高級黃銅合金樂器的表面研磨拋光優化處理

產業: 高級樂器
需求: 表面研磨拋光優化處理
材料: 黃銅; 銅合金
機械加工: 鑄造, 衝壓, 焊接

處理前現象: 

處理後表面狀況: 

  

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歡迎來到利豐行的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供精密表面處理的代理商，應對廠商高品質的表面處理需求，我們可以協助廠商滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的表面處理品質，這是現有相關技術無法比擬的，表面處理技術皆集中於去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨,拋光, VTD PVD工具鍍膜, 光學鍍膜 optical coating, 金屬濺鍍 metallization,absolute chemie 精密CVD/PVD退鍍工藝和 EMAG Precision Electrochemical Machining 精密電化學加工技術 (ECM / PECM) 取代放電加工), EMAG 硬車削/乾式車削 hard turning, Koepfer 滾齒(齒輪加工製造) 技術, Reinecker, KARSTENS 內外圓研磨外圓+內圓曲面磨削, Naxos-Union曲柄軸研磨, 凸輪軸, KOPP非圓研磨, SW中心加工機, EMAG 雷射焊接, 自動化設備.。我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密需求高的軸承盒、射出成型的模具、高壓空氣閥、航太零配件、超高硬度的切削刀具、醫療配件及汽車用精密五金等等。我們的產品涵蓋了從桌上型到工業級的生產設備；從微細零配件到大型五金配件；從小型生產到大型量產；從半自動到全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗.

OTEC公司專門研發製造金屬和非金屬的精密表面處理技術及設備，如：切削刀具的鎢鋼和高速鋼之表面處理，並廣泛為世界級大廠所採用如：Guhring oHG；Iskar等等。利豐行引進最先進的去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨和拋光技術，並希望提供台灣廠商提昇產業競爭力及生產效益和使用壽命。OTEC精密表面處理技術被認定為世界的領導者之一。去毛邊, 去毛刺, 研磨拋光、邊緣導角、功能性、裝飾性，這些精密表面處理技術除了令人讚嘆外，OTEC的技術整合還考量到生產者的需求，讓生產者在質量上和效益上及成本上有一個完美的平衡。機械操作除了更人性化還能額外整合生產者目前的製造設備。OTEC的產品兼具美觀及實耐用，不佔空間卻能在最小的單位中創造出最大的質量，當你採購了OTEC的設備後，除了擁有出眾的表面處理技術讓您的競爭力提升外，當客戶拜訪您公司時也不免對您令眼相看而發出讚嘆，OTEC是您生意的好伙伴。

VTD為德國PVD真空鍍膜技術的佼佼者，其前身為東德的研究機構，技術開發人員就有二千多位，近來更是提供Laser Arc雷射鑽石鍍膜的設備及技術. 最新的ta-C雷射鑽石鍍膜比傳統的DLC類鑽膜更加堅強, 是一種無氫結構的鍍層, 可以低溫沈積並且可以沈積厚膜達30um以上在工件上. 加上最新的filter過濾技術, 在刀具及模具上可以鍍上光亮平滑且無droplet的鍍層. 這種新穎的PVD鍍膜技術在未來的工具鍍應用上, 精采可期！

另外有 EMAG ECM GmbH (ECM / PECM / uECM) 精微電化學加工技術在未來各種細微加工應用中佔有極大的優勢。該技術之優點係在於其加工能力與材料硬度無關，且能加工出微細及形狀複雜之表面結構，經由該製程加工後之產品表面具有粗糙度佳、無殘留應力及無裂縫產生, 無毛邊刺等優良特性，常應用於航太、光電半導體、醫療器材、綠色能源、模具等產業上，本次研討會中特別邀請國內外知名學者及專家，介紹於精微電化學領域內之各種加工技術，可應用於燃料電池雙極板、生物晶片、微流體動壓軸承、微噴嘴、次世次流體分配閥元件、模具等產品加工上，機會難得，精彩可期。 EMAG ECM GmbH為精密電化學切削的工程公司，其領先的技術，已在精密電化學切削領域達到量產化的水準。供顧客PECM精密電化學切削生產技術和客制化的製程設備。

利豐行著重於表面處理之前後製程技術，提供客戶individual & total finishing solutions 的整合作業，協助產業提升效能並降低成本。

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本館專門提供 OTEC 表面處理技術皆集中於去毛邊, 去毛刺, 導角, 精密研磨,拋光, deburring, smoothingand polishing. 還有VTD PVD 超硬工具鍍膜 tool coating, ta-C雷射鑽石鍍膜, 精密光學鍍膜 optical coating, 真空金屬鍍膜 metalization 和 absolute chemiePVD/CVD 退鍍工藝和 EMAG ECM / Precise Electrochemical Machining 精密電化學加工技術, 去毛邊刺, EMAG 硬車削/乾式切削 hard turning, Koepfer 滾齒加工製造技術, Reinecker, KARSTENS外圓研磨+內圓曲面磨削, Naxos-Union曲柄軸研磨, 凸輪軸, KOPP非圓研磨, SW中心加工機, EMAG 雷射焊接, 自動化設備. 其它非相關資料純粹供同好分享.

表面處理的目的及重要性

表面處理( Surface Treatment )

表面處理的對象非常廣泛,從傳統工業到現在的高科技工業,從以前的金屬表面到現在的塑膠,非金屬的表面.它使材料更耐腐蝕 ,更耐磨耗,更耐熱,它使材料之壽 延長,此外改善材料表面之特性,光澤美觀等提高產品之附加價值,所有這些改變材料表面之物理,機械及化學性質之加工技術統稱為表面處理 (surface treatment) 或稱為表面加工(surface finishing).

