǒng)的成型本體進行例 如致密化的典型溫度是在從約400°C至約1100°C的范圍內(nèi)。對于包含金剛石磨料顆粒、 一種鎳-錫-青銅金屬系統(tǒng)以及碳化鎢填充劑的一種成型本體，燒結(jié)可以在從約400°C 至約1200°C范圍內(nèi)的溫度下進行。熱壓可以在從約6. 9牛頓/m2或帕斯卡(Pa)(對應(yīng) 于0. 5tsi或1000磅每平方英寸或psi)至約41. 4Pa(3tsi ；6000psi)范圍內(nèi)的壓力下 進行，例如從約 6. 9Pa(0. 5tsi ；IOOOpsi) M 34. 5Pa(2. 5tsi ；5000psi)。冷壓可以在從約 275. 7Pa(20tsi ；40000psi)至約 689. 3Pa(50tsi ； lOOOOOpsi)范圍內(nèi)的壓力下進行，例如從 約 275. 7Pa(20tsi ；40000psi)至約 482. 5Pa(35tsi ；70000psi)。依照本發(fā)明的不同實施方案配置的示例性研磨輪是利用現(xiàn)在將說明的材料和方 法制成1A8型金屬粘合的輪的形式。根據(jù)本披露，許多其他實施方案將是清楚的，并且本發(fā) 明并非旨在局限于任何一個具體的實施方案。實例1通過該熱壓技術(shù)制造了由鎳、錫以及青銅組成的一種粉末金屬合金。更詳細地， 將 20. 32 克的鎳粉末(作為 123Nickel 自 AcuPowder InternationalLLC, Union, NJ 獲得) 與 7. 11 克的錫(作為 115Tin 也是自 AcuPowderInternational LLC, Union, NJ 獲得)以 及72. 63克的預(yù)合金的青銅粉末(作為CEAC Alloy 822粉末自Connecticut Engineering Assoc. Corp.，SandyHook, CT 獲得，按重量百分比計 60/40Cu/Sn)在一個Turbllla 混合 器(得到的鎳、錫和青銅組合物具有20. 32/7. 11/12. 10的重量百分比率)中進行共混。然 后，將 2. 33 克金剛石(作為 MBG 620325/400 篩目自 Diamondlnnovations，fforthington,
OH獲得)添加到該混合物并且Turbula .再次混合以提供一種同質(zhì)的共混物。然后 將得到的混合物在一個鋼模具中以35tsi進行冷壓，之后在一個石墨模具中在850°C以 1. 6tsi (3200psi)熱壓20分鐘。一旦冷卻，將得到的磨盤最終處理成一個尺寸為58mm外徑 (0D)、40mm內(nèi)徑(ID)、以及300 μ m厚度的一種輪。這個最終完成的磨輪隨后在此稱為實例 1磨輪。將實例1磨輪與兩個常規(guī)的基于銅-錫的磨輪進行比較，這兩個磨輪包括一個 由 Saint-Gobain Abrasives, Inc.制造的(規(guī)格 MXL 2115，尺寸為 58mm 0D,40mm ID、 以及300 μ m厚度)以及另一個由Disco Abrasive SystemsK. K.制造的(規(guī)格MBT-483 S^80N50M42，尺寸為56mm 0D,40mm ID、以及350 μ m厚度)。將每個磨輪在相同的工作材 料上使用相同的研磨條件進行測試。具體地，在一個Pluschip 8. 8x 8. 8100精細球柵陣列 (FBGA)工作材料上測試每個磨輪的切片性能。將該工作材料安裝在由兩個同心圓環(huán)牢固夾 持的一個藍色膠帶(blue tape)上。研磨機為MicroAce Dicing Saw，且試驗?zāi)Ｊ綖榕逝滥Ｊ降那衅?切粒。實例1磨輪與MBT-483磨輪的磨輪尺寸的輕微區(qū)別是可忽略的，因為在 本具體應(yīng)用中的輪磨損和研磨比與輪尺寸無關(guān)。對于每個磨輪的修整和修飾操作條件在表1中示出。已知，修整和修飾操作條件 是指磨輪在其使用之前(或者在使用之間)、并且在這種具體情況下、在其在這里指明的研 磨測試條件下使用之前的準(zhǔn)備。這些的修整和修飾操作條件包括墊的類型和大小、轉(zhuǎn)軸速 度、切削深度、切口數(shù)目、以及進料速率。將這些修整和修飾墊安裝在由兩個同心圓環(huán)牢固 夾持的一個藍色膠帶上。表1 修整和修飾操作
條件修整操作修飾操作修整墊規(guī)格NMVC320-J5VCANMVC600-J8VCA修整墊尺寸75 mm X 75 mm75 mm X 75 mm轉(zhuǎn)軸速度3000 rpm30，000 rpm切削深度0. 075 mm1. 078 mm切口數(shù)目20每3進料速率為5個進料速率/工作 臺速度5mm/sec30 ram/sec,之后 60 mm/sec, 之后 100 mm/sec試驗研磨過程的細節(jié)，包括冷卻劑類型和流量、轉(zhuǎn)軸速度、進料速率、工作材料尺 寸、切削深度、切口數(shù)目、以及運轉(zhuǎn)長度在表2中指明。再提起該工作材料為Pluschip 8. 8x 8.8 100 FBGA。表2 研磨過程的參數(shù)
冷卻劑類型DI水冷卻劑速率1升/分鐘轉(zhuǎn)軸速度30，OOOrpm進料速率140mm/sec工作材料尺寸100mm X IOOmm切削深度0. 965mm切口數(shù)目對每個磨輪而言不同運轉(zhuǎn)長度56米(磨輪磨損)、0.5米(品質(zhì))實例1磨輪與常規(guī)磨輪MXL 2115和MBT-483相比較的研磨試驗的結(jié)果在表3中 示出。表3 研磨結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種金屬粘結(jié)的研磨工具，包括a.磨料顆粒；b.一種金屬粘結(jié)劑組合物，包括鎳、錫以及一種預(yù)合金的青銅，其中該預(yù)合金的青銅在 結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的一個相中存在；以及c.小于約20體積％的總孔隙性。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該工具的總孔隙性是小于約10體積％。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該工具基本上是完全致密化的。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該連續(xù)的預(yù)合金的青銅相基本上沒 有孔隙性。
