3D玻璃拋光液的制備及其性能研究

任 鵬

（比亞迪精密制造有限公司，廣東深圳 518116）

隨著5G 通訊與無線充電技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及手機外觀美學(xué)設(shè)計的不斷進(jìn)化，玻璃將逐漸取代金屬，成為高端智能手機蓋板的主流材料。相較于2D、2.5D 玻璃，3D 玻璃在外觀和手感上有更好的表現(xiàn)，受到市場歡迎。為了實現(xiàn)炫彩的光學(xué)效果及良好的觸感，玻璃拋光是必不可少的處理工序之一。

化學(xué)機械拋光（CMP）借助超微粒子的研磨作用及化學(xué)腐蝕作用，使被研磨的介質(zhì)表面形成光潔平坦的表面。CeO2是一種性能優(yōu)良的稀土拋光材料，具有以下優(yōu)點：一是其莫氏硬度約為6.0，拋光過程中對玻璃表面的劃痕較??；二是其具有較強的化學(xué)活性，可與玻璃中的硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)形成Ce-OSi 鍵，進(jìn)而水解形成Ce-O-Si（OH）3鍵，而CeO2與玻璃表面相對運動產(chǎn)生的機械力使Si-O-Si 鍵斷裂，SiO2以Si（OH）4的形式隨CeO2拋去，Si（OH）4隨后脫離CeO2顆粒；三是CeO2對環(huán)境污染小，可循環(huán)使用。鈰系稀土拋光粉因具有切削能力強、拋光精度高、拋光質(zhì)量好、使用壽命長等特點，在光學(xué)精密拋光領(lǐng)域已占有極其重要的地位。

目前3D 玻璃拋光液的制備有3 種技術(shù)方案：第1 種是CeO2拋光粉直接加水稀釋至所需使用濃度；第2種是將拋光粉與分散劑、懸浮劑、表面活性劑、拋光助劑、pH 調(diào)節(jié)劑等配制成所需使用濃度的拋光液；第3種是將拋光粉與分散劑、懸浮劑、表面活性劑、拋光助劑、pH 調(diào)節(jié)劑等配制成濃縮液，再稀釋成所需濃度。

1 原理

影響CeO2拋光效果的因素有：CeO2顆粒的粒徑，形貌、硬度、晶型及顆粒在漿液中的懸浮性、分散性。帶有棱角的片狀CeO2顆粒對玻璃表面的磨削作用強，拋光效果好，顆粒粒徑過小，切削力差，粒徑過大，容易造成玻璃表面劃傷。CeO2顆粒在拋光液中的懸浮、分散效果越好，越不容易沉降、團(tuán)聚，拋光效果越好。

2 拋光液制備工藝及研發(fā)成果

2.1 制備試劑

氧化鈰基拋光粉（分子式CeO2；粒徑：D50為0.5～1.2μm；D90為0.9～2.5μm），包括高鈰拋光粉（氧化鈰含量＞95%，淺黃色，比重7.3 左右，其余為氧化鑭La2O3、氧化釹Nd2O3、 氧化鐠Pr6O11等稀土氧化物）；中鈰拋光粉（氧化鈰含量70%～85%，黃色或褐色，比重6.5左右，其余為氧化鑭La2O3、氧化釹Nd2O3、氧化鐠Pr6O11等稀土氧化物或氟氧化鑭LaOF、氟氧化釹NdOF、氟氧化鐠PrOF 等稀土氟氧化物）：40%～ 60%

（1）聚丙烯酸（分子式（CH2CH）nCOOH）或聚丙烯酸鈉（分子式（CH2CH）nCOONa）：0.2%～0.5%；該成分為有機分散劑，對拋光粉顆粒起到分散懸浮作用。

（2）聚乙二醇PEG-4000（或PEG-2000、PEG-1000）（分子式HO（CH2CH2O）nH）：0.2%～0.5%；該成分為有機分散劑，對拋光粉顆粒起到分散懸浮作用。

（3）氟化鈉（分子式NaF）或氟化鉀（分子式KF）或氟化銨（分子式NH4F）：0.1%～0.5%；該成分為研磨增效劑，通過化學(xué)腐蝕作用，可增加拋光液的磨削速率，提高拋光效率。