金屬表面處理(metal surface treatment)

金屬經初步加工成型後需修飾金屬表面,美化金屬表面 ,更進一步改變金屬表面的機械性質及物理化學性質等之各種操作過程,稱之為金屬表面處理.或稱之金屬 表面加工(metal surface finishing).


表面處理的目的

表面處理的目的可以分四大類:
(1) 美觀(appearance).
(2) 防護(protection)
(3) 特殊表面性質(special surface properties)
(4) 機械或工程性質(mechanical or engineering properties)

(1) 美觀(appearance)
為了提高製品之附加價值,賦予製品表面美觀,例如裝飾性電鍍
(decorative plating) Au, Ag, Rh, Ni, Cr,黃銅等電鍍 (electroplating).

(2) 防護(protection)
為了延長製品的壽命,再製品表面披覆(coating)耐腐蝕之材料,例如保護性電鍍(protective  plating) Zn,Cd,Ni,Cr,Sn 等電鍍.

(3) 特殊表面性質(special surface properties)

1. 提高製品之導電性(electrical conductiuity),例如電鍍Ag,Cu.
2. 提高焊接性(soderability)在通訊急電子工業應用,例如Sn-Pb 合金   電鍍.
3. 提高光線之反射性(light reflectivity ) 例如太空船,人造衛星的   外殼需
   反射光線,Ag及Rh的鍍層被應用上.
4. 減小接觸阻抗(contact resistance)例如在電子組件之Au及Pd電鍍.

(4) 機械或工程性質(mechanical or engineering properties )


1. 提高製品之強度(strenth),例如塑膠電鍍.
2. 提高製品之潤滑性 ( bearing properties ) 例如多孔洛電鍍
   (porous  chromium plating), 內燃機之鋁合金活塞 (piston) ,鍍   錫Sn以防止汽缸 (cylinder)壁刮傷.
3. 增加硬度(hardness)及耐磨性(wear resistance) ,例如硬洛電鍍(    hard chromium plating).
4. 提高製品之耐熱性,耐候性,抗幅射線,例如塑膠,非金屬之電鍍.
5. 滲碳(carburizing) ,氮化(nitriding) 之防止,例如鋼鐵表面硬化    (case hardening)時在不要硬化部份鍍Cu.



表面處理之重要性

表面處理工業雖然不是工業之主流,但只有透過表面處理,製品的特性及價值才能充份發揮出來.應用電鍍(plating),陽極處理(anodizing),化成處理(convesion coating),塗裝(coating)等工業技術,達到防蝕,增進可焊性,潤滑性,耐磨性,附著性及鋼材防止滲碳等的多項目的.

所以表面處理為各種加工製造工業不可或缺的過 從傳統工業到近代高科技,表面處理技術一直扮演非常重要性之角色.例如太空船,人造衛星,積體電路等之發展表面處理技術都有決定性之影響.由於表面處理對材料月異,帶動相關科技工程之進步.


表面處理技術之種類 從表面處理之特性可分類:


表
_____ 機械法 __ 珠擊法,切削,搪磨,撒砂,精磨,研磨,超加工.
面
_____ 冶金法 __ 表面硬化,(淬火,滲碳,氮化),擴散皮膜法.
形
_____ 化學法 __ 電解研磨,酸洗,化學研磨,酸蝕雕刻.
成


表
_____ 表面披覆__ 電鍍,無電鍍,熱浸鍍,熔射鍍,真空蒸著,陰極噴濺,
面
_____ 無機披覆__ 陽極處理,化成處理,著色,琺瑯處理.
披
_____ 有機披覆__ 塗裝,橡膠加襯,塑膠加襯.
覆


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VTD為德國PVD真空鍍膜技術的佼佼者，其前身為東德的研究機構，技術開發人員就有二千多位，近來更是提供Laser Arc雷射鑽石鍍膜的設備及技術. 最新的ta-C雷射鑽石鍍膜比傳統的DLC類鑽膜更加堅強, 是一種無氫結構的鍍層, 可以低溫沈積並且可以沈積厚膜達30um以上在工件上. 加上最新的filter過濾技術, 在刀具及模具上可以鍍上光亮平滑且無droplet的鍍層. 這種新穎的PVD鍍膜技術在未來的工具鍍應用上, 精采可期！

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凸輪軸的拋光研磨 smoothing and polishing of cam shaft

凸輪軸的拋光研磨 (4 photos)

smoothing and polishing of camshaft

凸輪軸是活塞引擎里的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在四衝程引擎里凸輪軸的轉速是曲軸的一半（在二衝程引擎中凸輪軸的轉速與曲軸相同），不過通常它的轉速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，其材質一般是特種鑄鐵，偶爾也有採用鍛件的。由於氣門運動規律關係到一台引擎的動力和運轉特性，因此凸輪軸設計在引擎的設計過程中佔據著十分重要的地位。 — at 利豐行事業有限公司 Li Fung Business Co., Ltd.

