TWI417169B - Cutting tools with the top of the complex cutting - Google Patents

Description

具有複數切削頂部的切削工具

本發明係有關一種的鑽石切削工具，尤其是有關具有複數切削頂部的切削工具。

一般鑽石砂輪或是鑽石修整器的磨粒需具備有切削的加工頂部，例如刃角、切削稜線、切削邊緣等，以利刺入材料內部，才能有移除工件材料的能力；尖點朝向工件或稜線朝向工件的鑽石磨粒具有銳利的切削刃角、切削稜線，其切削材料的效率佳；平面朝向工件的鑽石磨粒，利用平面周圍的切削邊緣也可從工件上切割、刨平材料，但其切削材料的效率較差。

台灣公開專利200707531揭示的一種修整晶圓研磨墊的修整器，包含：一基板，在該基板之上表面具有複數個凹槽；固著材料，充填在該複數個凹槽中；以及複數個磨粒，該複數個磨粒被該固著材料固著在該複數個凹槽中。其中該複數個凹槽係依規則性排列，該複數個凹槽之每一個凹槽尺寸僅能容納一顆磨粒。

申請人於2008年3月14日申請的申請號097109052揭示一種具有規則磨料轉向方法及產品，是一使平板設置多數個多邊柱形或錐形的定位單元，藉由機械力或振動方法或移動平板使多數個多面體的磨料的一部分分別自動落入多數個定位單元內，並自動轉向使磨料的其中一尖端突出平板的第一表面，或者可進一步使磨料的另一尖端穿過定位單元突出平板的第二表面，因此可方便將磨料依照所設定的排列圖案、間距結合平板，並利用定位單元的槽孔的大小及形狀控制磨料的尖端突出平板的露出高度，且利用定位單元本身的形狀來限制磨料，使磨料被定位後即難以轉動。

台灣公開專利200714416揭示一種具有燒結體研磨部位之工具及其製造方法，包括具有由超砥粒燒結體所構成的研磨部位之研磨工具，其中研磨部包含具有頂部之複數個研磨單位，各頂部相互地大約位於同一平面上。將多組平行溝群適當的形成於分割研磨部的境界部，使研磨單位盡可能地均等排列配置於研磨部整體。

美國專利US 7150677揭示的一種CMP修整器(CMP conditioner)，其修整面黏結多個鑽石磨粒，且鑽石磨粒的(111)晶面平行修整面朝向接觸CMP研磨墊的方向。但以平面接觸CMP研磨墊的切削效率較差。

為了提升鑽石切削工具的耐磨性及切削效率，而提出本發明。

本發明的主要目的，在提供一種具有複數切削頂部的切削工具，使複數個別的磨粒被排列在一基座的工作面上，該等磨粒是分別被加工成形而具有一頂部，頂部分別與該等磨粒外邊的晶面上端相連接，利用磨粒的較耐磨耗的晶面接觸一工件的被加工面，以提升切削工具的耐磨性，提升切削效率及延長使用壽命。

本發明的另一目的，在提供一種具有複數切削頂部的切削工具，使該等磨粒的頂部突出該工作面的高度彼此差異低於百分之20以內，以提升切削效率及品質。

本發明的其他目的、功效，請參閱圖式及實施例，詳細說明如下。

在本發明的敘述與申請專利範圍中，以下術語會依照以下所提出的定義而被使用。

「工作面」指的是工具在一個刨平或加工程序中接觸或被配置來接觸工件之材料的一面，在一些情形中，工作面可能只是面對工件而***作，但可能不是真的接觸到工件。

「一般平面」指的是外觀，包括平面的或輪廓外觀，係設置在基座表面上方，其具有磨粒之切削頂部、切削邊緣或切削稜線對齊於該一般平面，這種外觀的例子如同包括，但並不限制在波浪外觀、凸面外觀、凹面外觀以及複數階梯外觀等。

「頂部」是指磨粒相對於自切削工具的基座延伸出最大距離的部分。因此，當為了接觸工件時，磨粒的頂部可比切削工具的其他部分先接觸到工件的表面。頂部刺入工件的刺入深度與磨粒之間的間隔成正比，而其比率與研磨參數(如相對線速度較大則刺入較淺)及工件材質(如刺塑膠工件比金屬工作較深)有關。提高頂部的尖銳度可降低刺入阻力及刺入工作深度。因此多顆磨粒的形狀，其頂部的尖銳度及間距可決定這些磨粒刺入工件的深度分佈。頂部可為尖點狀、稜線狀、弧面狀或多邊形等形狀。