（4）氯化鈉（分子式NaCl）或硝酸鈉（分子式NaNO3）或氯化鉀（KCl）或硝酸鉀（KNO3）或氯化銨（NH4Cl）或硝酸銨（NH4NO3）：0.1%～0.5%；該成分為分散穩(wěn)定劑，可增強拋光粉顆粒的表面電性，改善分散效果，進(jìn)而改善拋光效果。余 量為水（水可以是常規(guī)用水，也可以是去離子水或超純水等）。

（5）偏硼酸鋇（分子式Ba（BO2）2）：0.1%～0.5%；該成分為無機抗菌劑，可以防止拋光液發(fā)生霉變。

2.2 制備工藝及使用方法

2.2.1 開槽液制作工藝為

（1）在帶有攪拌與鼓氣裝置的1#槽中，將所需量的水加熱至40～70℃；

（2）打開攪拌與底部鼓氣，緩慢加入所需量的六偏磷酸鈉，待其全部溶解，槽底無粘結(jié)的六偏磷酸鈉后，將溶液轉(zhuǎn)移至2#槽；

（3）在帶有攪拌裝置的2#槽中，攪拌狀態(tài)下加入所需量的十二烷基磺酸鈉；

（4）在2#槽中，攪拌狀態(tài)下緩慢加入所需量的CeO2拋光粉，并充分?jǐn)嚢?h 以上，以保證均勻分散。

2.2.2 補充液制作工藝為

（1）在2#槽中加入所需量的水，攪拌狀態(tài)下加入所需量的聚丙烯酸與聚乙二醇PEG-4000，并充分?jǐn)嚢柚镣耆芙猓?/p>

（2）攪拌狀態(tài)下緩慢加入所需量的CeO2拋光粉，并充分?jǐn)嚢?h 以上，以保證均勻分散。

2.2.3 拋光液使用方法

（1）將開槽液按照質(zhì)量比（1 ∶2）～（1 ∶5）加水稀釋，作為拋光機臺開槽液，開槽液稀釋后的濃度即為拋光液的工作濃度，通過測量比重來表征；

（2）按照拋光液的工作濃度，每隔5～8h，測量工作機臺拋光液濃度，濃度不足的用補充液進(jìn)行補加；

（3）根據(jù)機臺使用情況，每隔7～15d，補加一次開槽液；

（4）每隔30～60d，清理拋光機臺，按照步驟①，以開槽液開槽，然后繼續(xù)重復(fù)步驟②、③。

2.3 實驗對比

（1）實驗1。按以上工藝分兩組制備開槽液和補充液，開槽液配比如下：

中鈰拋光粉（CeO2含量80%：氧化鑭La2O3含量20%；D50為0.55μm；D90為1.46μm，比重6.5）：50%；

六偏磷酸鈉（（NaPO3）6，總磷酸鹽（以P2O5計）含量：68.1%，非活性磷酸鹽（以P2O5計）含量：6.5%，水不溶物含量：0.03%）：3%；

十二烷基磺酸鈉（C12H25SO3Na）：0.002%；余量為水（常規(guī)用水）。

補充液配比如下：

中鈰拋光粉（CeO2含量80%：氧化鑭La2O3含量：20%；粒徑：D50為0.55μm；D90為1.46μm，比重6.5）：50%；

聚丙烯酸（（CH2CH）nCOOH）：0.3%；聚乙二醇PEG-4000（HO（CH2CH2O）nH）：0.3%；氯化鈉（NaCl）：0.2%；偏硼酸鋇（Ba（BO2）2）：0.2%；余量為水（常規(guī)用水）。

（2）實驗2：將實驗1中開槽液配比不變，補充液中氯化鈉替換為多氟化鈉，補充液配比如下

中鈰拋光粉（CeO2含量80%：氧化鑭La2O3含量：20%；粒徑：D50為0.55μm；D90為1.46μm，比重6.5）：50%；

聚丙烯酸（（CH2CH）nCOOH）：0.3%；聚乙二醇PEG-4000（HO（CH2CH2O）nH）：0.3%；氟化鈉（NaF）：0.2%；氯化鈉（NaCl）：0.2%；偏硼酸鋇（Ba（BO2）2）：0.2%；余量為水（常規(guī)用水）。