 
 
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未處理前
 
平滑化

拋光

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變速箱齒輪軸的表面優化處理: 去毛刺, 平滑化, 研磨與拋光的重要性

Polishing of Gear Shaft 

特殊表面優化處理改進齒輪的性能 

特殊表面處理對於減少滑動和滾動接觸的摩擦和磨損是非常有效的。這樣的特殊表面處理為齒輪的磨損問題提供了一個好的解決方案。有很多不同的機理限制了齒輪組的轉矩能力。這些曲線的實際形狀將取決於具體的齒輪應用。



但是對於所有的失效方式而言，特殊表面優化處理對於減少摩擦和磨損以及提高性能和壽命都是具有很大幫助。事實上，壽命試驗表明處理的齒輪，彎曲疲勞壽命增加50%以上。



通常情況下，齒輪輪齒在臨近節線C處會產生滾動摩擦，在這個區域的最普遍磨損方式是點蝕。



在節線BC和CD之間，齒輪面將經受滾動和滑動兩種磨損混合模式的接觸。在這個區域的一般磨損模式是點蝕和劃傷。
而在AB和DF之間的節線處，齒的接觸主要是滑動摩擦，從而引起磨損和劃傷。

利豐公司的特殊表面優化處理特別適合於齒輪壽命的延長和性能的提高。通過合適的表面優質化提昇和塗層兩者配合的綜效，處理後的表面能提高轉矩，功率密度，並允許同樣尺寸的齒輪傳動更高的功率。額外的好處還有它能降低潤滑水平面高度或潤滑劑粘度的要求，因為特殊表面處理有助於消除由渦流而引起的潤滑損耗。在很多方面，特殊表面優化處理能提高齒輪系統的性能和壽命。

齒輪需要去除毛刺跟拋光的功能在於減少摩擦的好處：

• 提高燃油經濟性
• 減少接觸疲勞
• 提高功率密度
• 減少潤滑要求和成本
• 較低的工作溫度
• 延長平均維護間隔時間
• 減少振動和噪音
• 延長零件壽命，並降低零件故障
• 降低維護成本

終端使用者的好處:

• 降低油耗
• 降低維護成本
• 減少維護時間
• 消除崩齒

零件壽命更長+降低故障率+更少的燃料和潤滑油的要求=增加值和降低總擁有成本

我們提供的表面工程技術，希望達到節約能源的願景，正因為如此，我們一直在努力幫助傳統產業和應用的環境, 幫助客戶延長零部件的使用壽命，並提高了效率. 我們獨特的工藝提供無毛刺, 光滑, 拋光的表面品質, 並幫助高性能傳動產業獲得更多的優勢.

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多晶鑽石刨平器：拋光墊的精密修整及硬脆材料的延性切割

切削刀具(Cutting Tools)乃以個別的尖點或切刃切削加工。超高壓燒結的多晶鑽石(Polycrystalline Diamond，PCD)複合片(Compact)是切削刀具的極品，在切削耐磨的材料(如A390高矽鋁合金)時，其壽命可達碳化鎢刀具的數十倍。世界最大的PCD Compact圓片(100 mmφ)已首次做成平坦的刨平器(Planer)，其表面可形成極多尖點或平面的切刃。這種PCD刨平器可用以修整化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)的拋光墊(Polishing Pad)，修整後的拋光墊其表面微細結構的均勻程度會遠勝於傳統鑽石修整器(Diamond Dresser)。PCD Planer 是製造半導體奈米級積體電路(Integrated Circuit 或IC)晶片的尖端利器。PCD刨平器也可用以刨削(Shave)硬脆材料(如矽晶圓及陶瓷基板)，當刺入深度僅數奈米時，硬脆的物質具延展性，因此可刨削出平坦而光滑的加工面。以這種新技術加工硬脆材料的速度會比傳統的研磨後再拋光操作簡單也快速得多。
化學機械拋光要埋設積體電路時晶圓表面需沈積多至十層的導電層(如Cu、Al、W)、絕緣層(如Black Diamond)和抗磨層(如TaN)。每次沈積之後必須將表面拋光使其平滑，這個技術稱為化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)。CMP為精密的拋光製程。在拋光時晶圓乃壓在一片旋轉的拋光墊(Pad)上。拋光墊通常為Polyurethane 所製而且也常含有氣孔(例如Rhom Haas的IC1010即含1/3約30μm的氣孔)。拋光墊只是供擦拭晶圓的「抹布」。晶圓表面突出處乃以塗佈在拋光墊表面的磨漿(Slurry)拋光。磨漿內含有與IC線寬相近(如90 nm)的懸浮磨粒(如10 wt%)。磨漿的液體通常也含氧化劑(如H2O2)或腐蝕劑(如酸液)。液體會和晶圓表面反應生成鬆散的氧化物，這就是CMP的化學反應。磨粒(如SiO2、Al2O3、CeO2)以拋光墊表面纖細的絨毛支撐就可擦拭晶圓的表面，這就是CMP的機械磨除。

圖一：CMP的製程示意圖，其中「鑽石碟」決定了晶圓與拋光墊的接觸面積和接觸壓力，因此也決定了晶圓拋光的效率及平坦化的品質。
磨粒對晶圓的壓力及相對速度越大，CMP的磨除速率就越高。為了加大局部的接觸壓力，拋光墊的表面必須刻上細紋(約20μm深)以減少和晶圓的接觸面積(至約5%)。在磨除時刻紋會逐漸消失，碎屑摻雜的磨漿也會累積在拋光墊的表面使其變得既硬又滑，這種現像稱為鈍化(Glazing)。拋光墊和晶圓的接觸面積增大後就降低了磨粒在晶圓表面的接觸壓力，這樣晶圓的拋光速率就會大減。更有甚者，骯髒的拋光墊會污染晶圓的表面使其缺陷密度增加。為了維持拋光速率及保持晶圓乾淨，拋光墊必須以「鑽石碟」(Diamond Disk)間歇修整(Dressing)或活化(Conditioning)。「鑽石碟」不僅可清除磨屑，還能在逐漸平滑的拋光墊表面刻出溝紋。這樣就可提高拋光墊對晶圓的摩擦阻力，使CMP 持續進行。