當一剛性的磨粒(Grit)在工件的表面加工時，工件的材料被移除的體積與材料的硬度、施於加工材料的正向力及材料的磨擦係數有關。

磨粒加工時依被加工的工件的材料特性可分為：

1.延性材料加工(Ductile materials mold)：如圖8所示，當磨粒61刺入延性材料的工件62時，工件62會產生塑性變型(Plastic deformation)，被加工的工件62表面620會有***的突出物621，這種現象在多顆磨粒61加工時，會在工件62的表面620產生許多的溝槽(Groove)，例如加工塑膠等材料。故當加工延性材料的工件62時，需要適當控制磨粒61間的距離，以利涵養(Chip pocket)材料產生塑性變型區域。

2.脆性材料加工(Brittle materials mold)：如圖9所示，當工件63的硬度較硬時，工件63在磨粒61的兩端會產生側向的微裂紋631，甚至會將工件63成微塊狀(Micro cracking)的方式移除。例如加工矽晶圓或是玻璃等硬脆材料。

如圖9、10、11所示，如適當的設計磨粒61的頂部611的楔角角度(Wedge angle,θ)、磨粒61的間距(d)及加工的斜角(α)，如圖11所示，便可控制磨粒61的刺入工件64的深度(D_p )及切屑641的側向裂紋寬度(L)，如圖9所示，使工件64的表面642產生連續的微塊狀的切屑641，除了可以有效移除材料外，也可控制工件64的表面粗糙度。

由於磨粒61的形狀不一致時與工件64(被加工物)相互作用，因產生干涉而有深淺不同的加工痕跡。故有些磨粒61會切割(Cutting)工件64的材料，有些磨粒61會犁起(Plowing)工件64的材料，有些磨粒61僅在工件64的表面642滑過(Sliding)。這些複雜的磨削動作，使工件64的表面642的磨痕微細(視磨粒大小而定)、不規則，而磨粒61產生滑動情形越多，切削能力越差。

磨粒61與工件64之間，包括下列三種相互作用模式：

1.切削作用(Cutting)：在切削的過程中工件64有切屑641的產生，如圖11、12所示。

2.犁切作用(Plowing)：在犁切的過程中，工件62產生塑性變形，並沒有切屑的產生，而是在磨粒61的兩側產生脊形的突出物621，如圖8所示。

3.摩擦作用(Rubbing)：磨粒61沿著工件64的表面642磨擦，工件64的表面642產生彈性變型部(Elastic deformation)644，如圖13所示。

在實際的加工狀態，這三種模式都會發生，但是哪一種模式的發生機率較大，依據磨粒的刺入深度及頂部的形貌設計而定，如磨粒頂部的的楔角小時，磨粒較為尖銳，刺入工件的深度(Dp)相對較容易，但是其強度也相對較弱；相反的，當楔角的角度較大時，較不易刺入材料，但有較高的耐磨性。如圖11所示，當磨粒61以正斜角(Rank angle,+α)加工時，切屑641較易沿著磨粒61面滑移，順著剪切面產生變形，而將切屑641移除，有利於加工效率；如圖12所示，當磨粒61以負斜角(-α)加工時，工件64容易被磨粒擠壓，工件64會因會犁切作用產生塑性變形，尤其是軟材料時更容易發生。

如圖10、11、14、15所示，當考慮到刺入深度(Dp)與接觸角(Attack angle,β)的關係時，當磨粒61的楔角(θ)愈小時，磨粒61與加工材料的接觸角(β)就愈大，如圖11所示，更容易移除被加工的材料中；接觸角(β)除了與磨粒61的楔角有關外，與加工的斜角(Rake angle,α)也有很大的關係，當負斜角的角度愈大時，接觸角(β)愈小，如圖15所示，材料愈容易被擠壓，材料的移除率愈低。如圖14所示，磨粒61與加工材料的接觸角(β)介於如圖11、15所示的接觸角(β)之間。

