CN101885164B - 一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫，包括多个混有金刚石微磨料的锡凸块和金属基垫，多个混有金刚石微磨料的锡凸块焊接在金属基垫上，上述多个锡凸块在金属基垫上的分布满足θ＝137.508°n和
叶序理论和“Winkler地基”理论。其制作方法是采用使用印刷刮刀在模板上刮印混有金刚石微磨料的锡膏，在金属基垫上表面形成多个堆状的没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块后，将上述表面分布有多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块的金属基垫放入回流焊机中，通过回流焊系统将多个锡凸块加热熔化后分别焊接在金属基垫上。应用上述方法制造成的抛光垫有均匀接触压强分布、抛光液均匀和接触温度场分布的特点，从而提高抛光效率。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷零件、光学晶体零件和半导体晶片的抛光和平坦化技术领域，特别涉及一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的结构设计与制造技术方法。
背景技术
化学机械抛光(CMP)是使平面陶瓷零件、光学晶体零件和半导体晶片表面超光滑和超平坦的一种重要技术方法。通常化学机械抛光是利用化学腐蚀和机械摩擦的综合作用使材料得到抛光。在平面抛光过程中如何有效地解决接触压力场和温度场的均衡问题，抛光液的均匀流动问题及抛光废物的有效排除问题一直是该技术领域的难题，成为国内外理论研究者和行业专家们关注的热点。
锡膏丝网印刷技术和回流焊技术是电子线路板和IC的球栅阵列封装中的重要技术。丝网印刷是通过漏印的方式将模板上预制的图案至于被印刷物的表面，而回流焊接技术将印刷的锡膏图案按照一定的温度曲线加热和冷却，使锡膏熔化然后固结。特别在是IC的球栅阵列封装中，通过该技术方法可以将阵列排布的球状锡点来完成堆积芯片间的支撑和电路连接。因此，锡膏丝网印刷与回流焊技术为我们具体实现这一抛光垫的制造提供了技术上的保障。
在平面抛光或集成平坦化过程中，抛光垫的作用是将抛光液带入抛光区域，与被抛光工件表面摩擦切削和将抛光产生物带出抛光区域。对于现有的抛光垫来说，无论是连续介质形态的还是具有一定微孔形态，由于材料的牵连或剪切效应，及表面宏观的连续性，使得抛光时产生的接触压强不均匀、产生的温度分布不均匀、抛光液难以均匀的引入并且抛光废物难以顺畅排除，更不能有效地均衡分配化学与机械作用的比例，从而导致被抛光表面宏观与微观轮廓精度下降，更难以实现全局平坦化。
为了解决上述问题，人们从经典的弹性接触理论出发对接触压力场进行了计算，了解接触压力场不均匀的原因，即采用了护环法、背垫法和流体负载法来解决该问题，也采用了抛光垫开槽的方式解决抛光液的流动问题，但是仍然没有使所有问题得到更有效全面地解决。然而，“Winkler地基”理论和生物的叶序理论为我们解决上述问题提供了可能。“Winkler地基”理论是将接触对象看成是剪切弹性模量为零，接触为由一个个与接触变形与压强成正比的独立“土柱”所组成。因此，按照上述理论制造出相应的抛光垫就能达到解决问题的目的。
发明内容
本发明的目的是针对抛光过程中由于抛光垫的连续性使得产生的接触压强不均匀、被抛光件中心温度较高、抛光液难以均匀进入接触区域和产生的废物难以排出的问题，而提供的表面按植物叶序理论排布的一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫。
本发明的另一目的是提供了制造一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法。
采用的技术方案是：
一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫，包括多个混有金刚石微磨料的锡凸块和金属基垫，多个混有金刚石微磨料的锡凸块分别焊接在金属基垫上，上述多个锡凸块在金属基垫上的分布满足θ＝137.508°n和
的叶序理论，锡凸块各自分离且满足“Winkler地基”理论，其中n为锡凸块序数，θ为在极坐标系中以金属基垫的中心为起点，以第n个锡凸块为终点，基准向量所转过的角度，r为锡凸块固结点的极坐标半径，k是叶序系数。
混有金刚石微磨料的锡凸块由锡膏材料与金刚石微磨料混合制成，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的5～50％。锡膏材料为：锡和铅的混合物，锡、铅和银的混合物，无铅锡膏或用于IC封装用的锡膏。锡和铅的混合物配比为63∶37锡、铅和银的混合物，配比为62∶36∶2。
金刚石微磨料直径范围为0.005～5μm，混有金刚石微磨料的锡凸块的半径为0.1～2.5mm。金属基垫的直径以所需抛光盘直径为标准，厚度为0.03～0.5mm。
一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法，包括下列步骤：
①制作丝网印刷模板。丝网印刷模板包括模板和网框。模板为矩形丝网印刷网，模板上的丝网孔的分布满足θ＝137.508°n和
叶序理论。网框为与矩形模板外边缘相配合的外框。
②将金属基垫固定在丝网印刷工作台上，将丝网印刷模板固定在丝网印刷工作台上，位于金属基垫上方，保证金属基垫与丝网印刷模板的相对位置。