「鑽石碟」的設計「鑽石碟」乃為一個上面黏附鑽石(如150μm)的金屬(如不鏽鋼)圓盤(如100mmφ)。由於超硬的鑽石容易刮壞晶圓，它絕不能在CMP時自圓盤掉落。鑽石的惰性極大甚難將之附著在金屬盤上。傳統的方法乃將鑽石以電鍍的鎳層圍繞卡住或以燒結的金屬粉末(如鈷)掩埋夾住。這兩種方法都只能機械式的握持鑽石，所以鑽石仍然容易脫落。本人在「中砂」以熔融的鎳鉻合金和鑽石反應在表面形成碳化鉻的化學鍵。熔融的液體也會因表面張力而爬昇到鑽石表面形成緩坡，因此可將鑽石廣泛支撐(Massive Support)。這種強力的附著使鑽石永不脫落，既使故意把鑽石上部撞斷，其根基仍會崁在銲料之內。

圖二：電鍍鎳卡住的鑽石(上圖)及燒結鎳夾住的鑽石(中圖)被撞擊時都容易脫落。強力支撐的硬銲鑽石則永不脫落(下圖)。

早期的「鑽石碟」乃使用磨切石材的電鍍或硬銲工具。這種傳統的鑽石工具其上的鑽石分佈雜亂無章。1997年「中砂」推出「鑽石陣®」(DiaGrid®)鑽石工具(Sung, US Patent 6,286,498、6,039,641 、6,679,243)。1999 年「中砂」售出(聯電、IBM)第一批DiaGrid®「鑽石碟」，自此它就成為CMP的標竿產品，甚至是國內外競爭者師法的對象。2004 年全球「鑽石碟」的市場約$1億而其中的60%具有「鑽石陣」的特徵。

著名的創新公司3M也生產具有「鑽石陣」特徵的「鑽石碟」。由於它和「中砂」劇烈競爭乃控告「中砂」侵權，3M挾其強大的智權律師團隊窮追猛打「中砂」超過四年之久。其間本人反控3M侵權終迫其放手。2005年3月7日3M簽下和解書同意賠償本人及不再控告「中砂」。

圖三：電鍍(圖三之上圖)及硬銲(圖三之中圖)的鑽石碟，其上的鑽石分佈雜亂無章。「中砂的」DiaGrid®「鑽石碟」上的鑽石分佈則井然有序。
一般的表面加工只注意其粗糙度，對加工時所產生溝紋的分佈並不在意，所以可以使用雜亂無序的鑽石工具。然而修整CMP的拋光墊時刻紋的深淺、分佈，甚至形狀都會影響到晶圓的拋光。因此「鑽石陣」乃成為「鑽石碟」的主要設計。

傳統鑽石工具可以容忍鑽石脫落或崩裂，但「鑽石碟」上的鑽石絕不能脫落及崩裂。「鑽石碟」上鑽石的磨耗只是在頂端而已。因此鑽石必須保持鋒利，才能在拋光墊上刻劃出較尖且較密的紋路。一但鑽石磨鈍，拋光墊的切溝變淺也會加寬，這時晶圓的拋光速率會大降，而晶圓表面的缺陷數量也會驟增；這時「鑽石碟」的壽命已盡，必須立刻更換。

圖四：拋光墊的溝紋可以水波的特性描述，深度為振幅(浪高)而距離為波長(浪距)。溝紋越細密，拋光的速率越低但拋光墊支撐的時間越長，越規則的溝紋其拋光的速度也越穩定。
「鑽石陣」是「鑽石碟」設計的里程碑。「中砂的」DiaGrid®「鑽石碟」現為市場的領先者。為了拉大差距，本人安排世界最大的CMP 機台公司Applied Material 及世界最大的拋光墊公司Rhom Haas共同推薦DiaGrid®「鑽石碟」給所有的半導體客戶。
未來的CMP晶片的線寬仍大時可用較粗糙的拋光墊。但線寬依Moore定律的走勢進入奈米級(如2006開始的65 nm)，拋光時的壓力要大幅降低(如至0.1 PSI)，這時拋光墊上的刻紋不僅要細緻，也必須均勻。

圖五：「鑽石碟」上的鑽石尖點磨鈍後，拋光墊的摩擦力減小而表面累積的切屑逐漸增加，隨著銳利鑽石數量的減少，晶圓的磨除率就會降低而表面的缺陷數量則持續增加。
由於積體電路的線寬日趨微小，例如2005年開始執行90 nm的製程，晶圓表面平坦化及平滑度的要求就越來越高。鑽石除了分佈規則外，其頂點的等高度(Leveling)也要不斷改進。除此之外，為了因應晶片價格降低的長期走勢，「鑽石碟」的成本也需不斷壓低。為了因應這個趨勢，本人乃發明三種次世代的「鑽石碟」，包括由PCD Planer 改製的「先進鑽石碟」(Advanced Diamond Disk，ADD)、「電鍍鑽石碟」(Electroplated Diamond Disk，EDD)及「有機鑽石碟」(Organic Diamond Disk)。ADD乃將多晶鑽石燒結體以放電加工的方法刻劃出同樣形狀的尖錐。尖錐的頂點可在同一高度，其形狀也可設計。因此可在拋光墊上刻劃出細微而均勻的刻紋，這是現今鑽石碟無法做到的。未來的CMP 必須以極低的壓力進行才能避免磨穿奈米級的柔軟銅線及脆弱的低介電常數(Low K)電阻層，例如美國的Applied Material(世界最大的CMP機台公司)所發展的Electrolytic CMP(ECMP)就是以電解銅的方式降低拋光的接觸壓力。這種未來的CMP技術必須使用極細微刻紋的導電拋光墊，ADD 因可使鑽石尖角更利，似乎是唯一可用的拋光墊修整器。

