CN102076462A - 用于电子工业中的磨料切片工具 - Google Patents

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Abstract

用于金属粘结的研磨工具的一种粘结剂基体包括一个金属粘结剂***、孔隙性以及一种任选的填充剂。根据本发明的实施方案的工具表现出了长的工具寿命、产生了一种可接受切削质量并且可以具有自修饰的特性。例如这种粘结剂基体可以在被配制用于电子行业的研磨工具中使用，例如用于进行球栅阵列(BGA)切片以及其他此类切片操作的1A8轮。

Description

用于电子工业中的磨料切片工具
相关申请
本申请对2008年7月2日提交的美国临时申请号61/077,604要求优先权，该申请通过引用以其整体结合在此。
发明领域
本发明涉及磨料技术，并且更具体地涉及用于对电子工业中所使用的材料如芯片规模的包装(包括球栅阵列)进行切片、以及用于对硬质陶瓷材料如氧化铝、玻璃、铁氧体、硅、碳化硅和石英进行切片的研磨工具以及技术。
发明背景
含磨料的基于铜-锡的金属粘结剂在电子设备的切片和切粒工业中是普遍已知的。正如进一步所知，可以向粘结剂混合物中添加合金化元素，如镍、铁、钛、以及钼，来改进此类铜-锡***的耐磨性以便得到更长的磨轮寿命。除了改进磨轮寿命之外，这些合金化元素还可以改进磨料结构的硬度和钢度。
作为铜-锡粘结剂***的一种替代物，已经使用镍基磨料结构用于改进的耐久性和刚度。例如，美国专利号3,886,925披露了一种切削磨轮，它带有一个由镍溶液静电沉积得到的高纯度镍所形成的磨料层，这些镍溶液具有悬浮于其中的精细分开的磨料。
美国专利号6,056,795和6,200,208描述了多个磨轮，其中一种烧结的金属粘结剂包括一种金属组分，如钼、铼和钨(该‘795专利)；或一种活性金属如钛、锆、铪、铬、和钽(该‘208专利)，在烧结时它与这些磨料颗粒形成了一种化学结合从而改善了该磨轮的弹性模量值。归功于活性金属的合金化，金刚石的保留得到增强，从而导致了磨轮寿命的改进。
在电子设备切片工业中令人希望的其他特征包括切削轮自修饰(self-dressing)以及在较低功率下运行的能力。概括地，一种磨料结构的自修饰能力可以通过将磨料的磨损率与粘结剂的磨损率相匹配而实现。这有时候可以通过添加元素如银、或者通过掺入软性填充剂如石墨和六方氮化硼而完成。另一种技术是通过添加填充剂如碳化硅和氧化铝、和/或通过在粘结剂中诱导孔隙性来使该微结构变脆。虽然此类改性可以改进磨轮的自修饰能力，但是可能有损该磨轮的其他特性。在此情况下，在研磨工具的设计中必须考虑许多非轻微的对抗性因素。
因此，对于用于研磨工具的着手解决了此类因素的基于金属的粘结剂***存在一种需要。
发明概述
本发明总体上涉及金属粘结的磨料工具如切片轮以及用于生产它们的方法。本发明的多方面涉及一种粘结剂，它导致了工具和物品是硬质的、耐久的并且自修饰的。
在一个实施方案中，本发明是针对一种金属粘结的研磨工具，它包括多个磨料颗粒、一种金属粘结剂组合物，该组合物包括镍、锡以及一种预合金的青铜，该青铜存在于在结构上基本上连续的一个相中。该工具拥有小于约20体积总％的孔隙性。任选地，该工具可以包括一种填充剂。
在另一个实施方案中，本发明是针对用于生产一种金属粘结的研磨工具的方法，该方法包括将多个磨料颗粒与一种金属粘结剂组合物(包括镍、锡和一种预合金的青铜)进行组合、将该组合的磨料颗粒与金属粘结剂组合物形成为一个成型本体、将该成型本体进行烧结以产生该金属粘结的研磨工具，其中该金属粘结的研磨工具拥有小于约20％的总孔隙性。可以任选加入一种填充剂，例如在形成该成型本体之前。
在一个另外的实施方案中，本发明是针对一种金属粘结的磨料物品，该物品包括一种粘结剂基体，该粘结剂基体具有基于该工具的总体积而言小于约20体积％的孔隙性。在该粘结剂基体中存在的一种金属粘结剂***或组合物包括、基本上由之组成、或者由之组成的是三种组分：(i)具有的熔点在从约1100摄氏度(℃)至约1600℃范围内的一种金属或合金；(ii)具有的熔点为小于约700℃的一种组分，所述组分能够形成一个全部或部分溶于(i)中的金属或合金中的瞬时液相；以及(iii)具有的熔点小于约800℃的一种预合金的组分，它形成了一个具有基本上连续的微结构的相。该粘结剂基体可进一步包括一种填充剂。在优选的实现方式中，该粘结剂基体包括在该磨料物品中存在的所有孔隙性。
在又一个实施方案中，本发明是针对生产一种磨料物品例如像切片轮的方法。该方法包括：形成一种成型本体，该成型本体包括多个磨料颗粒、以及如上所述的金属粘结剂组合物；并且将该成型本体致密化(例如通过烧结)以生产出该磨料物品。优选地，该磨料物品具有小于约20体积百分比的孔隙性。在一些实施方案中，将这些磨料颗粒、金属粘结剂组合物或组合的磨料颗粒与粘结剂组合物进一步与一种填充剂进行组合。
本发明特别好地适合用于电子工业中的研磨应用，特别是在切片球栅阵列中或者适合于加工其他硬质以及脆性陶瓷例如像氧化铝，并且具有许多优点。根据本发明的多个实施方案制造的工具包括一种硬还脆的粘结剂、具有长的工具寿命以及自修饰的特性。它们能够以可接受的功率进行研磨并且给出了关于碎屑以及从上到下的锥体而言的可接受的切削质量。该工具可以使用广泛可得的材料以及熟知的技术来有成本效益地进行制造。可以采用一定范围的磨料颗粒尺寸和类型来生产具有不同质量水平的工件。在其中至少一部分磨料(如金刚石)颗粒具有一个金属涂层的这些工具展现出了增强的砂砾截留性以及耐久性。
在此描述的特征和优点并非一览无遗的，具体地讲，本领域的普通技术人员将通过阅读附图、说明书以及权利要求书而清楚许多另外的特征和优点。此外，应指出在本说明书中使用的语言主要是为可读性和指导性目的而进行选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。
