Brevet FR2554376A1 — publié le 19850510

PROCEDE DE FACONNAGE DE PIECES EN MATERIAUX CASSANTS ET APPLICATION DE CE PROCEDE La présente invention est relative au façonnage de pièces en matériaux cassants de dureté élevée. L'invention concerne des perfectionnements à la demande de brevet FR 83 08191 déposée le 18 mai 1983 au nom de la demanderesse. L'usinage des métaux et des matériaux non métalliques par rectification trouve de plus en plus d'utilisation dans les techniques de fabrication, oi l'on tend vers deux buts de développement, c'est-à- dire, d'une part, l'atteinte de la plus haute précision, de la meilleure qualité de surface et de l'endommagement le plus faible, et, d'autre part, une augmentation de la capacité d'usinage. Les deux buts s'excluent mutuellement jusqu'à maintenant, car selon l'état actuel de la technique, la construction de la machine et, avant tout, la spécification de l'outil de rectification devaient être étudiées spécialement pour atteindre l'une ou l'autre des conditions optimales. De nos jours, deux procédés de rectification sont connus, c'est-à-dire la "rectification tangentielle", et la"rectification fron- tale ou faciale"."La rectification tangentielle" est plus largement développée que la rectification faciale", et arrive déjà partiellement à concurrencer, en ce qui concerne la capacité d'usi- nage et la précision, le tournage, le fraisage et le rabotage. Les deux procédés différents de rectification selon l'état de la technique sont largement décrits dans la littérature technique, les limites de capacité étant indiquées dans les travaux scientifiques, la litté- rature spécialisée et les informations de produits, et reproduisant à chaque fois, le dernier état atteint. Les deux procédés de rectification indiqués ci-dessus ont leur propre domaine d'utilisation, lesquels se recouvrent partiellement, o ils présentent une utilisation optimale. En effet, pour les matériaux très durs, cassants et sensibles et les surfaces très planes, le procédé de rectification faciale est préféré. les matériaux cristallins non métalliques qui sont utilisés en grandes quantités sous forme de disques de grande superficie et très minces, par exemple, en tant 2 2Z554376 que substrat pour des composants électroniques, occupent une place d'exception dans le façonnage. Un exemple à ce sujet est le façonnage de pièces très minces sous forme de disques en silicium, germanium, saphirs, grenat, spinelle et composés des groupes III-V de la classification pério- dique, comme on les utilise de plus en plus, dans le monde entier, en tant que substrat pour la fabrication de composants électroniques. Le rodage exclusivement utilisé au début du façonnage de surface est de plus en plus remplacé par une rectification avec des meules en diamant. Ce procédé a été développé à la production, par la demanderesse. La présente invention a pour but de permettre, lors du façonnage de pièces en matériaux cristallins extrêmement cassants et souvent extrêmement durs, une capacité d'usinage améliorée par rapport à l'état actuel de la technique, avec un enlèvement de matière ménageant le matériau, les modifications inévitables des couches supérieuree du matériau qui interviennent dans un processus de coupe et l'endommagement qui en découle, à savoir la profondeur des perturbations de la couche cristalline au voisinage, devant être moindres que dans des procédés d'enlèvement actuellement connus et utilisés tandis qu'une amélioration de la qualité de surface est à obtenir en même temps pour diminuer le nombre de phases de travail successives nécessaires dans le cas de tels matériaux, comme, par exemple, un dégros- sissage à la meule, un polissage finisseur et un adoucissage. L'endommagement et les traces de façonnage nettement visibles sur la surface rectifiée augmentent la sensibilité à la rupture et modifient de façon importante les caractéristiques électriques des pièces en particulier des disques de substrat et ont un effet très défavorable sur les traitements consécutifs et 3 2554376 les processus de diffusion. Plus l'endommagement est faible, plus les pièces à rectifier peuvent être minces. De même, le façonnage par rectification ménageant le matériau simplifie et raccourcit les phases de travail consécutives, car l'élimination de l'endommagement inévitable par décapage est moins compliquée. Les matériaux extrêmement cassants, monocris- tallins