金剛石，其晶體中碳原子以SP3雜化軌道形成了共價(jià)鍵，構(gòu)成了極其穩(wěn)定的正四面體結(jié)構(gòu)，這賦予了其極高的硬度，其莫氏硬度達(dá)到了10，是自然界中最硬的物質(zhì)，更是成為衡量其他物質(zhì)硬度的標(biāo)準(zhǔn)。

如此高的硬度使得金剛石成為了加工領(lǐng)域的“王者”。金剛石面前，無(wú)所不破，即使面對(duì)硬質(zhì)合金、陶瓷等這些堅(jiān)硬的難加工材料時(shí)，金剛石工具及材料同樣展現(xiàn)出極高的“破壞力”。

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隨著新能源汽車(chē)、光伏、半導(dǎo)體等新興產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，日益苛刻的機(jī)械加工要求逐漸成為剛需，擁有超高的硬度和耐磨性的金剛石工具或材料正成為精密加工領(lǐng)域的首選。

金剛石在機(jī)械加工中的核心角色

作為切削刀具

金剛石作為切削刀具的優(yōu)點(diǎn)是高硬度、高耐磨性，能夠加工超硬材料。由于金剛石本身的硬度非常大，可以獲得高精度的刀尖圓弧半徑，提高加工質(zhì)量，因而廣泛用于精加工、半精加工。金剛石刀具能夠直接對(duì)淬硬工件進(jìn)行加工，可以實(shí)現(xiàn)“以車(chē)代磨”、“以車(chē)代銑”等，從而減少工序，縮短工藝流程，降低加工成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且金剛石對(duì)鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬進(jìn)行切削加工時(shí)，由于摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行高速度、高精度、高效率、高質(zhì)量的加工。金剛石刀具的切削速度遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金刀具，用金剛石的車(chē)刀車(chē)削鋁合金切削速度可達(dá)到5000m/min，而且刀具耐用度也可較硬質(zhì)合金刀具提高幾十倍乃至上百倍。

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用于磨具及磨料

磨削作為目前獲得高精度、高表面質(zhì)量最常用的主要加工方法，其磨料的選擇尤為重要。由于金剛石為最硬的磨料，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持鋒利性，不易磨鈍，磨削效率高。而且摩擦系數(shù)小，較少產(chǎn)生粘結(jié)磨損，再加上導(dǎo)熱系數(shù)大，不易發(fā)生磨削燒傷。因此，金剛石作為磨料得到了極大的重視和廣泛的應(yīng)用。

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金剛石涂層刀具

CVD、PVD等技術(shù)的發(fā)展，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大革命，從而涂層刀具得到大規(guī)模應(yīng)用。涂層刀具既有表層的高硬度，又保持了原基體的韌性，是理想的切削工具。近年來(lái)，金剛石涂層正得到全面推廣。應(yīng)用較廣的是鎢硬質(zhì)合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層，其金剛石涂層厚度不宜超過(guò)10μm。現(xiàn)在又有一種“厚膜金剛石”，它是純度非常高、非粘接劑的整體金剛石。典型厚度為150~1000μm，硬度更高，不同于天然金剛石的是，它各向同性，作為刀具磨損均勻。而且隨著科技的進(jìn)步，金剛石涂層的許多技術(shù)難題將得到更好的解決，其市場(chǎng)前景廣闊。

修整刀具

金剛石作為修整刀具主要用于磨削砂輪。砂輪在使用一段時(shí)間后，其磨削刃因磨損而變鈍，磨粒之間的氣孔容易被工件磨屑糊塞，從而使磨削效率降低，且容易發(fā)生磨削燒傷。因此，要對(duì)砂輪表面進(jìn)行修整，對(duì)于硬度較大的砂輪，尤為重要。砂輪常用磨料為剛玉和碳化硅，它們硬度都非常高，一般材料難以對(duì)其修整。而硬度更高的金剛石足以勝任，能從磨削砂輪表面去除磨鈍的磨料顆粒。

半導(dǎo)體制造：金剛石的高端舞臺(tái)

半導(dǎo)體的加工技術(shù)是芯片制造的基礎(chǔ)，也是國(guó)家高端裝備和先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。半導(dǎo)體加工是從晶棒到單個(gè)芯片的過(guò)程，金剛石工具在這一過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，如晶棒剪裁、晶圓減薄、劃片等。

半導(dǎo)體硅晶圓加工應(yīng)用的金剛石工具

金剛石線鋸

金剛石線鋸是在基體上固結(jié)金剛石磨料的一種切割工具，因其切縫小于0.5mm的特點(diǎn)可以加工普通硬脆材料，適用于藍(lán)寶石、水晶、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅等硬脆材料的切割。