附图简要说明
图1展示了一张低放大倍率的SEM照片，示出了根据本发明的一个实施方案构造的一种Ni-Sn-青铜的粘结剂***。
图2展示了一张SEM照片，示出了图1的Ni-Sn-青铜粘结剂中的一种浇铸的青铜结构。
图3展示了一张低放大倍率的SEM照片，示出了一种常规的Ni-Sn-Cu粘结剂***。
图4展示了一张SEM照片，示出了图3的Ni-Sn-Cu粘结剂中的一种欠烧结的青铜结构。
图5和图6是根据本发明的一个实施方案的一种磨轮的SEM照片。
优选实施方案的详细说明
金属粘结的磨料物品总体上的特征是一种三维结构，其中磨料颗粒或砂砾被保持在一种粘结剂基体之中。如前面指出的，在研磨工具的设计中必须考虑许多非轻微的对抗性因素。例证了磨轮寿命、耐磨性、硬度以及磨轮刚度之间的关系的一种示例性情况可以在一个磨轮由于改善的砂砾截留性并且由于活性金属合金化的结果而展现出增强的刚度和延长的磨轮寿命的情况下找到(如美国专利号6,200,208中所描述的)。这样一种活性金属的添加改善了金刚石与粘结剂之间的结合强度，由此允许金刚石在该粘合剂中被保持更长的持续期。
虽然这种延长的颗粒保持性在使用一种脆性颗粒时可以是有益的，但它可能在使用一种块状颗粒时导致研磨力的增大。这是因为块状颗粒在研磨过程中并不出现微裂缝，由此导致了由于在工件上拖动钝颗粒所造成的研磨功率上的一种潜在的不可接受的增大。因此，所希望的是一种硬质但易碎的粘结剂，这将不仅是耐久的且能够延长磨轮寿命，而且还将展示出自修饰行为(适时释放磨透的颗粒)并且能够以较低或另外的可接受的功率下进行研磨。
在此披露一种用于研磨工具的粘结剂基体，它使能得到长的工具寿命以及适当程度的耐磨性。此外，该粘结剂基体赋予了自修饰的能力。该粘结剂基体可以用于例如配置用于电子工业的研磨工具，如用于切片球栅阵列(BGA)的1A8轮中并且用于其他工具如磨轮、磨石工具、另一种金属粘结的磨料物品中。
该粘结剂基体包括一种金属粘结剂组合物(在此也称为“***”)、孔隙性、以及任选地一种填充剂。
在该金属粘结剂组合物或***中存在有如下三种组分：(i)具有的熔点在从约1100摄氏度(℃)至约1600℃范围内的一种金属或合金；(ii)具有的熔点为小于约700℃的一种组分，所述组分能够形成一个全部或部分溶于(i)中的金属或合金中的瞬时液相；以及(iii)具有的熔点为小于约800℃的一种预合金的组分，所述预合金组分形成了一个具有基本上连续的微结构的相。
该第一组分(即具有的熔点在从约1100摄氏度(℃)至约1600℃范围内的金属或合金)的实例包括镍、钴、铁、锰、硅、含有这些与其它金属的合金以及其他金属或它们的合金。在特定实例中，该第一组分具有的熔点在从约1100至约1600的范围内、优选在从约1100至约1480的范围内。
该第二组分(即具有的熔点小于约700℃并且能够形成一个基本上全部或部分溶于第一组分的金属或合金中的瞬时液相的这个组分)的实例包括多种金属例如像锡、锌、铝、铟、铋、锑、它们的组合等等。在特定实例中，该第二组分具有的熔点是小于约700、优选小于约500。
该第三组分是一种预合金、具有的熔点为小于约800℃并且在物品中是作为一个结构上连续的相存在。适当的实例包括但不限于铜-锡、铜-锌、铜-锡-磷、铜-锡-锌以及其他组合。在特定实例中，该第三组分具有的熔点是小于约800、优选小于约700。
如在此使用的，术语“连续的”是指一种三维网络。一个连续相可以是或可以不是完全致密的。它可以包括孔隙性和/或填充剂。在一种如上所描述的三组分基体中，如果在例如通过选择性地浸取而去除第一和第二组分之后，所留下的结构骨架保持完整或在一起，那么该第三组分相是连续的。在这里所描述的物品中，在一个基本上连续的相中可以存在多于一种的组分。
该金属粘结剂组合物或***可以包括、基本上由之组成、或由之组成的是组分(i)、(ii)和(iii)。
基于这三种组分的总重量，即，该金属粘结剂组合物的总重量，组分(i)可以存在的量值是在从约20重量％至约94.9重量％的范围内；组分(ii)可以存在的量值是在从约5重量％至约60重量％的范围内；并且组分(iii)可以存在的量值是在从约0.1重量％至约50重量％的范围内。
该粘结剂基体可进一步包括一种填充剂。一般填充剂并不与该金属粘结剂***中的其他组分进行合金化，并且它们的物理和化学特性或状态在制造过程中保持不变。适当的填充剂的实例包括例如：碳化物、氧化物、硫化物、氮化物、硼化物、石墨、它们的组合等等。在许多情况下，填充剂是在1200℃以上熔化的化合物。
如同硬质填充剂一样，可以采用软性填充剂。可以添加软性填充剂例如像石墨、六方氮化硼或本领域中已知的其他的，例如来改善自修饰特性并且减小研磨过程中抽取的功率。可以添加硬质填充剂例如像碳化钨、碳化硅、氧化铝等等，例如来改善耐磨性和/或磨轮寿命。
该粘结剂基体可以结合磨料颗粒如超级磨料像天然或合成金刚石、立方氮化硼(CBN)或本领域中已知的其他磨料材料如氧化铝、碳化硅、碳化硼或磨料颗粒的组合而使用，用来形成一种研磨工具如磨轮，像切片轮，或其他工具像晶片减薄磨料、磨石棒、圆柱形研磨轮以及其他。在一个实例中，至少一些磨料颗粒具有一个涂层，该涂层包括一种金属或其合金。可以用来涂覆磨料颗粒(例如金刚石颗粒)的适当材料包括铜、镍、银、钛、钨、铬、硅、它们的组合或合金。包括一个金属涂层的颗粒是商业上得到的，例如在RJK1Cu、RVG-D以及MBM-Ti的名称下从Diamond Innovations，Worthington，OH可获得。可以使用其他类型的金属涂覆的颗粒。也可以采用团聚的磨料颗粒，如在例如于2007年10月2日授予Bonner等人的美国专利号7,275,980中所描述的，其传授内容通过引用以其全文结合在此。团聚的颗粒可能实质性地不含孔隙性或者可以进而是多孔的。