ou polycristallins qui peuvent être façonnés selon l'invention ont une dureté Vickers minimale de 7000 N/mmn2, pouvant aller jusqu'a une valeur maximale de 25000 N/mmn Les exemples connus de tels matériaux sont des composés des groupes IIIa-Vb ayant une dureté Vickers pouvant atteindre 8500. Le germanium *a une dureté Vickers pouvant atteindre 7500, le silicium - a une dureté Vickers pouvant atteindre 11500, le spinelle a une dureté Vickers pouvant atteindre 14000 ainsi aue les composés saphir et gallium-gadolinium-grenat (GGG) ayant une dureté Vickers de 19000 à 21500. Ces types de matériaux trouvent particulièrement leur utilisation en électronique. En outre, on peut égale- ment avantageusement façonner des matériaux frittés super-durs tels que le carbure de silicium SiC ayant une dureté Vickers de 15000 à 25500, 1le nitrite de silicium Si3N4:ayant une dureté Vickers de 15000-20000 (ou respectivement de 35000 pour le monocristal), ainsi que le carbure de bore B4C ayant une dureté Vickers de 22500 à 31000. Ces types de matériaux trouvent une utilisation dans la construction de machines, la construction de moteurs ainsi que la construction d'installations. Un autre groupe préféré de matériaux comprend la céramique de coupe ayant une dureté Vickers de 17000 à 28500 ainsi que le corindon Al 203 ayant une dureté Vickers de 21500. Ces matériaux 2 3 servent comme matière de coupe non métallique. Les objectifs de l'invention sont atteints par l'application du procédé de rectification trans- versale plan contre plan au façonnage de pièces -4 -2554376 en un matériau cristallin extrêmement cassant. Un matériau utilisé particulièrement pré- férable est le silicium monocristallin. Le silicium polycristallin convient également de façon très satis- faisante. Le procédé de rectification transversale plan contre plan comprend seulement, contrairement au procédé de rectification jusqu'alors utilisé pour le façonnage de ces types de matériaux, deux composantes de mouvement, à savoir la rotation de la meule et l'approche de la meule dirigée perpendi- culairement à la surface de la pièce à rectifier. Le mouvement d'avance, qui était considéré dans le procédé de rectification jusqu'alors utilisé pour le façonnage de ces types de matériaux comme un paramètre dominant, est supprimé. Le processus de rectification comprend dans le cadre de la rectification transversale plan contre plan, un enfoncement de la meule en rotation dans la surface de-la pièce, de telle sorte que l'on a proposé pour ce façonnage la désignation "rectifi- cation en plongée". La garniture abrasive est ainsi de préférence dimensionnée de telle sorte que toute la surface de la pièce à rectifier soit couverte, mais, dans le cas de pièces très étendues, une rectification en plongée partielle se répétant est également possible, la pièce après chaque rectification en plongée étant poussée selon la largeur de la garniture, vers l'axe de la meule. La rectification transversale plan contre plan, qui n'était utilisée jusqu'alors qu'en tant qu'usinage grossier relativement brut avec des exigences faibles en ce qui concerne la qualité de surface,a pour consequence dans le cas de l'orien- tation optimale du procédé prévueselon l'invention, un comportement d'usinage exceptionnellement satisfaisant, ménageant le matériau et ceci de façon entièrement surprenante dans le cas desmatériauxdurset extrêmement 2554376 fragles qui sont sujets à des perturbations du réseau cristallin sur la surface façonnée. Ainsi, la capacité d'usinage est plusieurs fois plus importante que celle actuellement connue, bien que la qualité de surface obtenue et la modification dommageable de la couche de matériau située tout à fait à l'extérieur et venant en contact avec la meule soient comparativement bonnes par rapport au procédé de façonnage actuel spécialement mis au point à cet effet. On peut ainsi rectifier du silicium mono- cristallin, extrêmement cassant jusqu'à une épaisseur finale d'environ 80 Nm, tandis que dans le cas des procédés de rectification connus, on ne maltrise en général les opérations de façon sore qu'avec des pièces d'une épaisseur > 160 Nm. Des mesures confirment que les modifications défavorables du réseau cristallin du matériau sur la surface de rectification sont comparativement plus faibles que dans les procédés de rectification jusqu'alors utilisés. Conformément à l'invention, on