磨粒的形貌、楔角角度、銳角尖度(Nose radius,r)以及磨粒的間距都會影響磨粒刺入材料的深度及材料的移除率，因此有效控制這些變因，可使加工模式達最佳化。

鑽石的結晶有其方向性，如八面體的鑽石其每一晶面皆是(111)晶面，是碳原子排列最緊密的面，所以硬度較大，也就是較耐磨耗；如六面體的鑽石其每一晶面皆是(100)晶面，是碳原子密度較低的面，所以硬度較軟。因此鑽石在進行切磨拋光時，研磨至鑽石的(111)晶面時即難以繼續加工，而可獲得如圖1、2A、2B、3所示各種不同形狀的鑽石磨粒11、12、12’、13。鑽石磨粒11、12、12’、13的外邊具有複數個(111)晶面111、121、121’、131。鑽石磨粒11、12、12’、13分別具有頂部110、120、120’、130；頂部110、120、120’、130分別呈尖銳狀、稜線狀、弧面狀及平台狀；頂部110、120、120’、130分別與複數個(111)晶面111、121、121’、131的上端相連接。

利用機械研磨加工、能量束切割等多種加工方法，可加工鑽石形成具有頂部的特定形狀，除了上述圖1、2A、2B、3所示鑽石磨粒11、12、12’、13所示的形狀外，也可形成圓錐形、三邊錐形、四邊錐形或是其他多邊錐形的形狀、或是稜鏡形、四邊體、多邊體的形狀，除加工面的形狀改變外，其他鑽石原生面的形狀仍可保留，且頂部與鑽石磨粒外邊的被加工晶面的上端相連接，例如較耐磨耗的(111)晶面，利用(111)晶面對工件進行切削、研磨，可使工具的研磨壽命延長。

本發明係提供一種具有複數切削頂部的切削工具，可被用來切割或做其他作用於一工件以從工件中移除材料，並可提供工件有一完整、均勻和/或平坦的表面。本發明之切削工具可有效地被應用，例如一從工件刨除材料的刨平裝置、用於加工不同工件的加工裝置以及一研磨各種不同工件的研磨裝置。

如圖4、5所示，本發明之第一實施例的切削工具20，包括一基座21，該基座21包括一工作面211，工作面211朝向如圖6所示的工件30，以執行切割或刨平的工作；複數個別的磨粒22、23、24、25等可被排列在基座21的工作面211上，而磨粒22、23、24、25分別被加工成形而具有一頂部221、231、241、251；頂部221、231、241、251的楔角的角度為30~150度；磨粒22、23、24、25分別與工件30的接觸角為30~150度。頂部221、231、241、251分別為磨粒22、23、24、25最突出的部分，也可為具有尖銳形狀部分，且尖銳形狀部分的尖點其半徑小於100微米(Micron)。磨粒22、23、24、25的直徑大於0.5毫米。該基座21是一圓盤狀。磨粒22、23、24、25是以特定圖案排列在工作面211的表面，例如圖4所示複數直線排列的特定圖案200。工作面211的表面結合超過一百顆的磨粒22、23、24、25。磨粒22、23、24、25可為工業鑽石磨粒。本實施例的切削工具20也可包括如圖1、2A、2B、3所示各種不同形狀的鑽石磨粒11、12、12’、13。

如圖4、5所示，該等頂部221、231、241、251與一般平面40的高度差在10微米(Micron)以內。該等頂部221、231、241、251之間的間距為該磨粒22、23、24、25的直徑的3~10倍。如圖4、5、6所示，每一個頂部221、231、241、251突出工作面211的高度彼此差異低於百分之20以內，使大部分的頂部221、231、241、251均能同時刺入工件30，在工件30的表面形成較多的溝槽，以提升切削效率及品質。

如圖6所示該磨粒22切削頂部221可抵靠工件30，且磨粒22與該工件30可相對的移動，如圖6中的箭號所示，以割、切、刨或其他從工件30移除小片體或切屑31，使得該工件30的表面非常平坦且具有特定溝紋形狀。