可以选择任何适当的磨料颗粒粒度，这取决于应用、工具特性、制造工艺以及其他考虑。例如，用于制造切片轮的磨料颗粒的粒度可以是在从约2微米(μm)至约120μm的范围内。
在特别的实施方案中，该物品例如工具拥有较低的孔隙性，例如按体积计约20％或更小的总孔隙性。根据本发明的金属粘接的磨料物品可以具有小于10体积％的总孔隙性、小于2体积％的总孔隙性、或者可以是完全或基本上完全致密的。在许多实现方式中，该粘结剂基体包括在该磨料物品中存在的所有孔隙性。
孔隙性可以在制造过程中传递给研磨工具(固有孔隙性)，是通过选择特定的颗粒和/或粘结剂材料、制造(如压制)条件、进行一种不及完全的致密化等等；和/或通过使用诱导孔的材料，如玻璃或塑料空心球、壳如胡桃壳、在用来形成该工具的加热步骤中被烧掉的有机化合物、可以沥滤出的分散体材料、以及本领域中已知的其他孔诱导剂。如果没有采用孔诱导剂，则该工具的总孔隙性和它的固有孔隙性是相同的。
在本发明的一些实现方式中，该工具中存在的固有孔隙性不均匀地分布在这多个相的至少两个之间。如在此使用的，短语“不均匀地分布”是指在一个或多个相中存在固有孔隙性，而至少一个其他的相包括非常小的固有孔隙性或没有固有孔隙性。根据本发明的多个实施方案的一种工具还可以在两个或多个相之间具有一种均匀或实质性均匀分布的孔隙性。在特定实例中，在该预合金的相中不存在或实质性不存在孔隙性。在其他实例中，该预合金的相包括孔隙性。
根据本发明的物品可以包括量值在从约5体积％至约40体积％的范围内、例如在从约5体积％至约25体积％的范围内的磨料颗粒；在从约26体积％至约95体积％的范围内、例如从约50体积％至约80体积％的一种金属粘结剂(包括以上描述的这三种组分)；在从约0至约20体积％的范围内、例如在从约0至约10体积％的范围内的孔隙性；以及量值在从约0至约15体积％的范围内、例如从约0至约10体积％的填充剂。
本发明的磨料物品优选具有在约维氏硬度计60kg/mm2至约维氏硬度计400kg/mm2的范围内的粘结剂基体硬度，所用荷载为100克(g)。
本发明的一个实例采用了一种金属粘结剂组合物或***，它赋予了一种工具(如磨轮)多种特性如耐久性、耐磨性、刚度、优化的断裂韧性和脆性，从而产生了改进的磨轮寿命以及以较低研磨功率或力进行研磨的能力，如下面进一步描述的。
在本发明的优选方面，该金属粘结剂***由之组成、基本上由之组成、或者包括：(i)镍、(ii)锡以及(iii)青铜。术语“青铜”总体上是指锡和铜的一种合金或包括锡和铜的一种合金。例如，一种青铜可以包括锡、铜和磷，其中磷在该青铜中存在的量值是小于约12重量％。该组分(ii)锡是指金属的或元素锡并且与该预合金的青铜中存在的锡区分开。
这三种组分中的任一种或全部都能以粉末形式提供。典型的中值粒径可以是例如对于镍而言是在从0.5μm约至约50μm的范围内，例如从约1μm至约20μm；对于锡而言是从0.5μm约至约50μm，例如从约1μm至约20μm；并且对于青铜而言是从约1μm至约50μm，例如从约10μm至约50μm。
该镍-锡-青铜***可以例如结合金刚石磨料或结合其他磨料或超级磨料材料、结合涂覆的磨料或结合磨料团聚体一起使用，如以上描述的那些。在一个实例中，该工具是使用粒度在从约2微米至约120微米的范围内的金刚石颗粒制造的。也可以采用其他磨料颗粒尺寸，例如在从约2μm至约100μm或从约20μm至约60μm的范围内。
在一个实现方式中，该金刚石和镍-锡-青铜粘结剂***工具被配置为一种1A8切片轮。该青铜是预合金的并且具有按重量百分比计从大约75∶25至大约40∶60的铜-锡比。
当通过如扫描电子显微术(SEM)、透射电子显微术(TEM)、光学显微术、能量色散光谱学(EDS)或本领域中已知的其他的技术进行观察时，该工具拥有两个或更多的相，在此也称为“多个相”。可以基于这些相的微结构而将它们彼此区分开。例如，使用镍、锡和青铜(预合金的铜和锡)而制造的一种工具典型地将具有不同组成和/或不同孔隙性的多个相。
一种镍-锡-青铜***可以包括从约20至约94.9重量百分比的镍，例如从约10至约70重量百分比的镍；从约0.01至约60重量百分比的锡，例如从约5至约40重量百分比的锡；以及从约0.01至50重量百分比的青铜，例如从约0.01至约40重量百分比的青铜，其中，该青铜具有的铜-锡比是按重量百分比计从约75∶25至40∶60。一种示例性工具是实质性致密化的，例如通过烧结，并且被配置为具有小于20体积％的总的固有孔隙性(并且无诱导孔隙性)。另一种示例性工具拥有的总孔隙性是小于约10，例如小于约2体积％。在又一种情况下，该工具是完全致密化的，基本上不含孔隙性。
在一些情况下，固有孔隙性限于最终工具的镍和锡相，而该青铜相是一个连续相，展现出极小的固有孔隙性或没有固有孔隙性。不希望束缚于任何具体解释，相信在青铜相或另一种预合金的组分的相中可以不存在孔隙性或孔隙性处于减小的水平，因为该青铜典型地是通过使液体铜和锡雾化而形成的，从而产生了一种致密的青铜粉末。因此，当该三组分的金属粘结剂在例如热压制过程中熔化时，该青铜相形成了一种浇注的结构(cast structure)并且孔隙性仍被限制(或几乎限制)在非青铜区域，例如镍和/或锡区域。
在其他例子中，该预合金的相包含孔隙性，例如是固有孔隙性。
在一种镍-锡-青铜***与一种镍-锡-铜元素的粘结剂***(它未采用一种预合金的锡和铜的组合，即，青铜)之间进行区分可以基于该工具的微结构而进行。例如，一种元素制造的磨轮可以包含(i)一个带有溶解的锡的镍相，以及(ii)一个带有溶解的锡的铜相，其中在每个这些相中都出现了孔隙性。相比之下，固有孔隙性仅仅在根据本发明的一个实施方案制造的磨轮的镍和锡相中出现，而青铜相基本上展示出无孔隙性。