③本方法中锡膏材料为：锡和铅的混合物，锡、铅和银的混合物，无铅锡膏，用于IC封装用的锡膏。锡和铅的混合物，配比为63∶37，锡、铅和银的混合物，配比为62∶36∶2。金刚石微磨料直径范围为0.005～5μm，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的5～50％。将锡膏材料与金刚石微磨料混合均匀，制成混有金刚石微磨料的锡膏。
④将上述混有金刚石微磨料的锡膏放在模板上，使用印刷刮刀在模板上刮印混有金刚石微磨料的锡膏，使混有金刚石微磨料的锡膏从模板的丝网孔中落下，在金属基垫上表面形成多个堆状的没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块，上述多个锡凸块的分布满足θ＝137.508°n和叶序理论和“Winkler地基”理论。
印刷刮刀的压力P和速度V根据具体需要选取，上述印刷过程是在温度25±3℃和相对湿度40-70％条件下进行。
⑤将上述表面分布有多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块的金属基垫放入回流焊机中，通过回流焊发热系统将多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡膏加热熔化后分别焊接在金属基垫上。
上述焊接过程要按照回流焊加温和降温曲线控制，焊接过程中温度区分为A、B、C、D、E和F区。
a)A为预热区：温度约为0～125℃，时间约为60秒左右。
b)B为浸濡区：温度约为125～170℃，时间约为120秒左右。
c)C为回焊区：温度为约190～240℃，时间约为60秒左右。
d)D为冷却区：温度约190～120℃，时间约为60秒左右。
e)E为B-C过渡区：温度为约170～190℃，时间约为30秒左右。
f)F为C-D过渡区：温度为约190～210℃，时间约为30秒左右。
其优点在于：本发明的设计结构是在金属基垫上分别焊接上多个混有金刚石微磨料的锡凸块，该多个锡凸块的分布满足叶序理论，并具有“Winkler地基”的特征，按照上述理论设计和制造成的抛光垫就有接触压强分布均匀、抛光液均布和接触温度场分布均匀及抛光废物的有效排除的作用.对于解决平面光学零件、陶瓷工程零件、IC和MEMS的集成平坦化过程有重要意义，提高生产效率，改善产品质量，对推动集成电路制造技术的发展具有现实意义。
附图说明
图1为一种仿生结构的锡固结金刚石微磨料抛光垫结构图。
图2为一种仿生结构的锡固结金刚石微磨料抛光垫截面结构图。
图3为丝网印刷模板。
图4为混有金刚石微磨料的锡膏丝网印刷图。
图5为热风回流焊的原理图。
图6为所获得一种仿生结构的锡固结金刚石微磨料的抛光垫图。
图7为回流焊过程温度曲线示例图。
具体实施方式
一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫，包括多个混有金刚石微磨料的锡凸块1和金属基垫2，多个混有金刚石微磨料的锡凸块1分别焊接在金属基垫2上，上述多个混有金刚石微磨料的锡凸块1在金属基垫2上的分布满足θ＝137.508°n和
的叶序理论，锡凸块各自分离且满足“Winkler地基”理论，其中n为锡凸块序数；θ为在极坐标系中以金属基垫的中心为起点，以第n个锡凸块为终点，基准向量所转过的角度，r为锡凸块固结点的极坐标半径；k是叶序系数。
混有金刚石微磨料的锡凸块1由锡膏材料与金刚石微磨料10混合制成，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的5～50％。锡膏材料为：锡和铅的混合物，锡、铅和银的混合物，无铅锡膏或用于IC封装用的锡膏。锡和铅的混合物，配比为63∶37，锡、铅和银的混合物，配比为62∶36∶2。
混有金刚石微磨料的锡凸块1的半径为1mm。金属基垫2的直径以所需抛光盘直径为标准，由铜或不锈钢箔板制成，厚度为0.3mm。
一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法，包括下列步骤：
①制作丝网印刷模板。丝网印刷模板包括模板4和网框5。模板4为矩形丝网印刷网，模板4上的丝网孔的分布满足θ＝137.508°n和
叶序理论，可电铸成型、激光切割成型或感光腐蚀成型。网框5为与矩形模板外边缘相配合的外框，采用铝或钢制成。
②将金属基垫2固定在丝网印刷工作台8上，将丝网印刷模板固定在丝网印刷工作台8上，位于金属基垫2上方，保证金属基垫2与丝网印刷模板的相对位置。
③本方法中锡膏材料为：锡和铅的混合物，锡、铅和银的混合物，无铅锡膏或者为用于IC封装用的锡膏。锡和铅的配比为63∶37锡、铅和银的配比为62∶36∶2，金刚石微磨料10直径为3μm，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的50％。将锡膏材料与金刚石微磨料混合均匀，制成混有金刚石微磨料的锡膏7。
④将上述混有金刚石微磨料的锡膏放在模板4上，使用印刷刮刀6在模板4上刮印混有金刚石微磨料的锡膏7，使混有金刚石微磨料的锡膏7从模板的丝网孔中落下，在金属基垫2上表面形成多个堆状的没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块3，上述多个锡凸块的分布满足θ＝137.508°n和
叶序理论和“Winkler地基”理论。
