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我们距离顶级抛光技术还有多远?

发布时间: 2019-09-30
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  《中国制造2025》明确指明智能制造已成为我国现代先进制造业新的发展方向。全球各国都开始意识到先进技术对制造业的重要作用,德国提出的工业4.0战略,将利用信息物理系统提升制造业水平。近几年我国制造走向智造步伐加快,人们创业热度不减,智能制造产业园区如雨后春笋般接连涌现,智能制造发展持续向好。

  

  我们距离超精密制造技术的最前沿还有一定的距离。为了追求市场份额和利润,技术的领头羊们会一直改进提高,做到更精,我们处于落后的地位,落后就要挨打,所以更需要想尽一些办法去赶超。

  

  很早以前看过这样一个报道,说是德国、日本等几个国家的科学家耗时5年时间,花了近千万元打造了一个高纯度的硅-28材料制成的圆球,这个1kg纯硅球要求超精密加工研磨抛光,精密测量(球面度,粗糙度,质量..),可谓是世界上最圆的球了。

  

  我们经常把研磨和抛光放在一起讲,因为零件经过这两个工序的粗糙度已经十分小了。首先咱们了解一下它们的区别。

  

  研磨与抛光的区别

  

  研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒,通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工。研磨可用于加工各种金属和非金属材料,加工的表面形状有平面,内、外圆柱面和圆锥面,凸、凹球面,螺纹,齿面及其他型面。加工精度可达IT5~IT1,表面粗糙度可达Ra0.63~0.01微米。抛光是利用机械、化学或电化学的作用,使工件表面粗糙度降低,以获得光亮、平整表面的加工方法。

  

  两者的主要区别在于:抛光达到的表面光洁度要比研磨更高,并且可以采用化学或者电化学的方法,而研磨基本只采用机械的方法,所使用的磨料粒度要比抛光用的更粗,即粒度大。

  

  现代电子工业,超精密抛光是灵魂

  

  超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克,没有超精密抛光不行,它是技术灵魂。

  

  以晶片制造为例,抛光是整个工艺的最后环,目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度。

  

  今天的光电子信息产业水平,对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密,已经达到了纳米级。这就意味着,抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度。

  

  超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。

  

  顶级的抛光工艺只有美日等少数国家掌握

  

  抛光机的核心器件是“磨盘”。超精密抛光对抛光机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻,这种由特殊材料合成的钢盘,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,更要具备精确的热膨胀系数。

  

  当抛光机处在高速运转状态时,如果热膨胀作用导致磨盘的热变形,基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米,而是几纳米。

  

  目前,美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求(属超大尺寸),他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术,牢牢把握了全球市场的主动权。而事实上,把握住这项技术,也就在很大程度上掌控了电子制造业的发展。

  

  日本产抛光机的研磨盘均为定制,不进行批量生产,直接限制了他国仿制;美国的抛光设备销往中国,价格一般都在1000万元以上,而且销售订单已经排至2019年年底,此前不接受任何订单。

  

  面对如此严密的技术封锁,在超精密抛光领域,我国几乎目前只能进行自研。

  

  中国的超精密抛光技术水平在哪个层次?

  

  作为一套技术要求极高的合成工艺,超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料(抛光液)组成,二者缺一不可。我们国家研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”已经具有成效,相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料,填补了该领域空白。

  

  但是这并不意味着我国已经攀登到了这一领域的顶峰,对于整体工艺来说,只有抛光液而没有超精密抛光机,我们最多还只是卖材料的。

  

  抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求,可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础,以此为基础,我国还需要分两步走,首先解决磨盘问题,其次解决抛光面积扩大问题。

  

  目前,美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品,这是两回事。

  

  用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘,是我们首先需要集中力量攻克的技术难题,这个问题一旦解决,60英寸抛光作业面也将不再是梦想。而这样的核心技术,永远不能指望从别人手中获得,除了依靠自己,我们别无选择。

  

  超精密加工技术将向超精密制造技术发展

  

  退一步讲,即使我们掌握了超精密抛光技术,我们并没有达到机械加工的最终点。因为,超精密加工技术还包括超精密车削、镜面磨削、超精密研磨、机械化学抛光、电子束曝射、激光束加工、离子溅射和离子注入、金属蒸镀及分子束外延等。

  

  超精密加工技术以前往往是用在零件的最终工序或者某几个工序中,但目前一些领域中某些零部件整个制造过程或整个产品的研制过程都要用到超精密技术,包括超精密加工、超精密装配调试以及超精密检测等,最典型的例子就是美国国家点火装置(NIF)。

  

  所以,还是回归到我们的文章的开头,只有原点,没有终点,我们距离超精密制造技术的最前沿还有一定的距离。为了追求市场份额和利润,技术的领头羊们会一直改进提高,做到更精,我们处于落后的地位,落后就要挨打,所以更需要想尽一些办法去赶超。

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