圖六：拋光墊表面刻紋隨Moore定律走勢必須越來越微小，深淺也必須越來越均一。

EDD乃以反轉的電鍍製程使「鑽石碟」上的鑽石頂點都在同一平面上。EDD 所刻劃的紋路雖然不如ADD者細膩使其深度相當一致，目前所有「鑽石碟」上的鑽石高低不一，因此只能刻劃出深淺不規則的刻紋，EDD因此可取代現在產品成為下一代的「鑽石碟」。

ODD乃將化學鍍鎳的鑽石崁在堅硬的聚合物裏(如Polyimide、Bakelite或Arcrylic)。雖然鑽石乃以鎳層握持，但因鑽石只用尖端在軟質的拋光墊上刻畫出淺溝(如10μm)，因此不會自鎳層脫落。為了增加介面的接觸面積鎳層的外部呈刺蝟狀，所以可以牢牢的卡在塑膠裏。由於ODD乃以灌膠的方式在常溫下或低溫下製造，所以不僅鑽石頂點可控制在同一高度其製造成本也最低廉。除此之外，基材也不會因高溫(如硬銲)變形破壞了鑽石的等高度。鑽石沒有受到高溫破壞，它也不會在CMP時崩裂刮傷晶圓。ODD含有聚合物所以不怕酸，它也是CMP次世代的「鑽石碟」。

圖七：ODD「鑽石碟」的設計圖。這種「鑽石碟」的基材(如Epoxy)可以是完全透明的塑膠，鑽石掉落時以肉眼即可看出，因此它可成為無缺陷的產品。

ADD已在美國的Center of Tribology測試顯示其利度及壽命都遠超過現在最好的DiaGrid®「鑽石碟」。不僅如此，「拋光墊」被修整時的消耗也遠低於傳統的「鑽石碟」。因此使用ADD可顯著提昇拋光晶圓的品質，也能大幅降低CMP的成本。

圖八：ADD、EDD及ODD為次世代的CMP產品，可在拋光墊上刻劃出極細的均勻刻紋，是未來CMP製程不可或缺的利器。
以CMP製造下世代的晶片必須避免局部因拋光過度而凹陷(Dishing)。現有的「鑽石碟」在拋光墊上所刻的紋路參差不齊，因此極易造成金屬線路太薄。ADD所產生的刻痕均勻，尤其不會有特別突出的隆起處，所以拋光的晶圓表面不僅沒有凹陷，也會特別平整及光滑。

為因應Moore定律未來的走勢，全世界最大CMP機台的製造公司「應用材料」(Applied Materials)已全力發展出電解CMP(Electrolytic CMP，ECMP)。ECMP乃將金屬(如銅)在陽極氧化，再以拋光墊輕柔擦拭把鬆散的氧化物掃除，因此拋光墊決不容許有任何「殺手纖毛」。ADD是唯一可以在拋光墊上刻出細緻紋路的修整器，因此它會成為製造未來精密晶片必備的利器。

圖九：ADD上的鑽石錐不僅形狀相同，而且尖刃在同一高度。除此之外，它的基材為燒結的多晶鑽石，所以可以耐強酸及強鹼，甚至在通過電流時也不虞氧化或侵蝕，ADD是終極的CMP「鑽石碟」。ADD修整的「拋光墊」比較平整，而且沒有異軍突起的「殺手絨毛」(killer Asperities)，因此它拋光的晶圓較平滑也不會有常見的局部凹陷(Dishing)。


圖十：現有「鑽石碟」上的鑽石乃立於同一平面(上圖)，因此在拋光墊表面刻劃的切溝深淺不一，這是造成晶圓拋光不均與產品刮裂痕的主要原因。ADD的尖錐切刃高度一致，而且可以設計出特殊結構，因此可刻劃出均勻細緻的紋路，這是拋光奈米級晶片最好的CMP拋光墊。


圖十一：DiaGrid®「鑽石碟」修整「拋光墊」的絨毛(Asperities)高低差較大，而ADD者較均勻(蔡明義提供)。前者拋光晶圓易造成缺陷，後者則可生產高品質的IC。


圖十二：ADD在修整「拋光墊」時可迅速(15秒)恢復「拋光墊」的摩擦係數，比傳統「鑽石碟」所需時間(33秒)快了一倍以上。


圖十三：ADD 修整「拋光墊」的壽命比DiaGrid®「鑽石碟」長多倍。圖示在加速磨耗的實驗中DiaGrid®「鑽石碟」在70秒前就已磨鈍，但ADD卻可持續修整到超過300秒。

圖十四：現用「拋光墊」上的刻痕落差太大，CMP時異軍突起的「殺手纖毛」(Killer Asperities)會刮傷晶片(上圖)。「殺手纖毛」不僅較高，而且因曾過度擠壓而變硬，它們會刮傷晶圓。ADD修整的拋光墊紋路高低有致(下圖)，可以拋光出平整光滑的晶片。

圖十五；Applied Materials所發展的ECMP技術可能成為製造未來晶片的主流，ADD可望成為ECMP修整拋光墊不可或缺的利器(圖為Semiconductor Manufacturing, March 2006, Vol 7, Issue 3雜誌的封面)。
硬脆材料的延性切削
任何材料在極高壓的狀態下都會逐漸金屬化，既使如氫的氣體在數百萬個大氣壓下也會變成導電的金屬。遠在金屬化之前，材料的脆性會消失而變得可塑，因此極脆的陶瓷在高壓下也會流動變形。地殼表面的岩石相當硬脆，因此應力累積到某種程度就會破裂，甚至產生地震，但地殼深度的岩石可以流動，應力就不能累積，所以地震只在地表的淺處(＜30 Km)發生。