5.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該連續(xù)的預(yù)合金的青銅相包括孔隙性。
6.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該粘結(jié)的研磨工具是一種磨輪。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該工具是自修飾的。
8.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中這些磨料顆粒是金剛石磨料顆粒。
9.如權(quán)利要求8所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中這些金剛石磨料顆粒具有的粒度是 在從約2微米至約120微米的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中這些磨料顆粒的至少一部分具有 包括一種金屬或其合金的一個涂層。
11.如權(quán)利要求10所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬選自下組，其構(gòu)成為銅、 鎳、銀、鎢、鈦、鉻、硅、以及它們的任何組合。
12.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該預(yù)合金的青銅包含的銅與錫的 比例是在按重量百分比計從約75 25至約40 60的范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬粘結(jié)的研磨工具進一步包 括一種填充劑。
14.如權(quán)利要求13所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該磨料顆粒存在的量值是在從約 5體積％至約40體積％的范圍內(nèi)，該金屬粘結(jié)劑組合物存在的量值是在從約沈體積％至約 95體積％的范圍內(nèi)并且該填充劑存在的量值是在從約0至約15體積％百分比的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求13所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該填充劑選自下組，其構(gòu)成為碳 化鎢、碳化硅、氧化鋁，石墨、六方氮化硼以及它們的任何組合。
16.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中鎳存在的量值是在從約20%至約 94. 9 %的范圍內(nèi)，錫存在的量值是在從約0. 01 %至約60%的范圍內(nèi)并且青銅存在的量值 是在從約0. 01 %至約50%的范圍內(nèi)，基于該金屬粘結(jié)劑組合物的總重量。
17.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該總的孔隙性是固有孔隙性。
18.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該總的孔隙性包括固有孔隙性。
19.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬粘結(jié)劑組合物基本上由鎳、 錫以及青銅組成。
20.如權(quán)利要求1所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬粘結(jié)劑組合物由鎳、錫以及 青銅組成。
21.一種用于生產(chǎn)金屬粘結(jié)的研磨工具的方法，該方法包括a.使磨料顆粒與包括鎳、錫金屬以及一種預(yù)合金的青銅的一種金屬粘結(jié)劑組合物合并；b.將該合并的磨料顆粒以及金屬粘結(jié)劑組合物形成為一種成形本體；并且c.將該成形本體致密化以生產(chǎn)該金屬粘結(jié)的研磨工具， 其中該金屬粘結(jié)的研磨工具具有小于20%的孔隙性。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括壓制該成形本體。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法包括熱壓。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法包括冷壓。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法包括熱壓印。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中致密化是通過在從約400C至約1100C的范圍內(nèi)的溫度下進行燒結(jié)。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中使這些磨料顆粒、該金屬粘結(jié)劑組合物或兩者進 一步與一種填充劑合并。
28.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該填充劑選自下組，其構(gòu)成為碳化鎢、碳化硅、氧 化鋁、石墨、六方氮化硼以及它們的任何組合。
