2-1 研磨拋光簡介

1.簡介

研磨拋光是利用「磨粒」，把材料從工件上精確地移除，以產生預期的尺寸、形狀，或者是表面。目前已被廣泛地應用到金屬、玻璃、光學、半導體和陶瓷等等材料加工上。其特點在於這些材料被移除的量可以做精準且微小的控制，以脫離加工機的母性原理限制。本文將介紹一些關於研磨的基本的概念。

2.研磨拋光的分類

有關於研磨拋光，可以分成四種不同的類型，以下將會介紹這四種分類。

(1)磨削 (Grinding)

(2)研磨 (Lapping)

(3)拋光 (Polishing)

(4)化學機械拋光 (CMP)

2.1 磨削 (Grinding)

磨削可以定義從工件表面迅速去除材料至目標尺寸的加工方法，其砂輪或研磨板通常以高速旋轉(200~1000rpm)，配合較粗磨粒的磨輪(>40um)，機制如同進給切屑一樣把材料從表面除去。通常除料的速度是其重點，反而表面的括傷不是那麼重要。但若是較軟的材料，最好是用較溫和的方法，以平衡除料速度與嚴重的刮痕產生。

2.2 研磨 (Lapping)

研磨的目的在於產生平整光滑的表面，但還未到拋光鏡面的程度，尺寸誤差的容許也較高 (通常小於2.5um)。其研磨板會以較低的速度旋轉 (<80rpm)，配合顆粒尺寸中等的磨料(5~20um)，來消除因為磨削所產生的表面刮痕，也磨出所需的尺寸和平整度。

其磨料可以分成兩種機制：(1)固定磨料；(2)游離磨料

固定磨料是指將磨料黏在聚酯基材上或是SiC的砂紙上，這些基材可以做到十分平整的表面。

游離磨料是指將磨料直接加在研磨盤上，這樣的優點是剛性的研磨盤的表面可以被控制，以滿足特定材料的需求，以研磨出較為精確的尺寸，以及最少量的表面損傷。

2.3 拋光 (Polishing)

拋光是用很細的磨料(<3um)來除去面表的刮痕，以產生鏡面。拋光通常是用很低的速度，搭配拋光布輪或都是特別的研磨盤。使用拋光布輪或研磨盤需使用游離磨料，而布輪或研磨盤的材料也是十分重要，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。

選擇拋光布的特性取決於應用的方法，如果想要的是平整度，短毛布(如尼龍)則可適用。若是表面光潔度是主要考量的因素，那長的拉毛布(如Rayon和絲)就是選擇的目標。不過發展至今，許多布料都可以滿足這兩種需求，以提供高性能的平整度和表面光潔度，例如聚氨酯墊(Polyurethane pads)就常用在最終拋光過程，以產生極好的平整度和表面光潔度。

綜合以上三種方法，暫且整理一下資訊，以更清楚地分類的個別的特性。

2.4 化學機械拋光 (CMP)

化學機械研磨是結合了化學和機械拋光的原理，以達成對高度複合材料時，可以夠均勻地進行拋光加工(例如積體電路的製造)。通常是使用一個硬聚氨酯拋光墊，配合微細分散地氧化鋁或二氧化矽顆粒，在鹼性溶液中使用。因此對於同一個平面中，有不同材料時，CMP可以獲得很好的平坦性。

3. 磨料的種類

從磨削到拋光，有太多的磨料可以選擇。選擇的方式取決於

(1)工件的硬度

(2)除料速度

(3)表面光潔度

(4)壽命

(5)價格

目前最常用的4種基本類型如下，都有各自的屬性和不同的材料應用：

(1)碳化矽(Sic)

(2)氧化鋁(Al2O3)

(3)碳化硼(B4C)

(4)鑽石(C)

3.1 碳化矽(Sic)是比較硬的材料，且顆粒上易有尖刃與塊狀的結構，在粗研磨上是經常用的，但少用在拋光，因為它容易刮傷表面。

3.2 氧化鋁(Al2O3)也是比較硬且銳利，顆粒上棱角分明，在研磨&拋光上經常使用，且價格也較為便宜。

3.3 碳化硼(B4C)是比大多數的磨料更硬，有塊狀的結構，可以提供出色的切除率。通常用在表面品質要求中等，但需快速除料的研磨況狀。

3.4 鑽石(C)是目前已知最硬的材料，並且具有尖角的結構，所以是非常好的研磨和拋光的磨粒。由於它的高除料率和極佳的表面光潔度，是十分優良的磨料。

4. 研磨拋光的設備

研磨拋光的設備，其中構成的部分，包括以下幾個：

(1) 可調速的研磨拋光機 

(2) 夾持待拋光工件的夾具

(3) 各式不同用處的研磨板或研磨頭

(4) 可調裝置來控制研磨板平整或研磨頭的進給機構

(5) 完整的工作站，整合夾治具的使用

站在實務面來說，研磨需要大量的人工，但人工的減少必定是未來的趨勢。而且待研磨的東西，形狀也越來越複雜，設備所需要的彈性要求也就越大。所以站在基礎的設備概念上，我們會希望未來發展具有彈性的研磨系統，以服務更多需要研磨製程的公司。下一章，我們會整理研磨輪的知識，以引起更多實務上的討論。