出乎意料地，根据本发明的多个实施方案制造的一种工具与未使用一种预合金的青铜并且不具有相同组分百分比的镍-锡-铜粘合剂的元素组成而制造的一种工具表现得不相同。更详细地说，根据本发明的多个实施方案的配置有预合金的青铜的工具以相当的或更好的切削速率展现出了更低的磨轮磨损率以及研磨功率、并且此外生产出了具有相当或更好质量的部件。
不希望束缚于本发明的任何具体解释，相信多种特性如硬度和耐久性与粘结剂中存在的一个金属相有关并且脆性和自修饰与一个瞬时液体相(它与该金属相成为溶液)的存在有关。该预合金的相通过使能进行液相烧结而有助于将该工具致密化。此外，该预合金的相在性质上通常是脆性的，由此增强了该工具的自修饰能力。
这种镍-锡-青铜粘结剂***的耐磨性可以进一步通过加入填充剂材料如碳化钨、碳化硅、氧化铝和其他硬质填充剂而进行优化来改性磨轮寿命和/或耐磨性。还可以加入填充剂来改善自修饰特性并且减小研磨过程中抽取的功率。实例包括石墨、六方氮化硼或其他软性填充剂。
在一个实例中，该粘结剂***包括镍(例如，粒度为3至5微米或更小)、锡(例如，粒度为10微米或更小)、青铜(例如，粒度为44微米或更小)、碳化钨(例如，粒度为1微米或更小)、以及金刚石，如MBG 620金刚石(例如，粒度为325/400筛目，大约25至50微米)。得到的工具具有的RockwellC硬度在20至35kg/mm2的范围内，并且断裂韧性在1至10MPa·m1/2的范围内。
本发明还可以利用通过使用其他预合金的金属组合而形成的金属粘结剂进行实施来形成一种工具，该工具的特征为两个或多个不同的相，这些相之一是一个结构上连续的预合金的相。如在此描述的，孔隙性可以在这些相的至少两个之中不均匀地分布，例如其中最小的孔隙性或无孔隙性在该连续的预合金的相中出现。
为了制造如在此所披露物品的一种磨料物品，可以将磨料颗粒与该金属粘结剂组合物以及任选地其他组分如填充剂、孔诱导材料等等进行组合。混合或共混可以使用本领域中已知的技术和设备进行。将组合的材料成型，例如使用一种适当模具，并且将该物品致密化，例如通过烧结或其他热致工艺。
将一种金属粘合剂与这些磨料颗粒一起进行热加工包括例如将该混合物烧结、热压、以及热压印以形成一种磨料物品。其他适当的成型方法根据本披露将是清楚的(例如，将粘结剂组分与磨料颗粒的混合物直接热加工、带流延以形成生坯带(green tape)磨料物品并然后烧结生坯带物品、或注塑模制一个生坯物品且然后烧结该生坯物品)。可以用来例如通过烧结一种含金刚石颗粒和一种镍、锡与青铜金属***的成型本体进行例如致密化的典型温度是在从约400℃至约1100℃的范围内。对于包含金刚石磨料颗粒、一种镍-锡-青铜金属***以及碳化钨填充剂的一种成型本体，烧结可以在从约400℃至约1200℃范围内的温度下进行。热压可以在从约6.9牛顿/m2或帕斯卡(Pa)(对应于0.5tsi或1000磅每平方英寸或psi)至约41.4Pa(3tsi；6000psi)范围内的压力下进行，例如从约6.9Pa(0.5tsi；1000psi)至34.5Pa(2.5tsi；5000psi)。冷压可以在从约275.7Pa(20tsi；40000psi)至约689.3Pa(50tsi；100000psi)范围内的压力下进行，例如从约275.7Pa(20tsi；40000psi)至约482.5Pa(35tsi；70000psi)。
依照本发明的不同实施方案配置的示例性研磨轮是利用现在将说明的材料和方法制成1A8型金属粘合的轮的形式。根据本披露，许多其他实施方案将是清楚的，并且本发明并非旨在局限于任何一个具体的实施方案。
实例1
通过该热压技术制造了由镍、锡以及青铜组成的一种粉末金属合金。更详细地，将20.32克的镍粉末(作为123Nickel自AcuPowder InternationalLLC，Union，NJ获得)与7.11克的锡(作为115Tin也是自AcuPowderInternational LLC，Union，NJ获得)以及72.63克的预合金的青铜粉末(作为CEAC Alloy 822粉末自Connecticut Engineering Assoc.Corp.，SandyHook，CT获得，按重量百分比计60/40Cu/Sn)在一个
Figure BPA00001280880900101
混合器(得到的镍、锡和青铜组合物具有20.32/7.11/12.10的重量百分比率)中进行共混。然后，将2.33克金刚石(作为MBG 620325/400筛目自DiamondInnovations，Worthington，OH获得)添加到该混合物并且
Figure BPA00001280880900102
再次混合以提供一种同质的共混物。然后将得到的混合物在一个钢模具中以35tsi进行冷压，之后在一个石墨模具中在850℃以1.6tsi(3200psi)热压20分钟。一旦冷却，将得到的磨盘最终处理成一个尺寸为58mm外径(OD)、40mm内径(ID)、以及300μm厚度的一种轮。这个最终完成的磨轮随后在此称为实例1磨轮。
将实例1磨轮与两个常规的基于铜-锡的磨轮进行比较，这两个磨轮包括一个由Saint-Gobain Abrasives，Inc.制造的(规格MXL 2115，尺寸为58mm OD、40mm ID、以及300μm厚度)以及另一个由Disco Abrasive SystemsK.K.制造的(规格MBT-483 SD280N50M42，尺寸为56mm OD、40mm ID、以及350μm厚度)。将每个磨轮在相同的工作材料上使用相同的研磨条件进行测试。具体地，在一个Pluschip 8.8x 8.8100精细球栅阵列(FBGA)工作材料上测试每个磨轮的切片性能。将该工作材料安装在由两个同心圆环牢固夹持的一个蓝色胶带(blue tape)上。研磨机为MicroAce Dicing Saw，且试验模式为攀爬模式的切片/切粒。实例1磨轮与MBT-483磨轮的磨轮尺寸的轻微区别是可忽略的，因为在本具体应用中的轮磨损和研磨比与轮尺寸无关。