圖十六：硬的刀具可以刺入軟的材料，當刺入的刀尖硬如鑽石時，脆性的陶瓷也會塑性變形，有如金屬。
刀具接觸工件時其切削點的最大應力取決定刀具本身的硬度。硬度其實就是刀具原子間所能承受的壓力。如果刀刃的刺入不深，刀頭前的工件原子所受的壓力就可接近刀具的硬度，在這種高壓下既使是脆性的材料，例如陶瓷、玻璃、矽晶、石英、剛玉…等，也可以延性切削。如果刀具夠利，不僅可「削矽如泥」，而且由於刺入很淺，其切削面有如鏡面而粗糙度甚至比拋光更平滑。「以切代拋」不僅速度可快多倍，加工面的品質更可超越，因此是鏡面加工的最高境界。

圖十七：以PCD刨平器淺削矽晶圓的示意圖，圖中的數字為PCD刨平器刀刃刺入矽晶的深度。

圖十八：當PCD刀刃被磨鈍後，延性切削就變成脆性破壞。

圖十九：三刃型(上圖)及四刃型(下圖)PCD刨平器。

圖二十：PCD刨平器刀頭表面暴露的微晶鑽石。

要延性切削硬脆材料，必須使用最硬及最尖的刀具，鑽石是最好的尖硬刀具，也是唯一可以延性切削陶瓷等硬脆材料的刀具。

由於硬脆材料本身為磨料，既使硬如鑽石的切削刀具在加工時也會很快被磨鈍，因此以尖利的鑽石延性切削的過程十分短促，當刀刃磨鈍後它和工件的接觸面積會急速增加以致使壓力頓形散失。這時工件的脆性已經恢復，切面就會崩裂。大面積摩擦產生的熱來不及排除，切面也會留下受熱產生的變質層。
PCD刨平器
為了延長延性切削的時間，切刃的數目及長度必須大幅增加，PCD刨平器具有極多的切刃，可長時延性切削包括矽晶等硬脆材料。

為了減低PCD刨平器與工件表面之間的摩擦阻力，PCD刀刃之間的平面也可以雷射轟擊使其粗糙化。由於PCD乃燒結的微粉鑽石，當切刃延性切削工件時，平台上暴露的鑽石微晶也可同時研磨刨削過的平面，使其更加細緻。 SST-AP/Taiwan
參考文獻
James C. Sung, 2006, PCD Planer for Dressing CMP Pads, 2006 CMP-MIC, CA, U.S.A.

reference: http://ssttpro.acesuppliers.com/semiconductor/Magazine_Details_Index_Id_1325.html 

研磨與拋光介紹

研磨拋光(Polishing or Lapping)是使工件產生平滑鏡面的超精密研磨技術，其目的在於使表面粗糙度及平坦度到達一定的可容許範圍，常被廣泛的使用在硬脆金屬、陶瓷、玻璃及 晶圓等材料表面的精密加工。

研磨

研磨工作方式：

研磨加工通常使用1μm到幾十μm磨粒和鑄鐵等硬質材料的研具。

• 磨粒在工件與研具之間進行轉動
• 由研具面支撐磨粒研磨加工面
• 由工件支撐磨粒研磨加工面

研磨特性：

• 硬脆材料的研磨
  • 微小破碎痕跡構成的無光澤面。
  • 磨粒不是作用於鏡面而是作用在有凸凹和裂紋等處的表面上，並產生磨屑。
• 金屬材料的研磨
  • 表面沒有裂紋。
  • 對於鋁材等軟質材料，研磨時有很多磨粒被壓入材料內；對刀具和塊規等淬火工具鋼等可確保有塊規那樣的光澤表面。

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拋光

拋光工作方式：

• 使用<1μm的微細磨粒。
• 軟質材料拋光墊：瀝青、石蠟、合成樹脂和人造革等。
• 微小的磨粒被拋光器彈性地夾持研磨工件。因而，磨粒對工件的作用力很小，即使拋光脆性材料也不會發生裂紋。

研磨特性：

• 由磨粒進行的機械拋光可塑性地生成切屑。但是它僅利用極少磨粒強制壓入產生作用。
• 借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸因變平。
• 在加工液中進行化學性溶析。
• 工件和磨粒之間有直接的化學反應而有助於上述現象。

超精密研磨拋光技術

超精密加工是指加工誤差小於0.01μm、表面粗糙度小於Ra0.02μm 的加工，又稱之為亞微米級加工。現在，超精密加工已進入納米級，稱之為納米加工。用於製造高精度高表面品質的零件，如大型積體電路的矽片，不僅要求極高的平面度，極小的表面粗糙度，而且要求表面無變質層、無劃傷。光學平晶、量塊、石英振子基片平面，除要求極高平面度、極小表面粗糙度外，還要求兩端面嚴格平行。

拋光研磨方法：

研磨方法	磨料	研磨工具	研磨液	研磨方式	加工機理	加工對象
超精密研磨	各種維細磨料	鑄鐵 玻璃 陶瓷	機油 煤油 水溶液	手工研磨 機械研磨	以磨料的機械作用為去除加工余量	各種形位及尺寸精度高的硬脆材料零件
超精密拋光	各種微細磨料、軟質磨料	軟質研具、瀝青等	過濾水或蒸餾水	透鏡、平鏡研磨機，帶修整輪，加工運動平穩		光學零件、石英振子、玻璃等
液中研磨 、拋光	微細磨料	合成樹脂	過濾水或蒸餾水	研磨運動在液體中進行	以磨料的機械作用為主，加上液體的冷卻，分散磨料作用	矽片等電子材料
化學研磨 、拋光	微細磨料	無紡織等	純水或水溶液	研磨壓力大研磨速度高	以磨料的機械作用去除化學反應生成物	矽等
	軟質磨料	玻璃板				藍寶石基板

