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第四章 研光原理. 第四章 研光原理. 4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同 4.2 研光加工原理與加工方式 4.3 金屬材料的研光 4.4 非金屬材料 ( 硬脆材料 ) 的研光. 4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同. 對於 切削加工 ( 第 2 章 ) 與 研磨加工 ( 第 3 章 ) ，為刀具進刀後加工 運動控制方式 的加工方法。 研光加工 與 拋光加工 ，是將刀具以所定壓力，壓在工作物上 ( 研光、拋光 ) 加工，為 壓力控制方式 的加工方法。. 4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同.
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第四章 研光原理 • 4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同 • 4.2 研光加工原理與加工方式 • 4.3 金屬材料的研光 • 4.4 非金屬材料(硬脆材料)的研光
4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同 • 對於切削加工(第2章)與研磨加工(第3章)，為刀具進刀後加工運動控制方式的加工方法。 • 研光加工與拋光加工，是將刀具以所定壓力，壓在工作物上(研光、拋光)加工，為壓力控制方式的加工方法。
4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同 • 切削、研磨加工與研光、拋光，任何一種都是以固體的硬質刀具，壓著削除的機械式加工方法，故以一定進刀來加工，以一定壓力來加工，並沒有什麼很大的不同。 • 運動控制與壓力控制，在原理上是完全不同的加工方式，裝置構成或操作方法、加工特性，也有很大的不同。圖4.1為兩者特徵的比較。
4.1 切削、研磨加工與研光、拋光加工的不同 • 具體來說，我們都很清楚使用游離磨粒，做研光、拋光外，使用磨輪的搪光、超精加工等，為壓力控制方式的加工方法。 • 近年來，半導體元件、光學零件、磁記錄零件等，相對於機電整合相關的高機能材料，超精密加工的需求，正飛躍式的在增加中。這些零件基本上大多使用研光、拋光。
圖4.1 運動控制方式與壓力控制方式的特徵比較
4.2 研光加工原理與加工方式 • 4.2.1 研光加工原理 • 4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備
4.2.1 研光加工原理 • 研光及拋光都是經由磨粒，在一定的壓力下，利用刀具與加工物的相對運動，以轉印刀具形狀的加工方法。 • 雖然涵蓋於研磨加工中，但是基本上如表4.1所示的意義與區分，是很容易了解的。
4.2.1 研光加工原理 • 研光為使用數微米以上的粗磨粒、金屬或陶瓷等硬質刀具(稱為研光機)，迅速接近所定的形狀、尺寸的工程。 • 拋光的定位是在降低研光或研磨加工後的表面粗糙度或平滑化的同時，致力於減少加工變質層，完全去除的工程。 • 表4.2所示，為經過整理後的研光與拋光要因。兩者均使用同樣的裝置，一般是進行平面、球面、非球面形狀的單面加工，或兩面同時加工。
4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備 • 表4.3所示，為用於研光、拋光的磨粒。氧化鋁、碳化矽、碳化棚等，常做為研光用磨粒。 • 表4.4所示範例，為研光及拋光使用的材質及其使用對象。
4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備 • 研光所要求的條件有： • (1)磨粒保持能力高 • (2)磨耗少，可長期維持形狀精度 • (3)由於負荷或自重造成的變形小 • (4)材質均勻，沒有硬度不均的情形 • (5)沒有因擦痕等產生傷痕原因之缺陷或不純物。 • 具體來說，它大多用在硬質金屬(鑄鐵或鋼)或無機材料(陶瓷或玻璃)。
4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備 • 表4.5所示，為研光裝置的各種方式。 • 最基本且最廣泛使用的為圖4.2所示的修正輪式單面研光裝置。將工作物的一面，以一定的負荷施壓於旋轉的圓盤狀研光機上，工作物本身也跟著旋轉，全體運動跡軌機隨式，以使加工表面的去除量均勻。
4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備 • 在研光平行平面的薄板，像矽晶片或玻璃基板等，如圖4.3所示，是使用兩面研光機。 • 是將工作物置於稱為載體的夾具上，其厚度比工作物稍薄，再使上下研光機做相對運動，而研光平行面的方式。因兩面可均勻加工，故對上下研光機的相對速度、工作物旋轉軌跡、供給研磨液的方法，必須選擇最適當的條件。