对于每个磨轮的修整和修饰操作条件在表1中示出。已知，修整和修饰操作条件是指磨轮在其使用之前(或者在使用之间)、并且在这种具体情况下、在其在这里指明的研磨测试条件下使用之前的准备。这些的修整和修饰操作条件包括垫的类型和大小、转轴速度、切削深度、切口数目、以及进料速率。将这些修整和修饰垫安装在由两个同心圆环牢固夹持的一个蓝色胶带上。
表1：修整和修饰操作
Figure BPA00001280880900111
试验研磨过程的细节，包括冷却剂类型和流量、转轴速度、进料速率、工作材料尺寸、切削深度、切口数目、以及运转长度在表2中指明。再提起该工作材料为Pluschip 8.8x 8.8 100 FBGA。
表2：研磨过程的参数
  冷却剂类型   DI水
  冷却剂速率   1升/分钟
  转轴速度   30,000rpm
  进料速率   140mm/sec
  工作材料尺寸   100mm X 100mm
  切削深度   0.965mm
  切口数目   对每个磨轮而言不同
  运转长度   56米(磨轮磨损)、0.5米(品质)
实例1磨轮与常规磨轮MXL 2115和MBT-483相比较的研磨试验的结果在表3中示出。
表3：研磨结果
Figure BPA00001280880900121
可以看出，实例1磨轮相比于MXL 2115磨轮以功率上约11％至16％的增加为代价展现出了显著改善的轮磨损。相对于MBT-483磨轮，实例1磨轮总体上展现出了跨越切削长度在轮磨损上10％至30％的改进，同时功率消耗相对而言保持相当。将这些研磨结果在表4中概述为平均轮磨损以及平均功率。
表4：研磨结果的比较
Figure BPA00001280880900131
可以看出，实例1磨轮展现出的平均轮磨损比MXL 2115磨轮的轮磨损低约50％，并且比该MBT-483磨轮的轮磨损低约20％。在用实例1磨轮进行研磨中使用的平均功率相对于MXL 2115磨轮高约15％并且略低于或另外与MBT-483磨轮相当。
实例2
实例2涉及依照本发明的另一个实施方案配置的一个示例性切片轮(随后在此称为实例2磨轮)。具体而言，实例2磨轮是由含重量百分比率为56/14/30的镍、锡和青铜的一种组合物制成的。金刚石含量与实例1磨轮中的相同。概括地讲，并且相对于实例1磨轮而言，实例2磨轮具有更高的镍含量并且展现出了更高的耐磨性。由于更高的镍含量，该磨轮是在950℃加工的。
为比较研磨数据，以类似于对实例1磨轮进行的方式测试了实例2磨轮。表5和6详述了研磨结果。
表5：研磨结果
Figure BPA00001280880900141
由表5中所示的研磨结果可以看出，实例2磨轮相比于MXL 2115磨轮以功率上约5％至15％的增加为代价展现出了显著改善的(低了约3至5倍)轮磨损。相对于MBT-483磨轮，实例2磨轮展现出了跨越切削长度的、并且以始终更低的功率使用在轮磨损上约40％至70％的改进。
表6：研磨结果的比较
Figure BPA00001280880900142
将对于实例2磨轮的这些研磨结果在表6中概述为平均轮磨损以及平均功率。可以看出，实例2磨轮具有的平均轮磨损比MBT-483平均轮磨损低约50％，这转变为磨轮寿命上约100％的提高。同样地，实例2磨轮具有的平均轮磨损比MXL 2115平均轮磨损低约75％。
实例3
实例3涉及包含一种元素组合物的一个示例性研磨轮(随后在此称为实例3磨轮)。具体而言，实例3磨轮是由含重量百分比率为49/33/18的元素镍、锡和铜的一种组合物制成的(未使用预合金的青铜)。再次提起实例1磨轮中使用的预合金的青铜是按重量百分比率计60/40的铜和锡，所以实例1磨轮组合物以及实例3磨轮组合物两者具有相同水平的镍、锡以及铜。确切地说，用来生产实例3磨轮的不同组分的量值包括19.66克的镍、10.81克的锡、7.22克的铜。金刚石含量以及形成方法与实例1磨轮的相同。
将实例3磨轮与实例1磨轮关于粘结剂耐久性和磨轮寿命进行比较(通过之前描述的研磨结果)。表7和表8详述了研磨结果。
表7：研磨结果
Figure BPA00001280880900151
由表7中所示的研磨结果可以看出，该预合金的青铜实例1磨轮相比于元素制造的实例3磨轮以功率上约5％至15％的增加为代价展现出了愈加更好的轮磨损(随着切削长度的增大)。
表8：研磨结果的比较
Figure BPA00001280880900161
将对于实例3磨轮的这些研磨结果在表8中概述为平均轮磨损以及平均功率。可以看出，该预合金的青铜实例1磨轮具有的平均轮磨损以功率上约10％的增加为代价，比元素制造的实例3磨轮的平均轮磨损低约35％。
实例4
实例4涉及依照本发明的另一个实施方案配置的一个示例性研磨轮(随后在此称为实例4磨轮)。具体而言，用于实例4磨轮的粘结剂材料包括镍-锡-青铜、并且进一步包含5体积％的一种硬质碳化钨填充剂(作为碳化钨(WC)得自Cerac Specialty Inorganics，Milwaukee，WI，纯度99.5％，平均粒度＜1微米)。实例4磨轮中的Ni-Sn-青铜-WC的重量百分比率分别是44.74/19.17/27.39/8.69。金刚石含量以及形成方法与实例1磨轮的相同。由于相该镍-锡-青铜粘结剂添加了精细碳化钨(WC)，该粘结剂的耐磨性和耐久性进一步改进，由此进一步增大了磨轮寿命。相对于未使用该碳化钨制成的一种相当的镍-锡-青铜磨轮，这种改进是以研磨功率的适度增加(例如，10％或更小)而实现。