機械作用的超精密研磨：

超精密研磨種類	加工原理
機械研磨	依靠微細磨粒的機械作用對被加工表面進行微量去除，達到高精度的加工表面。
彈性發射加工	加工時使用聚氨脂球作加工頭，在高速旋轉的加工頭與被加工工件表面之間加上含有微細磨粒（0.1～0.01μm）的研磨液，並產生一定的壓力。通過高速旋轉的加工頭所產生的高速氣流及離心力，使磨粒衝擊或擦過工件表面，產生彈性破壞物質的原子結合，從而去除工件表面的材料。
浮動研磨	利用流體力學原理使拋光器與工件浮離，在拋光器的工件表面做出了若干楔槽，當拋光器高速旋轉時，由於油楔的動壓作用使工件或拋光器浮起，其間的磨粒就對工件表面進行拋光。
磁力研磨	磁力研磨是利用磁場將磁性磨料聚集在工件與磁極間之工作間隙內，這些聚集的磁性磨料在磁場的作用下形成一束撓性的磁力刷（magnetic brush），同時產生研磨壓力作用在工件表面上，再藉由工件的旋轉與軸向振動，使磁性磨粒與工件表面之間產生相對運動，而達到精密拋光的效果
電解磁力研磨	電流電壓的陽極接工件，陰極接工具，陰極接欲去除毛刺的工件部位。電解液由泵驅動後經陰極流過陽極工件的毛刺部位到達回流槽。工件以一定的速度旋轉，同時作軸向振動。在垂直於工件軸線及電力線的平面方向上加直流強磁場，在磁場中填入游離狀的磁性磨料，由磁磨料組成的“磨料刷”快速衝擊件表面，去除突起的毛刺和實現光整加工。
ELID研磨	電子零件等功能材料之進步是有目共睹的，但對於各種素材零件之加工精度要求則是愈來愈嚴格。其加工技巧之磨料加工技術的研磨、拋光方面，對於高效率、高精度、高品位、超精密、自動化等之期望也很高，滿足其要求的加工技術之一為ELID研磨法。 ELID研磨法為金屬結合砂輪的削銳方法之一，利用電氣化學作用所產生之電解溶出現象，在研磨加工中也可以連續地進行削銳，以保持穩定的銳利度。

機械+化學作用的超精密研磨：

超精密研磨種類	加工原理
化學機械研磨(CMP)	CMP 指化學機械研磨 (Chemical Mechanical Polishing)，或稱為化學機械平坦化 (Chemical Mechanical Planarization)。研磨液會與基材產生化學反應，反應生成物以力作用方式去除。利用作用力促進化學反應。
機械化學拋光(MCP)	磨料和基材之間由於力作用產生化學反應，在表面形成反應生成物，以力作用方式去除。利用作用力促進化學反應。
超音波振動研磨	超音波震動工具頭的端面與工件表面保持一固定的間隙δ，並在其間充以微細磨粒工作液，當超音波振動工具以一定的頻率振動時，帶動微細磨粒衝擊工件表面，從而對工件表面進行研磨。

鈦的表面處理技術

鈦在高溫下易於與空氣中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素發生反應，在鑄件表面形成表面污染層，使其優良的理化性能變差，硬度增加、塑性、彈性降低，脆性增加。

鈦的密度小，故鈦液流動時慣性小，熔鈦流動性差致使鑄流率低。 鑄造溫度與鑄型溫差(300℃)較大，冷卻快，鑄造在保護性氣氛中進行，鈦鑄件表面和內部難免有氣孔等缺陷出現，對鑄件的質量影響很大。
因此，鈦鑄件的表面處理與其它牙用合金相比顯得更為重要，由於鈦的獨特的理化性能，如導熱係數小、表面硬度、及彈性模量低，粘性大，電導率低、易氧化等，這對鈦的表面處理帶來了很大的難度，採用常規的表面處理方法很難達到理想的效果。 必須採用特殊的加工方法和操作手段。

鑄件的後期表面處理不僅是為了得到平滑光亮的表面，減少食物及菌斑等的積聚和粘附，維持患者的正常的口腔微生態的平衡，同時也增加了義齒的美感；更重要的是通過這些表面處理和改性過程，改善鑄件的表面性狀和適合性，提高義齒的耐磨、耐蝕和抗應力疲勞等理化特性。 

一、 表面反應層的去除
表面反應層是影響鈦鑄件理化性能的主要因素，在鈦鑄件研磨拋光前，必須達到完全去除表面污染層，才能達到滿意的拋光效果。 通過噴砂後酸洗的方法可完全去除鈦的表面反應層。

1. 噴砂： 鈦鑄件的噴砂處理一般選用白剛玉粗噴較好，噴砂的壓力要比非貴金屬者較小，一般控制在0.45Mpa以下。 因為，噴射壓力過大時,砂粒衝擊鈦表面產生激烈火花，溫度升高可與鈦表面發生反應,形成二次污染，影響表面質量。 時間為15~30秒，僅去除鑄件表面的粘砂、表面燒結層和部分和氧化層即可。 其餘的表面反應層結構宜採用化學酸洗的方法快速去除。