29.如權(quán)利要求21所述的方法，其中這些磨料顆粒、該金屬粘結(jié)劑組合物或兩者進一 步與一種孔誘導(dǎo)劑合并。
30.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該預(yù)合金的青銅基本上沒有固有孔隙性。
31.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該成形本體不包括誘導(dǎo)孔的材料。
32.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該金屬粘結(jié)劑組合物基本上由鎳、錫以及青銅組成。
33.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該金屬粘結(jié)劑組合物由鎳、錫以及青銅組成。
34.一種通過如權(quán)利要求21至33所述的方法制成的用于球柵陣列的切片輪。
35.一種金屬粘結(jié)的磨料物品，包括多個磨料顆粒以及一種粘結(jié)劑基體，該粘結(jié)劑基體 包括a.一種金屬粘結(jié)劑組合物，該金屬粘結(jié)劑組合物包括(i) 一種第一組分，該第一組分是具有的熔點在從約1100°C至約1600°C范圍內(nèi)的一種金屬或金屬合金；( ) 一種第二組分，該第二組分具有的熔點為小于約700°C，所述組分能夠形成一種 瞬態(tài)液相，該液相完全或部分地溶解在該金屬或金屬合金中；以及(iii) 一種第三組分，該第三組分是一種預(yù)合金并且具有的熔點為小于約800°C，所述 第三組分在一個結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的相中存在；以及b.按體積計小于約20%的孔隙性。
36.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該粘結(jié)劑基體具有的硬度在IOOg 的負載下在從約維氏硬度計60kg/mm2至約維氏硬度計400kg/mm2的范圍內(nèi)。
37.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中，這些磨料顆粒是選自下組，其構(gòu) 成為金剛石、立方氮化硼、氧化鋁、碳化硅、碳化硼、以及它們的任何組合。
38.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中這些磨料顆粒的至少一些具有包括一種金屬或其合金的一個涂層。
39.如權(quán)利要求38所述的金屬粘結(jié)的研磨工具，其中該金屬選自下組，其構(gòu)成為銅、 鎳、銀、鎢、鈦、鉻、硅、以及它們的任何組合。
40.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，進一步包括一種填充劑。
41.如權(quán)利要求40所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該填充劑選自下組，其構(gòu)成為碳 化物類、氧化物類、硫化物類、氮化物類、硼化物類、石墨以及它們的任何組合。
42.如權(quán)利要求40所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該填充劑具有的熔點為大于約 1200 "C。
43.如權(quán)利要求40所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該磨料顆粒在該物品中存在的量 值是在從約5體積％至約40體積％的范圍內(nèi)；該金屬粘結(jié)劑組合物在該物品中存在的量值 是在從約沈體積％至約95體積％的范圍內(nèi)；并且該填充劑在該粘結(jié)的磨料物品中存在的 量值是在從約0至約15體積％百分比的范圍內(nèi)，基于該粘結(jié)的磨料物品的總體積。
44.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬或金屬合金是鎳、鈷或鐵。
45.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的研磨物品，其中該第二組分選自下組，其構(gòu)成為 錫、鋅、鋁、銦、鉍、銻以及它們的任何組合。
46.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該第三組分是銅-錫、銅-鋅-磷 或銅-錫-鋅。
47.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該第二組分完全溶解在該金屬或 令屬合令中- Ζ. / 兩 口 - Ζ. 丁。
48.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬粘結(jié)的磨料物品具有的孔 隙性是小于約10體積％。
49.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬粘結(jié)的磨料物品基本上是 完全致密化的。
50.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該第三組分包括孔隙性。
51.如權(quán)利要求35所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該第三組分基本上沒有孔隙性。