实例5
实例5涉及依照本发明的另一个实施方案配置的一个示例性切片轮(随后在此称为实例5磨轮)。具体而言，实例5磨轮是由含重量百分比率为56/14/30的镍、锡和青铜的一种组合物制成的。金刚石含量、类型以及尺寸与实例2磨轮的相同。概括地讲，并且相对于实例2磨轮而言，实例5磨轮在950℃的温度下被加工了更长的持续时间(40分钟)。为比较研磨数据，以类似于对实例1磨轮进行的方式测试了实例5磨轮。表9和表10详述了研磨结果。
表9：研磨结果
Figure BPA00001280880900171
由表9中所示的研磨结果可以看出，实例5磨轮相比于MXL 2115磨轮以功率上约10％至20％的增加为代价展现出了显著改善的(低了约3至5倍)轮磨损。相对于MBT-483磨轮，实例5磨轮展现出了跨越切削长度的、并且以始终更低的功率使用在轮磨损上约40％至70％的改进。
表10：研磨结果的比较
Figure BPA00001280880900172
将对于实例5磨轮的这些研磨结果在表10中概述为平均轮磨损以及平均功率。可以看出，实例5磨轮具有的平均轮磨损比MBT-483的平均轮磨损低约60％。同样地，实例5磨轮具有的平均轮磨损比MXL 2115平均轮磨损低约180％。
磨轮刚度
除了耐久性(粘结剂耐磨性)之外，高的磨轮刚度也是希望的，特别是在用于笔直性切削的切片应用(例如，BGA切片)中。理论上，镍基粘结剂***应该具有比传统铜基***更高的磨轮刚度，因为镍金属是比铜更刚性的。然而，由于欠烧结以及金刚石与该粘结剂之间的界面滑移，这种刚度未完全传递给基体。
表11详述了这些磨轮的刚度(杨氏模量)，是通过测量声音在每种给定的粘结剂***中的超声速而计算的。
表11：不同磨轮刚度数据的概述
Figure BPA00001280880900181
可以看出，实例1磨轮与MXL 2115和MBT-483相比展现出了优越的磨轮刚度。实例2和4磨轮的刚度相对于实例1磨轮的刚度增大了。本发明的多个实施方案总体上展现了145GPa或更高的杨氏模量，或更确切地说是155GPa或更高，或甚至更确切地说是170GPa或更高。
粘结剂微结构
一种磨轮粘结剂的机械特性很大程度上取决于该微结构以及研磨操作中它的行为。图1和图2各展示了根据本发明的一个实施方案的一种Ni-Sn-青铜(49/21/30)粘结剂***的抛光过的截面的一张SEM照片。可以看出，该微结构包括两个相区别的金属相，一个是带有溶解的锡的镍的相，另一个是预合金的青铜的相(例如，Cu/Sn比为60∶40重量％)。当被热压(例如，在约850C)时还存在某些固有孔隙性(小于20体积％)。此外，图2示出了一种浇注的锡青铜结构的存在，该结构包括带芯的枝状晶体，这些带芯的枝状晶体具有一种组成梯度，为随着它们从该预合金的青铜的相向外生长而增大的锡。一旦冷却最后要固化的液体用锡富集，并且形成了α和δ的相。这些预合金的青铜颗粒不具有任何孔隙性，因为它们是通过将液体铜和锡雾化从而产生致密的青铜粉末来制造的。当该粘结剂在热压过程中再次熔化，该孔隙性被限制(或几乎被限制)在镍和锡的区域中。
另一方面，图3和图4示出了由含重量百分比率为49/33/18的元素的镍、锡和铜的一种组合物制成的粘结剂***(它与图1中所示***具有相同水平的镍、锡和铜的相同元素组成)的一张SEM照片。可以看出，该微结构包括一个带有溶解的锡的镍的相、以及一个带有溶解的锡的铜的相。当与图1和图2中所示结构在相同的温度和压力下被热压时，得到了相似的孔隙性水平。然而，该结果具有一种带有固有孔隙性的欠烧结的铜-锡结构，如图4中所示。该孔隙性存在于该微结构的所有相中，包括这些铜-锡构造。这种全部相的固有孔隙性是一种警示标志，可以用来将采用元素的镍-锡-铜粘结剂***的工具与采用镍-锡-青铜粘结剂***的工具区分开。此外，这种固有孔隙性在所有相之中的均匀分布还可以贡献于切片应用中的增大的轮磨损率(不希望是这样的)。
图5和图6是实例5磨轮的SEM照片，示出了两个相中的孔隙性。
为了解说和描述的目的已经给出了以上对本发明的实施方案的说明。它并非旨在是穷尽性的或者将本发明限制在所披露的确切形式上。鉴于本披露可进行许多修改和变化。此处的意图是使本发明的范围不受本详细说明的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (68)

1.一种金属粘结的研磨工具，包括：
a.磨料颗粒；
b.一种金属粘结剂组合物，包括镍、锡以及一种预合金的青铜，其中该预合金的青铜在结构上基本上连续的一个相中存在；以及
c.小于约20体积％的总孔隙性。
2.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该工具的总孔隙性是小于约10体积％。
3.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该工具基本上是完全致密化的。
4.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该连续的预合金的青铜相基本上没有孔隙性。
5.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该连续的预合金的青铜相包括孔隙性。
6.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该粘结的研磨工具是一种磨轮。
7.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该工具是自修饰的。