2. 酸洗： 酸洗能夠快速完全去除表面反應層，而表面不會產生其他元素的污染。 HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用於鈦的酸洗，但HF—HCl系酸洗液吸氫量較大，而HF—HNO3系酸洗液吸氫量小，可控制HNO3的濃度減少吸氫，並可對錶面進行光亮處理，一般HF的濃度在3%~5%左右，HNO3的濃度在15%~30%左右為宜。

二、鑄造缺陷的處理
內部氣孔和縮孔內部缺陷：可等熱靜壓技術(hot isostatic pressing)去除, 但對義齒的精度會產生影響，最好用X線探傷後，表面磨除暴露氣孔，用激光補焊。 表面氣孔缺陷可直接用激光局部焊接修補。

三、研磨與拋光
1． 機械研磨： 鈦的化學反應性高，導熱係數低，粘性大，機械研磨研削比低，且易於磨料磨俱發生反應，普通磨料不宜用於鈦的研磨與拋光，最好採用導熱性好的超硬磨料，如金剛石、立方氮化硼等，拋光線速度一般為900~1800m/min.為宜，否則，鈦表面易發生研削燒傷和微裂紋。

2． 超聲波研磨： 通過超聲振動作用，使磨頭和被研磨面間的磨粒與被研磨面產生相對運動而達到研磨、拋光的目的。 其優點在於常規旋轉工具研磨不到的溝、窩和狹窄部位變得容易了，但較大的鑄件研磨效果還不能令人滿意。
3． 電解機械複合研磨： 採用導電磨俱，在磨俱與研磨面之間施加電解液和電壓，通過機械和電化學拋光的共同作用下，降低表面粗糙度提高表面光澤度。 電解液為0.9NaCl，電壓為5v，轉速為3000rpm/min.，此方法只能研磨平面，對複雜的義齒支架的研磨還處於研究階段。

4． 桶研磨：利用研磨桶的公轉與自轉所產生的離心力，使桶內的義齒與磨料相對摩擦運動而起到降低表面粗糙度的研磨目的。 研磨自動化、效率高，但只能降低表面粗糙度而不能提高表面光澤度，研磨的精度較差，可用與義齒精拋光前的去毛刺和粗研磨。

5． 化學拋光：化學拋光是通過金屬在化學介質中的氧化還原反應而達到整平拋光的目的。 其優點是化學拋光與金屬的硬度、拋光面積與結構形狀無關，凡與拋光液接觸的部位均被拋光，不須特殊複雜設備，操作簡便，較適合於復雜結構鈦義齒支架的拋光。 但化學拋光的工藝參數較難控制，要求在不影響義齒精度的情況下能夠對義齒有良好的拋光效果。 較好的鈦化學拋光液是HF和HNO3 按一定比例配製，HF是還原劑，能溶解鈦金屬，起到整平作用，濃度

6． 電解拋光：又稱為電化學拋光或者陽極溶解拋光，由於鈦的電導率較低，氧化性能極強，採用有水酸性電解液如HF—H3PO4、HF—H2SO系電解液對鈦幾乎不能拋光，施加外電壓後，鈦陽極立刻發生氧化，而使陽極溶解不能進行。 但採用無水氯化物電解液在低電壓下，對鈦有良好的拋光效果，小型試件可得到鏡面拋光，但對於復雜修復體仍不能達到完全拋光的目的，也許採用改變陰極形狀和附加陰極的方法能解決這一難題，還有待於進一步研究。

四、鈦的表面改性
1． 氮化：採用等離子體滲氮、多弧離子鍍、離子注入和激光氮化的等化學熱處理技術， 在鈦義齒表面形成金黃色TiN滲鍍層，從而提高鈦的耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性。 但技術複雜，設備昂貴，用於鈦義齒的表面改性很難達到臨床實用化。

2． 陽極氧化：鈦的陽極氧化技術較為容易，在一些氧化性介質中，外加電壓的作用下，鈦陽極可形成較厚的氧化膜，從而提高其耐腐蝕性和耐磨性和耐候性。 陽極氧化的電解液一般採用H2SO4、H3PO4和有機酸水溶液。

3． 大氣氧化：鈦在高溫大氣中可形成較厚堅固的無水氧化膜，對鈦的全面腐蝕、間隙腐蝕都有效，方法比較簡便。

五、 著色
為了增加鈦義齒的美感、防止鈦義齒在自然條件下的繼續氧化的變色，可採用表面氮化處理、大氣氧化和陽極氧化法表面著色處理，使表面形成淡黃色或金黃色，提高鈦義齒的美感。 陽極氧化法利用鈦的氧化膜對光的干涉作用，自然髮色，可通過改變槽電壓在鈦表面形成多彩的顏色。

六、 其他表面處理
1: 表面粗化：為了提高鈦與飾面樹脂的粘結性能，必須對鈦表面進行粗化處理，提高其粘結面積。 臨床上常採用噴砂粗化處理，但噴砂會造成鈦表面的氧化鋁的污染，我們採用草酸刻蝕的方法，得到良好的粗化效果，刻蝕1h表面粗糙度（Ra）可達到1.50 ±0.30μm，刻蝕2h Ra為2.99±0.57μm，比單獨噴砂的Ra（1.42±0.14μm）提高一倍多，其粘結強度提高了30%。

2: 抗高溫氧化的表面處理：為了防止鈦在高溫下的急劇氧化，在鈦表面形成鈦矽化合物及鈦鋁化合物，可防止鈦在700℃以上溫度下的氧化。 這種表面處理對鈦的高溫氧化非常有效，也許鈦表面塗覆這類化合物，對鈦瓷結合有利，仍須進一步研究。

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