（3）對照實驗：按照現(xiàn)有技術(shù)不區(qū)分開槽液和補充液，拋光液配方為：

中鈰拋光粉（CeO2含量80%：氧化鑭La2O3含量：20%；粒徑：D50為0.55μm；D90為1.46μm，比重6.5）：50%；六偏磷酸鈉：3%；十二烷基磺酸鈉（C12H25SO3Na）：0.002%；余量為水（常規(guī)用水）。

使用方法為：按照質(zhì)量比1 ∶3.5加水稀釋至比重為1.10，每隔5h，測量拋光液比重，濃度不足1.10的用上述濃縮液補加至濃度1.10。

2.4 性能測試

2.4.1 磨削速率測試

實驗1、實驗2、對照實驗每天各選取30pcs 3D 玻璃樣品，通過高精度數(shù)顯厚度規(guī)（精度0.001mm）測定拋光前后30pcs樣品平均厚度（每片樣品厚度的平均值）之差，將其換算為單位時間內(nèi)的磨削厚度，即得到磨削速率。取樣時間為30d。其中，每片樣品厚度測定方法為：選取上、中、下3個固定位置測定厚度，取平均值。拋光前，保證每個機臺拋光液比重為1.10，且拋光墊的使用時間相同。實驗1、實驗2與對照實驗的測試結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，拋光液使用初期，對照實驗的磨削速率與實驗1相近，在使用10d 后，六偏磷酸鈉的積累效應(yīng)開始顯現(xiàn)，拋光液磨削速率開始下降，使用20d 左右時，磨削速率開始出現(xiàn)了急劇下滑，使用30d 時，磨削速率下降到初始的一半。相比之下，改善后拋光液磨削速率高，大于30μm/h，且磨削穩(wěn)定性好，實驗2優(yōu)選地添加氟離子，進(jìn)一步提高了磨削速率，達(dá)到35μm/h。

圖1 拋光液的磨削速率隨使用時間變化的趨勢圖

2.4.2 粗糙度測試

實驗1、實驗2、對照試驗每天各選取30pcs 3D 玻璃樣品，通過粗糙度測試儀測定拋光前后30pcs 樣品的平均粗糙度，取樣時間為30d。其中，每片樣品厚度測定方法為：選取上、中、下3個固定位置測定粗糙度，取平均值。拋光前，保證每個機臺拋光液比重為1.10，且拋光墊的使用時間相同。

實驗1、實驗2與對照實驗的測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，拋光液使用初期，對照實驗的粗糙度與實驗1相近，在使用10d 后，粗糙度開始增大，使用20d 左右，粗糙度急劇增大，拋光效果急劇下降。相比之下，實驗1拋光液拋光后試樣的表面粗糙度低，在15nm 以下，且穩(wěn)定性好，實驗2添加氟離子，表面粗糙度達(dá)到10nm 以下，進(jìn)一步降低了粗糙度，提高了拋光效果及質(zhì)量。

圖2 拋光產(chǎn)品的粗糙度隨使用時間變化的趨勢圖

2.4.3 外觀良率測試

實驗1、實驗2、對照試驗每天各選取300pcs 3D 玻璃樣品，由同一質(zhì)檢員對樣品外觀進(jìn)行檢測，無劃傷及各種印痕等明顯外觀缺陷的即為良品，良品數(shù)/檢驗數(shù)（300pcs）即為外觀良率。取樣時間為30d。

實驗1、實驗2與對照實驗的測試結(jié)果如附圖3所示。由圖3可知，實驗1、2拋光液的拋光效果好，表面質(zhì)量佳，外觀良率達(dá)90%以上，且良率穩(wěn)定?？梢钥闯龈纳坪髵伖庖悍稚ⅰ腋⌒Ч?，拋光液穩(wěn)定性好，工作壽命長，對3D 玻璃的拋光效果好，磨削速率高，表面粗糙度低，外觀良率高，表面質(zhì)量穩(wěn)定。

圖3 拋光產(chǎn)品的表觀良率隨使用時間變化的趨勢圖

5 結(jié)束語

本文新開發(fā)一種將開槽液和補充液分開的稀土拋光液，改善了以往工藝中補加相同成分濃縮液造成的磨削速率下降、產(chǎn)品表面粗糙度上升、產(chǎn)品外觀良率下降等問題，提升了對3D 玻璃的拋光效果和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，具有良好的市場前景。