dispose par ailleurs du très grand avantage consistant ence que lors de laectification de la face arrièxme, la face avantdu disque de sil1ci qiLa subiun taitement de finition et qui, en général, est recouverte de matériaux relativement mous, constitue, pendant ce processus de rec- tification,,la face d'application sur l'emplacement de fixation de la pièce,et est nettement moins exposée à des risques de formation d'empreintes et de zones d'écrasement, les rebuts étant ainsi évités. Les procédes de rectification favorables qui sont utilisés en pratique, dans lesquels la meule de rectification faciale garnie de diamants est déplacée sur la surface de la pièce avec une avance très lente et une faible profondeur de coupe, présupposent une meule à grains fins avec un arrondi d'allure 6 2554376 elliptique du bord de coupe, pour obtenir les paramètres de qualité exigés. Ces rapports optimaux de coupe ne sont pas reproductibles de façon sûre avec les machines de finition, ce qui entraîne des variations de qualité importantes. Dans le cas du procédé de rectification de l'invention, par contre, il faut seulement veiller à ce que la garniture abra- sive soit unie. Avec une meule à grains relativement fins, on obtient des capacités d'usinage qui n'étaient obtenues jusqu'à maintenant qu'avec des disques de dégrossissage ayant un grain très grossier, en mainte- nant cependant ou même en améliorant la surface plus lisse sur la pièce, grâce à la meule plus fine, et en outre, en modifiant ou en désagrégeant moins dans sa couche extérieure la surface du matériau venant en contact avec la meule. L!uniformité et la profondeur de rugosité de la surface peuvent être encore considérablement améliorées, si après la fin de la passe de "rectification en plongée", la pièce est tirée, parallèlement à la surface de la meule, hors de la zone de contact. Les traces des pointes des grains faisant un peu plus saillie de la garniture de la meule sont ainsi égalisées. On peut comparer cette étape supplémentaire au "lustrage" sous une forme très simplifiée. L'utilisation selon l'invention du procédé de "rectification transversale plan contre plan" pour façonner des pièces en matériaux cassants de dureté élevée permet de disposer d'une nouvelle technologie de rectification ayant des avantages multiples. Comme pendant l'usinage aucun mouvement d'avance n'a lieu, cela permet la construction d'une machine très simple et très stable. Les rectifieuses automatiques à une ou plusieurs stations (ou postes) connues fonctionnent avec des tables circulaires comme support de la pièce etcommeinstallationd'avance 7 2554376' de lapièce, tables circulaies dans lesquelless'établisset da vi- tesses d:avanoe n&e ssairement différentes etaugmentunt vers l'ex- trieur. Cet l convénlet, qui a mn effet négatif sur la sollici- tation de la matière et laqualité de la airface de la piîe pendant le contact avec le grain abrasif, est supprimé, puisque :l'on peut, le cas échéant, accomplir un "lustrage" final en tant que mouvement linéaire, par exemple, de la poupée de meulage, pour obtenir une surface très fine et très régulière. Les automatismes tra- uitionnels de rectification à table circulaire avec plusieurs stations (ou postes) ont & toutes les stations de rectification, une vitesse d'avance identique, indé- pendamment d'une pré-rectification, d'une rectifica- tion fine ou d'une rectification de haute précision. Dans le procédé de rectification transversal facial plan contre plan, utilisé selon l'invention,et dans lequel aucun mouvement d'avance n'a lieu pendant le processus de rectification, le "mouvement de lustrage" peut être adapté à chaque cas individuel et de 0 façon optimale avec une dépense minime pour la machine, du fait qu'en général, un "mouvement de lustrage linéaire' n'est pas nécessaire jusqu'à la dernière station de rectification. Comme pendant la rectification, le support de la pièce, qui a par exemple la forme d'une table circulaire à progres- sion cadencée, reste stationnaire, on obtient un chargement et un déchargement de la pièce qui sont très précis et d'un maniement simple. Un autre avantage réside dans le fait que, pendant cette période, une séparation complète, dans l'esapce, entre le domaine de la rectification et le domaine du chargement et déchargement, est possible, ce qui a une grande importance dans le cas de pièces très précises, parce que les