磨粒22、23、24、25分別為圓錐形、四邊錐形、五邊錐形、三邊錐形或是其他多邊錐形的特定形狀、或是稜鏡形、四邊體、多邊體的形狀。磨粒22、23、24、25可分別為鑽石磨粒，其頂部221、231、241、251分別與鑽石磨粒外邊被加工的晶面上端相連接，例如(111)晶面，利用此晶面接觸被研磨工件，對工件進行切削、研磨，而較為耐磨耗。

如圖7所示，本發明第二實施例的切削工具50，包括一基座51，該基座51包括一工作面511，工作面511朝向如圖6所示的工件30，以執行切割或刨平的工作；複數個別的磨粒22、23、24、25等可被排列在基座51的工作面511上；磨粒22、23、24、25分別與工件的接觸角為30~150度。基座51是輪狀。本實施例的切削工具50也可包括如圖1、2A、2B、3所示各種不同形狀的鑽石磨粒11、12、12’、13。

本發明的磨粒可為立方晶氮化硼(cBN)磨粒、鑽石磨粒等超硬材料磨粒。

本發明可利用電鍍材料、燒結材料、樹脂材料(Polymer materials)、焊接材料等材料作為結合劑固定結合磨粒和基座，例如利用金屬材料作為結合劑以硬銲(Brazing)或燒結(Sintering)等結合作業，將磨粒固定在基座上。

本發明的基座可為金屬、金屬合金、塑膠、陶瓷、複合材料等任何材料之基座。

本發明之切削工具可被使用在不同的應用中，其中一實施例是特別適用於刨平實質上是易碎的工件，例如矽晶圓、玻璃片、金屬、經平坦化回收的使用過矽晶圓、LCD玻璃、LED基材、碳化矽晶圓、石英晶圓、氮化矽、氧化鋯等。在習用的矽晶圓處理科技中，被研磨的晶圓一般可被載具乘載並定位在一設置在旋轉平台上之研磨墊上，當施與研磨劑於研磨墊並施與壓力在載具上時，該晶圓可藉著平台與載具相對的移動而被磨光，因此，該矽晶圓實際上是藉由細小的研磨料作用而被磨平或磨光，以得到一相對光滑的表面。

本發明之切削工具也可被使用在化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing,CMP)中，作為一拋光墊修整器(Pad Dresser)，即如圖6所示該工件30可為一CMP拋光墊，本發明之切削工具可在CMP拋光墊形成特定大小、形狀的粗糙區域32。粗糙區域32的粗糙度(Ra)小於50微米，且粗糙區域32形成的纖維(Asperities)頂部並未突出超過CMP拋光墊表面的平均高度大於20微米。

本發明具有複數切削頂部的切削工具，是使複數個別的磨粒被排列在一基座的工作面上，該等磨粒是分別被加工成形而具有一頂部，該等頂部的楔角的角度為30~150度，該等磨粒分別與工件的接觸角為30~150度，該頂部的方向可垂直於磨粒的晶格的被加工面，以提升切削工具的耐磨性，提升切削效率及延長使用壽命；進一步使該等磨粒的頂部突出該工作面的高度彼此差異低於百分之20以內，以提升切削品質。