52.如權(quán)利要求35至51中任一項所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬粘結(jié)劑組合 物基本上由以下項組成(i) 一種第一組分，該第一組分是具有的熔點在從約1100°c至約1600°C范圍內(nèi)的一種 金屬或金屬合金；( ) 一種第二組分，該第二組分具有的熔點為小于約700°C，所述第二組分能夠形成 一種瞬態(tài)液相，該液相完全或部分地溶解在該第一組分中；以及(iii) 一種第三組分，該第三組分是一種預(yù)合金，具有的熔點為小于約800°C，所述第 三組分在一個結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的相中存在。
53.如權(quán)利要求35至51中任一項所述的金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬粘結(jié)劑組合 物由以下項組成(i) 一種第一組分，該第一組分是具有的熔點在從約1100°c至約1600°C范圍內(nèi)的金屬或金屬合金；( ) 一種第二組分，該第二組分具有的熔點為小于約700°C，所述第二組分能夠形成 一種瞬態(tài)液相，該液相基本上完全或部分地溶解在該第一組分中；以及(iii) 一種第三組分，該第三組分是一種預(yù)合金，具有的熔點為小于約800°C，所述第 三組分在一個結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的相中存在。
54.一種制造金屬粘結(jié)的磨料物品的方法，該方法包括a.形成一種成形本體，該本體包括磨料顆粒以及一種金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)的組合，所述金 屬粘結(jié)劑系統(tǒng)包括(i) 一種第一組分，該第一組分是具有的熔點在從約1100°C至約1600°C范圍內(nèi)的一種金屬或金屬合金；( ) 一種第二組分，該第二組分具有的熔點為小于約700°C，所述組分能夠形成一種 瞬態(tài)液相，該液相完全或部分地溶解在該金屬或金屬合金中；以及(iii) 一種第三組分，該第三組分是一種預(yù)合金，具有的熔點為小于約800°C，所述第 三組分在一個結(jié)構(gòu)上基本上連續(xù)的相中存在；并且b.將該成形本體致密化以形成該金屬粘結(jié)的磨料物品，其中該金屬粘結(jié)的磨料物品具有的孔隙性為小于約20體積％。
55.如權(quán)利要求M所述的方法，其中，這些磨料顆粒是選自下組，包括金剛石、立方氮 化硼、氧化鋁、碳化硅、碳化硼以及它們的任何組合。
56.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該成形本體進一步包括一種填充劑。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中該填充劑選自下組，其構(gòu)成為碳化物類、氧化物 類、硫化物類、氮化物類、硼化物類、石墨以及它們的任何組合。
58.如權(quán)利要求56所述的方法，其中該填充劑具有的熔點為大于約1200°C。
59.如權(quán)利要求56所述的方法，其中該磨料顆粒存在的量值是在從約5體積％至約40 體積％的范圍內(nèi)；該金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)存在的量值是在從約沈體積％至約95體積％的范圍 內(nèi)；并且該填充劑存在的量值是在從約0至約15體積％的范圍內(nèi)，基于該金屬粘結(jié)的磨料 物品的總體積。
60.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該第二組分完全溶解在該第一組分中。
61.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該金屬或金屬合金是鎳、鈷或鐵。
62.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該第二組分選自下組，其構(gòu)成為錫、鋅、鋁、銦、 鉍、銻以及它們的任何組合。
63.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該第三組分是銅-錫、銅-鋅、銅-錫-磷或 銅-錫-鋅。
64.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該方法包括熱壓。
65.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該方法包括冷壓。
66.如權(quán)利要求M所述的方法，其中該方法包括熱壓印。
67.如權(quán)利要求M至66中任一項所述的方法，其中該金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)基本上由組分 ⑴、(ii)和(iii)組成。
68.如權(quán)利要求M至66中任一項所述的方法，其中該金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)由組分(I)、 (II)和(III)組成。
全文摘要
用于金屬粘結(jié)的研磨工具的一種粘結(jié)劑基體包括一個金屬粘結(jié)劑系統(tǒng)、孔隙性以及一種任選的填充劑。根據(jù)本發(fā)明的實施方案的工具表現(xiàn)出了長的工具壽命、產(chǎn)生了一種可接受切削質(zhì)量并且可以具有自修飾的特性。例如這種粘結(jié)劑基體可以在被配制用于電子行業(yè)的研磨工具中使用，例如用于進行球柵陣列(BGA)切片以及其他此類切片操作的1A8輪。
文檔編號B24D3/10GK102076462SQ200980124815
公開日2011年5月25日 申請日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者P·瓦利亞, R·W·霍爾, S·拉曼斯 申請人:圣戈班磨料磨具有限公司, 法國圣戈班磨料磨具公司