points ou emplacements de fixation de la pièce peuvent être nettoyés et maintenus propres jusqu'à ce que le disque de SubstMt suivant soit mis en place. Des 8 25543761 particules de poussière venant s'insérer en faible quantité entre la surface d'appui de la pièce et les disques de substrat, exercent une pression sur la surface en entrainant infailliblement dans le cas de disques de substrat très minces, la formation des criques locales redoutées qui sont dénommées en raison de leur conformation "pattes d'oie". L'invention produit l'avantage exceptionnel d'une capacité d'usinage considérablement plus élevée s'accompagnant d'une sollicitation relativement moindre de la pièce et de l'outil. Ceci permet la rectification de matériaux plus cassants sur de très faibles épaisseurs entre et 250 Dm, de préférence entre 80 et 200 gm, car avantageusement, le réseau cristallin du matériau n'est que très faiblement modifié. Un autre avantage réside dans le fait que, pendant la rectification, la table porte-pièces est solidement bloquée sur le support de machine et est ainsi très stable contre les oscillations. La présente invention offre un autre avantage concernant les prix très faibles des.outils spécifiques qui résultent de la longue durée de vie de la meule et auxquels contribue également de façon importante le fait que le nombre maximum possible de corps de meulage participe au processus de rectification, ce qui diminue la charge sur les grains et facilite l'enlèvement des copeaux, la force de coupe, qui agit de façon constante et avec peu de vibrations sur chaque grain pouvant être représentée, en ce qui concerne la surface de polissage, comme un vecteur fixe dans l'espace. Grâce au fait que le mouvement d'avance n'est pas nécessaire, on évite ainsi l'arrachement des gMns de meuledu liant. Les meules nécessaires pour le procédé de l'invention ne sont pas compliquées et sont faciles à fabriquer. En général, on fixe des corps de meulage, de préférence constitués par des grains de diamant en tant que 9 2554376 matière de coupe, sous la forme de disques, plaques ou bandes, sur un corps de base. Les espaces inter- médiaires qui, de ce fait,restent libres entre les éléments de rectification individuelle renforcent l'effet de refroidissement et facilitent l'enlèvement des copeaux. La distance entre les éléments de rectifi- cation individuelle ou encore segments de rectifi- cation est Enoutre, à chaque fois, plus petite que la surface à façonner. De cette manière, on évite qu'une picene se trouve coincée entre deux segments de rectification et que, lors de la rotation de la meule, se déroule un processus traditionnel de rectification frontale, o seul le bord du segment de rectification agit. On peut cependant également utiliser d'une manière avantageuse des meules pourvues d'une garniture continue dont les dimensions sont déterminées selon la grandeur de la pièce. Dans la rectification selon l'invention, on peut utiliser des grains économiquement plus fins, ce qui, pour la rectification de matériaux non métalliques, donnent des surfaces mieux finies. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, on va en décrireci-après, à titre d'exemples purement illustratifs, et non limi- tatifs, plusieurs modes de réalisation représentés sur les dessins annexes. Sur ces dessins, La figure 1 représente un disque de substrat d'une dimension type; La figure 2 représente une forme de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre conforme à l'invention du procédé de rectification transversale plan contre plan; La figure 3 est une représentation schématique des proportions grossières entre la surface de rectification de la meule et la pièce dans le cas d'un dispositif selon la figure 2; et 2554376 Les figures 4a à 4e sont des représentations schématiques respectives d'exemples de configurations avantageuses des surfaces de rectification de meules pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le disque de support en silicium représenté sur la figure 1 a des dimensions telles que prévues pour la fabrication de composants électroniques à grande puissance. La forme de réalisation d'un dispositif représentée sur la figure 2 se compose d'un support de machine 1 principalement en forme de parallélépipède, sur la surface horizontale supérieure duquel est disposée pour la réception ou le transport des pièces 3, une table 2 que l'on