以上所記載，僅為利用本發明技術內容之實施例，任何熟悉本項技藝者運用本發明所為之修飾、變化，皆屬本發明主張之專利範圍，而不限於實施例所揭示者。

11、12、12’、13．．．鑽石磨粒

110、120、120’、130．．．頂部

111、121、121’、131(111)．．．晶面

20、50．．．切削工具

200．．．特定圖案

21、51．．．基座

211、511．．．工作面

22、23、24、25、61．．．磨粒

221、231、241、251、611．．．頂部

30、62、63、64．．．工件

31、641．．．切屑

32．．．粗糙區域

40．．．一般平面

620、642．．．表面

621．．．突出物

631．．．微裂紋

644．．．彈性變型部

圖1為頂部呈尖銳狀的鑽石磨粒的示意圖。

圖2A為頂部呈稜線狀的鑽石磨粒的示意圖。

圖2B為頂部呈弧面狀的鑽石磨粒的示意圖。

圖3為頂部呈平台狀的鑽石磨粒的示意圖。

圖4為本發明第一實施例的切削工具的示意圖。

圖5為圖4中的AA剖面示意圖。

圖6為本發明切削工具切削工件的示意圖。

圖7為本發明第二實施例的切削工具的示意圖。

圖8為磨粒刺入工件產生塑性變形的示意圖。

圖9為磨粒刺入工件產生側向的微裂紋的示意圖。

圖10為複數磨粒切削工件的示意圖。

圖11為磨粒以正斜角加工時的示意圖。

圖12為磨粒以負斜角加工時的示意圖。

圖13為磨粒沿著工件的表面磨擦產生彈性變型部的示意圖。

圖14為磨粒以較小的接觸角加工時的示意圖。

圖15為磨粒以更小的接觸角加工時的示意圖。

20．．．切削工具

200．．．特定圖案

21．．．基座

211．．．工作面

22、23、24、25．．．磨粒

221、231、241、251．．．頂部

Claims (26)

1. 一種具有複數切削頂部的切削工具，包括：一基座，其具有一工作面，該工作面朝向並面向一工件；複數個別的磨粒，是依不同的加工特性需要組合排列在該基座的工作面上；其特徵在於：該等磨粒是分別被加工成形而分別具有一頂部的特定形狀，該等頂部分別突出該工作面，該等頂部分別突出該工作面的高度彼此差異低於百分之20以內；該等頂部與一般平面的高度差在10微米以內；其中該等磨粒之間具有空隙，以調節該等磨粒刺入該工件的深度，以在該工件上刻劃出特定分佈的溝紋，且該特定分佈的溝紋決定該工件的表面的粗糙度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒為立方晶氮化硼磨粒或鑽石磨粒其中之一者。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒的形狀是圓錐形、多邊錐形、稜鏡形、四邊體或多邊體其中之一者。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒的直徑大於0.5毫米。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等頂部之間的間距為該等磨粒的直徑的3~10倍。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒是分別被機械研磨加工或能量束切割加工其中之一的加工成形的。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具有複數切削頂部的切削工具， 其中該等磨粒是以特定圖案排列在該工作面的表面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該工作面的表面結合超過一百顆的該等磨粒。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒的形狀是圓錐形或多邊錐形其中之一者；該等頂部分別為該等磨粒具有尖銳形狀部分的尖點且其半徑小於100微米。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該基座為金屬、金屬合金、塑膠、陶瓷或複合材料之基座其中之一者。
11. 如申請專利範圍第10項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒和該基座之間是以電鍍、燒結、焊接固定結合，或以樹脂材料作為結合劑固定結合。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒和該基座之間是以金屬材料作為結合劑，以硬銲作業或燒結作業其中之一的作業將該等磨粒固定在該基座上。
13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該基座是圓盤狀。
14. 如申請專利範圍第13項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該切削工具是一拋光墊修整器；該工件是一拋光墊。
15. 如申請專利範圍第14項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該拋光墊是一CMP拋光墊。
16. 如申請專利範圍第15項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該切削工具在該CMP拋光墊形成特定大小、形狀的粗 糙區域；該粗糙區域的粗糙度小於50微米。
17. 如申請專利範圍第16項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該粗糙區域形成的纖維頂部並未突出超過該CMP拋光墊表面的平均高度大於20微米。
18. 如申請專利範圍第17項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒為鑽石磨粒；且該等鑽石磨粒的頂部分別與該等鑽石磨粒外邊的晶面的上端相連接。
19. 如申請專利範圍第18項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等鑽石磨粒外邊的晶面是(111)晶面。
20. 如申請專利範圍第19項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒為工業鑽石磨粒。
21. 如申請專利範圍第20項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒的頂部分別呈尖銳狀、稜線狀、弧面狀及平台狀其中之一者。
22. 如申請專利範圍第1至12項中任一項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該基座是輪狀。
23. 如申請專利範圍第22項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒為鑽石磨粒；且該等鑽石磨粒的頂部分別與該等鑽石磨粒外邊的晶面的上端相連接。
24. 如申請專利範圍第23項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等鑽石磨粒外邊的晶面是(111)晶面。
25. 如申請專利範圍第24項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒為工業鑽石磨粒。
26. 如申請專利範圍第25項所述之具有複數切削頂部的切削工具，其中該等磨粒的頂部分別呈尖銳狀、弧面狀、稜線狀及平 台狀其中之一者。