8.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒是金刚石磨料颗粒。
9.如权利要求8所述的金属粘结的研磨工具，其中这些金刚石磨料颗粒具有的粒度是在从约2微米至约120微米的范围内。
10.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中这些磨料颗粒的至少一部分具有包括一种金属或其合金的一个涂层。
11.如权利要求10所述的金属粘结的研磨工具，其中该金属选自下组，其构成为：铜、镍、银、钨、钛、铬、硅、以及它们的任何组合。
12.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该预合金的青铜包含的铜与锡的比例是在按重量百分比计从约75∶25至约40∶60的范围内。
13.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该金属粘结的研磨工具进一步包括一种填充剂。
14.如权利要求13所述的金属粘结的研磨工具，其中该磨料颗粒存在的量值是在从约5体积％至约40体积％的范围内，该金属粘结剂组合物存在的量值是在从约26体积％至约95体积％的范围内并且该填充剂存在的量值是在从约0至约15体积％百分比的范围内。
15.如权利要求13所述的金属粘结的研磨工具，其中该填充剂选自下组，其构成为：碳化钨、碳化硅、氧化铝，石墨、六方氮化硼以及它们的任何组合。
16.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中镍存在的量值是在从约20％至约94.9％的范围内，锡存在的量值是在从约0.01％至约60％的范围内并且青铜存在的量值是在从约0.01％至约50％的范围内，基于该金属粘结剂组合物的总重量。
17.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该总的孔隙性是固有孔隙性。
18.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该总的孔隙性包括固有孔隙性。
19.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该金属粘结剂组合物基本上由镍、锡以及青铜组成。
20.如权利要求1所述的金属粘结的研磨工具，其中该金属粘结剂组合物由镍、锡以及青铜组成。
21.一种用于生产金属粘结的研磨工具的方法，该方法包括：
a.使磨料颗粒与包括镍、锡金属以及一种预合金的青铜的一种金属粘结剂组合物合并；
b.将该合并的磨料颗粒以及金属粘结剂组合物形成为一种成形本体；并且
c.将该成形本体致密化以生产该金属粘结的研磨工具，
其中该金属粘结的研磨工具具有小于20％的孔隙性。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括压制该成形本体。
23.如权利要求21所述的方法，其中该方法包括热压。
24.如权利要求21所述的方法，其中该方法包括冷压。
25.如权利要求21所述的方法，其中该方法包括热压印。
26.如权利要求21所述的方法，其中致密化是通过在从约400C至约1100C的范围内的温度下进行烧结。
27.如权利要求21所述的方法，其中使这些磨料颗粒、该金属粘结剂组合物或两者进一步与一种填充剂合并。
28.如权利要求21所述的方法，其中该填充剂选自下组，其构成为：碳化钨、碳化硅、氧化铝、石墨、六方氮化硼以及它们的任何组合。
29.如权利要求21所述的方法，其中这些磨料颗粒、该金属粘结剂组合物或两者进一步与一种孔诱导剂合并。
30.如权利要求21所述的方法，其中该预合金的青铜基本上没有固有孔隙性。
31.如权利要求21所述的方法，其中该成形本体不包括诱导孔的材料。
32.如权利要求21所述的方法，其中该金属粘结剂组合物基本上由镍、锡以及青铜组成。
33.如权利要求21所述的方法，其中该金属粘结剂组合物由镍、锡以及青铜组成。
34.一种通过如权利要求21至33所述的方法制成的用于球栅阵列的切片轮。
35.一种金属粘结的磨料物品，包括多个磨料颗粒以及一种粘结剂基体，该粘结剂基体包括：
a.一种金属粘结剂组合物，该金属粘结剂组合物包括：
(i)一种第一组分，该第一组分是具有的熔点在从约1100℃至约1600℃范围内的一种金属或金属合金；
(ii)一种第二组分，该第二组分具有的熔点为小于约700℃，所述组分能够形成一种瞬态液相，该液相完全或部分地溶解在该金属或金属合金中；以及
(iii)一种第三组分，该第三组分是一种预合金并且具有的熔点为小于约800℃，所述第三组分在一个结构上基本上连续的相中存在；以及
b.按体积计小于约20％的孔隙性。
36.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该粘结剂基体具有的硬度在100g的负载下在从约维氏硬度计60kg/mm2至约维氏硬度计400kg/mm2的范围内。
37.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中，这些磨料颗粒是选自下组，其构成为：金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅、碳化硼、以及它们的任何组合。
38.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中这些磨料颗粒的至少一些具有包括一种金属或其合金的一个涂层。
39.如权利要求38所述的金属粘结的研磨工具，其中该金属选自下组，其构成为：铜、镍、银、钨、钛、铬、硅、以及它们的任何组合。