隨著大尺寸硅片和藍(lán)寶石片的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線鋸成為了新一代硅片和藍(lán)寶石片的切割工具，其加工表面損傷小、撓曲變形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅／藍(lán)寶石錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高，這一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)將受到硅片和藍(lán)寶石加工企業(yè)的高度重視。

金剛石超薄劃片

超薄劃片由金剛石和粘結(jié)劑組成一個(gè)圓環(huán)薄片狀，厚度在0.015～0.3ｍｍ之間，可分為金屬結(jié)合劑刀片和樹(shù)脂結(jié)合劑刀片兩種。其中金屬結(jié)合劑電鍍刀片的厚度為0.015ｍｍ～0.1ｍｍ，金屬結(jié)合劑熱壓刀片和樹(shù)脂結(jié)合劑刀片的厚度為0.1ｍｍ～0.3ｍｍ。超薄劃片廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)對(duì)各種硬脆材料進(jìn)行切割或開(kāi)槽加工，如硅、鍺、磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學(xué)陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

高精密金剛石砂輪

金剛石砂輪在晶硅和藍(lán)寶石等硬脆材料加工過(guò)程中的應(yīng)用最為廣泛，從晶棒的處理到晶片的粗加工進(jìn)而到精加工等步驟，均要用到不同種類(lèi)的金剛石砂輪；主要包括晶棒滾圓砂輪、平面研磨砂輪、減薄砂輪以及拋光砂輪等，金剛石粒度從250＃到8000＃均有涉及，胎體材料包括金屬基、樹(shù)脂基和陶瓷基。

高精度套料鉆頭

套料鉆頭加工對(duì)象為藍(lán)寶石等較為貴重的硬脆材料，主要用于表殼、光學(xué)玻璃、LED襯底的加工，鉆頭的精度要求非常高，具有極高的附加值。套料鉆頭制造技術(shù)包括超薄環(huán)狀刀頭制造技術(shù)、高精度焊接技術(shù)以及鉆頭后續(xù)修磨技術(shù)；其中超薄環(huán)狀刀頭的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的最終使用性能起決定性的影響。

CMP修整器

修整盤(pán)又叫修整器、鉆石碟，一般是在表面涂布鍍鎳金剛石顆粒的圓盤(pán)。金剛石顆粒以一定的圖形排列而成，根據(jù)不同的技術(shù)要求，輔助以不同的凹凸圖案，提升再生效果。

在CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）工藝中，拋光墊本身不斷被拋光而變得光滑，使用過(guò)的拋光液以及在拋光過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物會(huì)沉積在拋光墊的表面，這就需要使用修整盤(pán)對(duì)拋光墊進(jìn)行修整再生，重新塑造拋光墊的表面粗糙度，恢復(fù)使用性能。修整可以清除堵塞小孔的碎屑和微粒，去除拋光墊的釉面，使拋光墊得到重生，獲得所需的粗糙度和多孔性。此外，修整還可以減少更換拋光墊的次數(shù)，節(jié)省使用新拋光墊所需的重新調(diào)整校正到穩(wěn)定的步驟和時(shí)間，從而大大提高CMP工藝的穩(wěn)定性。

CMP磨料

CMP主要是依靠磨料的機(jī)械作用以及化學(xué)成分的的化學(xué)作用協(xié)同作用，磨料在CMP拋光中起到了至關(guān)重要的作用。隨著碳化硅、氮化鎵、金剛石等新一代半導(dǎo)體的興起，面對(duì)這些硬質(zhì)半導(dǎo)體材料，以往的氧化鈰、氧化鋁、氧化硅等磨料在加工性能及效率方面漸漸力不從心，而金剛石作為CMP磨料正被看好。

小結(jié)

當(dāng)前，金剛石正在眾多的新興工業(yè)材料加工領(lǐng)域體現(xiàn)其超卓的性能，越來(lái)越多地體現(xiàn)其“工業(yè)牙齒”的作用，成為精密加工領(lǐng)域的首選。隨著新興領(lǐng)域的不斷擴(kuò)容以及技術(shù)迭代需求，金剛石工具及材料將迎來(lái)更大的舞臺(tái)。

參考來(lái)源：

[1]徐良等.晶硅和藍(lán)寶石加工用金剛石工具

[2]李程輝等.金剛石在機(jī)械加工中的應(yīng)用

[3]劉一波等.新興工業(yè)材料加工用金剛石工具

[4]軒闖等.半導(dǎo)體加工用金剛石工具現(xiàn)狀

[5]中國(guó)粉體網(wǎng)