基于Bi2O3-B2O3 体系的陶瓷结合剂金刚石砂轮制备及其对单晶硅的磨削性能

白福厚 廖燕玲 轩闯 张凤林

摘要 针对陶瓷结合剂烧结温度高的问题，提出一种基于Bi2O3-B2O3 的新型低温陶瓷结合剂。分析添加纳米SiC 和纳米ZrO2 对结合剂物相组成、流动性和力学性能的影响，并探索添加核桃壳粉造孔剂对金刚石砂轮微观形貌的影响；制备基于Bi2O3-B2O3 体系的陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮，测试其对单晶硅晶圆片的磨削性能。结果表明：添加纳米SiC 会导致陶瓷结合剂中出现一定量的Bi 单质，破坏结合剂的[BiO4] 玻璃网络；添加纳米SiC 及纳米ZrO2 后，结合剂的流动性降低；随烧结温度上升，结合剂的流动性、抗弯强度和硬度有增大的趋势，在560 ℃ 烧结时结合剂的抗弯强度和硬度达到最大。随着造孔剂含量的增大，砂轮中大气孔的数量显著增多、尺寸显著增大。在砂轮线速度为12.56 m/s，工件转速为5.23 m/s，进给速度为0.1 μm/s 条件下，使用以M10/20 金刚石（粒度号为800 目）制备的砂轮磨削加工单晶硅晶圆片，其磨削比为790，表面粗糙度为0.16 μm。

关键词 陶瓷结合剂金刚石砂轮；单晶硅晶圆片；力学性能；磨削性能

中图分类号 TQ153 文献标志码 A文章编号 1006-852X（2023）04-0432-08

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0137

收稿日期 2022-08-26 修回日期 2022-12-04

陶瓷结合剂金刚石砂轮因其自锐性好、砂轮刚度大、气孔率可调等特点，表现出优异的磨削锋利性和磨削精度[1-2]， 广泛应用于聚晶金刚石和CBN 刀具[3]、半导体材料[4]、蓝宝石[5]、结构陶瓷和功能陶瓷[6] 等难加工硬脆材料的精密磨削加工。

陶瓷结合剂金刚石砂轮主要由磨料、陶瓷结合剂、气孔等3 部分组成，磨料主要由金刚石主磨料和绿碳化硅或白刚玉等辅助磨料组成；陶瓷结合剂主要起到包裹和固结磨料，使砂轮具有一定机械强度的作用[7-9]；气孔主要起到容屑、排屑、传递冷却液的作用，可以降低磨削温度和防止砂轮堵塞[10-12]。

Bi2O3-B2O3 作为一种新型低温玻璃体系，一些学者将该玻璃体系用于陶瓷零件的钎焊连接。比如，GUO等[13] 设计了一种可在1 000 ℃ 熔炼的硼酸铋玻璃，化学组成为50Bi2O3-50B2O3（物质的量分数，下同），并将其应用于氧化铝陶瓷的低温钎焊连接，在625 ℃ 保溫20 min 时获得了剪切强度为164 MPa 的接头。LIN等[14] 研究了Bi2O3-B2O3-SiO2 系低温玻璃，其熔炼温度为1 000 ℃、软化温度低于472 ℃，并将其应用于锂钛铁氧体陶瓷钎焊，在750 ℃ 保温30 min 时可使接头剪切强度达到92 MPa。GUO 等[15] 还研究了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低温玻璃的性能， 其玻璃软化温度为419 ℃，在650 ℃ 钎焊连接蓝宝石时，可获得剪切强度为85 MPa 的接头。CHEN 等[16] 扩大了50Bi2O3-40B2O3-10ZnO 低温玻璃的应用范围，将其用于氧化铝与铜的异种基体低温钎焊连接。

现有的陶瓷结合剂烧结温度较高，烧结过程中金刚石磨料易石墨化，影响金刚石砂轮的磨削性能。因此，提出一种基于Bi2O3-B2O3 体系的新型低温陶瓷结合剂，以降低烧结温度。该结合剂中的[BiO4] 玻璃网络是由不对称的锥形四面体相互连接形成的一种不稳定链状结构，导致结合剂力学性能较低，因此需要选用热膨胀系数较低的纳米SiC 和纳米ZrO2 作为增强相来改善结合剂的力学性能，研究这2 种纳米材料对结合剂流动性和力学性能的影响。选用常用的核桃壳粉为造孔剂，分析了不同造孔剂含量对砂轮微观形貌的影响；制备了一种基于Bi2O3-B2O3 体系的陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮，测试了该砂轮对单晶硅晶圆片的磨削性能。