印刷刮刀6的压力P和速度V可根据具体需要选取，上述印刷过程是在温度25±3℃和相对湿度40-70％条件下进行。
⑤将上述表面分布有多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块5的金属基垫2放入回流焊机中，通过回流焊发热系统9将多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡膏3加热熔化后分别焊接在金属基垫2上。
上述焊接过程要按照回流焊加温和降温曲线控制，焊接过程中温度区分为A、B、C、D、E和F区。
a)A为预热区：温度约为0～125℃，时间约为60秒左右。
b)B为浸濡区：温度约为125～170℃，时间约为120秒左右。
c)C为回焊区：温度为约190～240℃，时间约为60秒左右。
d)D为冷却区：温度约190～120℃，时间约为60秒左右。
e)E为B-C过渡区：温度为约170～190℃，时间约为30秒左右。
f)F为C-D过渡区：温度为约190～210℃，时间约为30秒左右。
Claims (4)
1.一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫，包括多个混有金刚石微磨料的锡凸块(1)和金属基垫(2)，其特征在于：
多个混有金刚石微磨料的锡凸块(1)分别焊接在金属基垫(2)上，上述多个锡凸块在金属基垫上的分布满足叶序理论的极坐标公式θ＝137.508°n和
其中n为锡凸块序数；θ为在极坐标系中以金属基垫的中心为起点，以第n个锡凸块为终点，基准向量所转过的角度，r为锡凸块固结点的极坐标半径；k是叶序系数；上述锡凸块各自分离且满足“Winkler地基”理论；
混有金刚石微磨料的锡凸块(1)由锡膏材料与金刚石微磨料(10)混合制成，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的5～50％；锡膏材料为：锡和铅的混合物，锡、铅和银的混合物，无铅锡膏或用于IC封装用的锡膏；锡和铅的混合物，配比为63∶37，锡、铅和银的混合物，配比为62∶36∶2，金刚石微磨料(10)直径范围为0.005～5μm，混有金刚石微磨料的锡凸块的(1)半径为0.1～2.5mm；
金属基垫(2)的直径以所需抛光盘直径为标准，厚度为0.03～0.5mm。
2.一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法，其中，该抛光垫包括多个混有金刚石微磨料的锡凸块和金属基垫，所述锡凸块在金属基垫上的分布满足叶序理论的极坐标公式θ＝137.508°n和
其中n为锡凸块序数；θ为在极坐标系中以金属基垫的中心为起点，以第n个锡凸块为终点，基准向量所转过的角度，r为锡凸块固结点的极坐标半径；k是叶序系数；上述锡凸块各自分离且满足“Winkler地基”理论；其特征在于包括下列步骤：
①制作丝网印刷模板：丝网印刷模板包括模板(4)和网框(5)：模板(4)为矩形丝网印刷网，模板(4)上的丝网孔的分布满足上述极坐标公式θ＝137.508°n和
网框(5)为与矩形模板外边缘相配合的外框；
②将金属基垫(2)固定在丝网印刷工作台(8)上，将丝网印刷模板固定在丝网印刷工作台(8)上，位于金属基垫(2)上方，保证金属基垫(2)与丝网印刷模板的相对位置；
③本方法中锡膏材料为：锡和铅的混合物，配比为63∶37，锡、铅和银的混合物，配比为62∶36∶2，无铅锡膏或用于IC封装用的锡膏；金刚石微磨料(10)直径范围为0.005～5μm，金刚石微磨料的体积占上述锡膏材料与金刚石微磨料混合物的体积的5～50％，将锡膏材料与金刚石微磨料混合均匀，制成混有金刚石微磨料的锡膏(7)；
④将上述混有金刚石微磨料的锡膏(7)放在模板(4)上，使用印刷刮刀(6)在模板(4)上刮印混有金刚石微磨料的锡膏(7)，使混有金刚石微磨料的锡膏(7)从模板(4)的丝网孔中落下，在金属基垫(2)上表面形成多个堆状的没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块(3)，上述多个锡凸块的分布满足上述叶序理论的极坐标公式和“Winkler地基”理论；
⑤将上述表面分布有多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡凸块(3)的金属基垫(2)放入回流焊机中，通过回流焊发热系统(9)将多个没有固化的混有金刚石微磨料的锡膏(3)加热熔化后分别焊接在金属基垫(2)上。
3.基于权利要求2所述的一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法，其特征在于：上述印刷过程是在温度25±3℃和相对湿度40-70％条件下进行。
4.基于权利要求2所述的一种仿生结构的锡固结金刚石磨料抛光垫的制造方法，其特征在于：上述焊接过程要按照回流焊加温和降温曲线控制，焊接过程中温度区分为A、B、C、D、E和F区；
a)A为预热区：温度为0～125℃，时间为60秒；
b)B为浸濡区：温度为125～170℃，时间为120秒；
c)C为回焊区：温度为190～240℃，时间为60秒；
d)D为冷却区：温度190～120℃，时间为60秒；
e)E为B-C过渡区：温度为170～190℃，时间为30秒；
f)F为C-D过渡区：温度为190～210℃，时间为30秒。
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