peut faire tourner de façon cadencée ou qui peut être déplacée horizontalement, et qui peut être fixée pendant le processus de rectification. Le dispositif de réception des pièces est surmonté d' un support 4, sur lequel sont fixés le moteur d'entrai- nement 8 et la broche de meule 5, qui porte la meule 6 avec la surface de rectification 7 tournée vers les pièces. Le support 4 est monté mobile verticalement vers le haut et vers le basau moyen d'éléments de guidage 9, précis et rigides, sur le support 1. Ce mouvement vertical vers le haut et vers le bas, peut, par exemple, êtreobtenu par une broche d'approche 10 à commande électrique. Cette broche d'approche 10 fait avancer vers le bas la meule 6, selon l'invention,en "rectification en plongée" jusqu'à la mesure finale de la pièce et soulève en déplacement rapide tout le support, vers le haut. Pendant ce mouvement de retour du support, la pièce terminée est éloignée de la zone de la meule par la rotation cadencée ou par le déplacement horizontal de la table 2, et, en même temps, une nouvelle pièce à façonner est amenée sous la meule et miseen position de travail. Ces chargement et déchargement simultanés se pro- duisent en synchronisme avec le mouvement de retour du support de sorte qu'il n'y ait aucune collision il 2'554376 entre la nouvelle pièce et la meule, tant que le mouvement de transport n'est pas terminé et que le support de la pièce n'a pas de nouveau été bloqué. La figure 3 montre une meule pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La meule 40 représentée a une surface de rectification ou de polissage 42 tournée vers la pièce 41 qui, pendant le processus de rectification, recouvre totalement, par sa surface, la pièce 41 maintenue solidement et non soumise à un mouvement d'avance. De cette façon, on est assuré que pendant la rectification, tous les corps abrasifs de la surface de rectification 42 agissent efficacement pour retirer les copeaux. Les figures 4a à 4e représentent de façoe hatiqe, diverses possibilités de configutarion des surfaces des corps abrasifs utilisables selon l'invention. La figure 4a représente une surface de rectification formée de pastilles 43 de corps abrasifs. Les fiqures 4b et 4c montrent des meules dont les garnitures abrasives sont formées d'éléments de garniture abrasive 44,45 respectivement de forme carrée et trapézoidale. Dans le cas des figures 4d et 4e, les éléments de la garniture abrasive sont respectivement conformés en forme de bâtonnets 46 et dacs 47. Dans toutes les formes de réalisation des figures 4a à 4e, on a respectivement représenté des pièces 41 de forme circulaire et l'on peut voir ainsi que les garnitures abrasives recouvrent totalement les pièces en surface de manière efficace. Dans chacune de ces formes de réalisation de meules, on est assuré que, pendant la rectification, tous les corps abrasifs des segments de garniture abrasive tournés vers la pièce seront efficaces pour l'enlèvement des copeaux. Ceci est nettement contraire à la rectifi- cation frontale ou faciale traditionnelle, selon laquelle seuls les corps abrasifs du bord de la meule 12 2554376 servent à enlever les copeaux. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la charge de rectification et le domaine de contact de la meule sur la pièce sont constants pendant tout le temps de la rectification. On peut ainsi obtenir une image très régulière de la rectification et un processus de rectification très stable. Le procédé de rectification transversale plan contre plan, ou encore rectification plane trans- versale, faciale, est décrit par exemple dans le projet de norme DIN 8589, partie 11, page 10. 2554376' REVENDICATIONS 1. Application du procédé de rectificatin transversale plan contre plan au façonnage de pièces en forme de disques consistant en un matériau cristallin très dur et cassant, procédé de rectification qui comprend seulement deux composantes de mouvement, à savoir la rota- tion de la meule et l'approche de la meule, caractérisée par le fait que le matériau cristallin a une dureté Viekers supérieure à 7000 N/mmn2 et est d'une épaisseur comprise entre 60 et 250 pm. 2. Application du procédé de rectification trans- versale plan contre plan selon la revendication 1 au façonnage de pièces en forme de disques consistant enun matériau cristallin très dur et cassant ayant de préférence une épaisseur comprise entre 80 et 120 pm.