4.2.2 研光用磨粒、工具、加工設備 • 而在切斷薄板方面，是使用與平面研光相同的機構，供給游離磨粒來加工的研光切斷法。圖4.4所示，為多切割刀片與多線割刀具概略圖。 • 在這些方式當中，薄的高張力鋼片及細直徑線，擔任了研光的角色。在 8英吋(2OOmm)以上的大口徑矽晶片製造工程，一般是使用多線切割刀具，來加工單結晶晶塊。
4.3 金屬材料的研光 • 金屬材料如在切削加工或研磨加工所敘述的基本上是以塑性變形為基礎，以變形破壞機構來加工的。 • 即使在研光中，也是以保持在研光機的磨粒前端，壓入加工物表面，以加工物移動的距離，切出溝槽來。 • 實際上如圖4.5所示，即使磨出溝槽來，但是在金屬材料的情況，絕對不是就這樣去除，而大多情形只是在兩邊有隆起的材料移動。磨出的溝槽會相互重疊並干涉。
4.3 金屬材料的研光 • 粗研光是採加研磨液，精研光則不加研磨液。 • 加研磨液的研光，磨粒在研光機與工作物間，一邊轉動一邊磨粒前端的切刃，分別做微小量的研削，會產生無光澤的梨皮面。 • 但是未加研磨液的研光，磨粒是埋入研光機，與研磨加工一樣，是以突出的磨粒前端之拉擦作用為主。故細的拉擦傷痕集中成為光澤面。 • 在實際工作現場，塊規的配置或疊法，旋轉方法、條件等，大部分要靠熟練者的技能。
4.4 非金屬材料(硬脆材料)的研光 • 4.4.1 加工機構： • 非金屬材料來說的話，包含塑膠或木材等。 • 使用高精度的研光材料，有機電整合用結晶材料、玻璃、陶瓷等無機材料為主。 • 這些材料幾乎都具有硬又脆的機械特性，可說比金屬更適合研光的材料。
圖4.9所示的加工模組可以了解，例如像玻璃般的脆性加工物，在游離磨粒作用時：圖4.9所示的加工模組可以了解，例如像玻璃般的脆性加工物，在游離磨粒作用時： • (Ⅰ)介於其中的磨粒，其粒徑較大的磨粒前端，會最先壓入加工物，而產生破裂。 • (Ⅱ)該破裂繼續發展下去，而脫離表面或在附近產生同樣的破裂與交叉，成為片狀物(加工屑)而脫落。 • (Ⅲ)在此過程中，進行加工。在脆性材料時，沒有在金屬般的埋入磨粒或被削部分的流動、堆積現象，故加工特性基本上有較為單純的趨勢。
4.4.1 加工機構(續) • 圖4.10所示在研光玻璃時，磨粒種類或粒徑是如何影響加工量的。硬度愈高的磨粒，其加工效率愈高，且了解大概與粒徑成正比，加工量也會增加。 • 圖4.11所示為磨粒粒徑與表面粗糙度的關係，我們理論與實驗兩者，可很清楚知道粒徑愈大表面粗糙度也愈大。
4.4.1 加工機構(續) • 研光過的加工物表面粗糙度，會因其材質不同而異。表4.7所示，為一個例子。 • 使用相同粒徑的磨粒，研光各種材料時，整理出表面粗糙度與材料特性的關係。 • 抗拉強度愈小的材料，裂痕侵入的深度愈深，故形成粗糙度也愈大。
圖4.11研光精加工表面粗糙度的理論值與量測值圖4.11研光精加工表面粗糙度的理論值與量測值
表4.7 平均粒徑M=2Oμm的磨粒之研光加工表面粗糙度
4.4.1 加工機構(續) • 圖4.12所示是以表4.7中，抗垃強度大而不容易破裂的材料(藍寶石)之研光特性，可了解這種情況，磨粒粒徑大概也與表面粗糙度，有成正比的關係。 • 圖4.13所示為整理出由研光劑分離回收的藍寶石片狀物(切屑)之大小與表面粗糙度的關係。切屑的大小所形成的表面粗糙度值幾乎相等。
圖4.13研光藍寶石的磨粒粒徑與脫落切屑表面粗糙度的關係圖4.13研光藍寶石的磨粒粒徑與脫落切屑表面粗糙度的關係
4.4.1 加工機構(續) • 研光脆性材料，由於裂痕的傳播及其交叉的發展，在研光加工後的表面，留下裂痕是無法避免的。圖4.14所示是調查殘留在LiTaO3單結晶的研光機表面下，潛在裂痕深度的結果。 • 由圖4.15所示可以明白，將殘留裂痕的表層，只去除1.5μm左右而予以腐蝕，起因於裂痕的變形，就可以完全消滅。這意味著相反的，在研光後進行腐蝕，在品質管理上必須去除裂痕。
圖4.14在LiTaO3單結晶的研光面斜拋光，以HF46％水溶液腐蝕所出現的裂痕深度圖4.14在LiTaO3單結晶的研光面斜拋光，以HF46％水溶液腐蝕所出現的裂痕深度
圖4.15 利用在矽研光面的腐蝕，減少彈塑性變形區域
4.4.2 加工特性 • 實際的研光工作，選擇加工條件當然很重要。 • 可以用水作為加工液，但為了提高液體黏性，同時使磨粒的分散性變佳，一邊加上CMC(碳甲醇)，特別是在需要長時間運轉的生產現場，為了防止乾燥或防鏽的目的，也有使用輕油或酒精。
4.4.2 加工特性(續) • 圖4.17所示，為研光玻璃的研光劑濃度與加工量的關係。 • 使用研光劑組成，會產生若干的差異，使用#400(粒徑約4Oμm)的氧化鋁磨粒時，不靠加工壓力，而以磨粒濃度40~50%，就可以達到最大加工效率。
4.4.2 加工特性(續) • 圖4.18所示為利用矽晶片的WA磨粒來研光，在開始加工時，供給研光劑後，不再補充而繼續加工時，磨粒直徑的變化(a)與加工效率變化(b)的例子。 • 可知很快的磨粒會因破碎而使粒徑變小，隨著加工效率也會降低。