40.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，进一步包括一种填充剂。
41.如权利要求40所述的金属粘结的磨料物品，其中该填充剂选自下组，其构成为：碳化物类、氧化物类、硫化物类、氮化物类、硼化物类、石墨以及它们的任何组合。
42.如权利要求40所述的金属粘结的磨料物品，其中该填充剂具有的熔点为大于约1200℃。
43.如权利要求40所述的金属粘结的磨料物品，其中该磨料颗粒在该物品中存在的量值是在从约5体积％至约40体积％的范围内；该金属粘结剂组合物在该物品中存在的量值是在从约26体积％至约95体积％的范围内；并且该填充剂在该粘结的磨料物品中存在的量值是在从约0至约15体积％百分比的范围内，基于该粘结的磨料物品的总体积。
44.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该金属或金属合金是镍、钴或铁。
45.如权利要求35所述的金属粘结的研磨物品，其中该第二组分选自下组，其构成为：锡、锌、铝、铟、铋、锑以及它们的任何组合。
46.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该第三组分是铜-锡、铜-锌-磷或铜-锡-锌。
47.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该第二组分完全溶解在该金属或金属合金中。
48.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该金属粘结的磨料物品具有的孔隙性是小于约10体积％。
49.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该金属粘结的磨料物品基本上是完全致密化的。
50.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该第三组分包括孔隙性。
51.如权利要求35所述的金属粘结的磨料物品，其中该第三组分基本上没有孔隙性。
52.如权利要求35至51中任一项所述的金属粘结的磨料物品，其中该金属粘结剂组合物基本上由以下项组成：
(i)一种第一组分，该第一组分是具有的熔点在从约1100℃至约1600℃范围内的一种金属或金属合金；
(ii)一种第二组分，该第二组分具有的熔点为小于约700℃，所述第二组分能够形成一种瞬态液相，该液相完全或部分地溶解在该第一组分中；以及
(iii)一种第三组分，该第三组分是一种预合金，具有的熔点为小于约800℃，所述第三组分在一个结构上基本上连续的相中存在。
53.如权利要求35至51中任一项所述的金属粘结的磨料物品，其中该金属粘结剂组合物由以下项组成：
(i)一种第一组分，该第一组分是具有的熔点在从约1100℃至约1600℃范围内的金属或金属合金；
(ii)一种第二组分，该第二组分具有的熔点为小于约700℃，所述第二组分能够形成一种瞬态液相，该液相基本上完全或部分地溶解在该第一组分中；以及
(iii)一种第三组分，该第三组分是一种预合金，具有的熔点为小于约800℃，所述第三组分在一个结构上基本上连续的相中存在。
54.一种制造金属粘结的磨料物品的方法，该方法包括：
a.形成一种成形本体，该本体包括磨料颗粒以及一种金属粘结剂***的组合，所述金属粘结剂***包括：
(i)一种第一组分，该第一组分是具有的熔点在从约1100℃至约1600℃范围内的一种金属或金属合金；
(ii)一种第二组分，该第二组分具有的熔点为小于约700℃，所述组分能够形成一种瞬态液相，该液相完全或部分地溶解在该金属或金属合金中；以及
(iii)一种第三组分，该第三组分是一种预合金，具有的熔点为小于约800℃，所述第三组分在一个结构上基本上连续的相中存在；并且
b.将该成形本体致密化以形成该金属粘结的磨料物品，
其中该金属粘结的磨料物品具有的孔隙性为小于约20体积％。
55.如权利要求54所述的方法，其中，这些磨料颗粒是选自下组，包括：金刚石、立方氮化硼、氧化铝、碳化硅、碳化硼以及它们的任何组合。
56.如权利要求54所述的方法，其中该成形本体进一步包括一种填充剂。
57.如权利要求56所述的方法，其中该填充剂选自下组，其构成为：碳化物类、氧化物类、硫化物类、氮化物类、硼化物类、石墨以及它们的任何组合。
58.如权利要求56所述的方法，其中该填充剂具有的熔点为大于约1200℃。
59.如权利要求56所述的方法，其中该磨料颗粒存在的量值是在从约5体积％至约40体积％的范围内；该金属粘结剂***存在的量值是在从约26体积％至约95体积％的范围内；并且该填充剂存在的量值是在从约0至约15体积％的范围内，基于该金属粘结的磨料物品的总体积。
60.如权利要求54所述的方法，其中该第二组分完全溶解在该第一组分中。
61.如权利要求54所述的方法，其中该金属或金属合金是镍、钴或铁。
62.如权利要求54所述的方法，其中该第二组分选自下组，其构成为：锡、锌、铝、铟、铋、锑以及它们的任何组合。
63.如权利要求54所述的方法，其中该第三组分是铜-锡、铜-锌、铜-锡-磷或铜-锡-锌。
64.如权利要求54所述的方法，其中该方法包括热压。
65.如权利要求54所述的方法，其中该方法包括冷压。
66.如权利要求54所述的方法，其中该方法包括热压印。
67.如权利要求54至66中任一项所述的方法，其中该金属粘结剂***基本上由组分(i)、(ii)和(iii)组成。
68.如权利要求54至66中任一项所述的方法，其中该金属粘结剂***由组分(I)、(II)和(III)组成。
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