基于复合结构抛光工具的铜衬底线性液动压抛光加工

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.03.004

摘要/Abstract

摘要：

为改善铜衬底表面形貌，提出复合结构抛光工具的设计方法。依据线性液动压原理以及材料去除模型，进行液动压力流场特性的数值模拟分析，验证模拟数据的准确性，厘清铜衬底线性液动压抛光加工工艺参数对表面形貌的影响规律。研究表明：复合结构比单一的螺旋结构、不等距槽宽结构、变厚度结构液动压力均值更大、标准差更小，复合结构综合了螺旋结构材料去除率高、不等距槽宽结构和变厚度结构抛光表面形貌均匀性好的优点；工艺参数为抛光时间45 min、抛光转速24 000 r/min、抛光间隙20 μm时，表面粗糙度参数Sa、Sq、PV分别优化为4.778 nm、6.086 nm、9.900 nm。

关键词: 线性液动压抛光, 复合结构, 表面形貌, 液动压力

Abstract:

To improve the surface morphology of copper substrates， a design method was proposed for composite structure polishing tools. Based on the principle of linear hydrodynamic pressure and material removal model， numerical simulation analyses of hydrodynamic pressure flow field characteristics were carried out to verify the accuracy of simulation data and clarify the influences of processing parameters of copper substrate linear hydrodynamic pressure polishing on surface morphology. Results show that composite structures have a higher mean hydraulic pressure and smaller standard deviation than that of single spiral structures， non-uniform groove width structures， and variable thickness structures. Composite structures combine the advantages of high material removal rate of spiral structures， good surface morphology uniformity of non-uniform groove width structures， and variable thickness structures during polishing. The surface roughness parameters Sa， Sq， and PV are optimized to 4.778 nm， 6.086 nm， and 9.900 nm， respectively， when the processing parameters are set as follows： polishing time of 45 min， polishing speed of 24 000 r/min， and polishing gap of 20 μm.

Key words: linear hydrodynamic polishing, composite structure, surface morphology, hydraulic pressure

中图分类号:

TG580.692

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图/表 21

图1 线性液动压抛光原理图

Fig.1 Schematic diagram of linear hydrodynamic polishing

图2 直列和螺旋结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of inline and spiral structures

图3 等距槽宽和不等距槽宽结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of equidistant and non- equidistant slot width structures

图4 等厚度和变厚度结构示意图

Fig.4 Schematic diagram of single-layer and double-layer structures

图5 抛光平台示意图

Fig.5 Schematic diagram of polishing platform

图6 复合结构抛光工具实物图

Fig.6 Physical picture of composite structure polishing tool

图7 实验流程图

Fig.7 Experimental flowchart

图8 直列、螺旋结构抛光工具液动压力云图

Fig.8 Hydraulic pressure cloud map of inline and spiral structure polishing tools

表1 直列、螺旋结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.1 Simulation results of hydraulic pressure for inline and spiral structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
直列结构	25 091.65	8402.28
螺旋结构	29 008.68	8602.02

表1 直列、螺旋结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.1 Simulation results of hydraulic pressure for inline and spiral structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
直列结构	25 091.65	8402.28
螺旋结构	29 008.68	8602.02

图9 等距槽宽、不等距槽宽结构抛光工具液动压力云图

Fig.9 Hydraulic pressure cloud map of equidistant and non-equidistant slot width structure polishing tools

表2 等距槽宽、不等距槽宽结构工具液动压力模拟结果

Tab.2 Simulation results of hydraulic pressure for equidistant and non-equidistant slot width structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
等距槽宽结构	25 091.65	8402.28
不等距槽宽结构	25 721.78	7837.85

表2 等距槽宽、不等距槽宽结构工具液动压力模拟结果

Tab.2 Simulation results of hydraulic pressure for equidistant and non-equidistant slot width structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
等距槽宽结构	25 091.65	8402.28
不等距槽宽结构	25 721.78	7837.85

图10 等厚度、变厚度结构抛光工具液动压力云图

Fig.10 Hydraulic pressure cloud map of single-layer and double-layer structure polishing tools

表3 等厚度、变厚度结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.3 Simulation results of hydraulic pressure for single-layer and double-layer structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
等厚度结构	28 779.23	9410.68
变厚度结构	27 381.78	7660.94

表3 等厚度、变厚度结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.3 Simulation results of hydraulic pressure for single-layer and double-layer structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
等厚度结构	28 779.23	9410.68
变厚度结构	27 381.78	7660.94

图11 复合结构和单一结构抛光工具液动压力云图

Fig.11 Hydraulic pressure cloud map of composite and single structure polishing tools

表4 复合结构和单一结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.4 Simulation results of hydraulic pressure for composite and single structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
复合结构	32826.33	7463.33
螺旋结构	29008.68	8602.02
不等距槽宽结构	25721.78	7837.85
变厚度结构	27381.78	7660.941

表4 复合结构和单一结构抛光工具液动压力模拟结果

Tab.4 Simulation results of hydraulic pressure for composite and single structure polishing tools

	均值 $p$ /Pa	标准差 $σ$ /Pa
复合结构	32826.33	7463.33
螺旋结构	29008.68	8602.02
不等距槽宽结构	25721.78	7837.85
变厚度结构	27381.78	7660.941

图12 不同结构抛光工具液动压力采集结果

Fig.12 Results of hydraulic pressure for polishing tools with different structures

表5 液动压力模拟结果与测试结果对比

Tab.5 Comparison between hydraulic pressure simulation results and test results

抛光工具结构	模拟均值/Pa	测试均值/Pa	均值误差/%
螺旋结构	29 008.68	29 817.62	2.71
直列等距槽宽结构	25 091.65	23 917.68	4.91
不等距槽宽结构	25 721.78	25 600.23	0.47
等厚度结构	28 779.23	27 551.89	4.45
变厚度结构	27 381.78	28 831.27	5.03
复合结构	32 826.33	33 575.64	2.23

图13 抛光时间对表面形貌参数的影响

Fig.13 The influence of polishing time on surface morphology parameters

图14 抛光转速对表面形貌参数的影响

Fig.14 The influence of polishing speed on surface morphology parameters

图15 抛光间隙对表面形貌参数的影响

Fig.15 The influence of polishing gap on surface morphology parameters

图16 抛光加工前后表面

Fig.16 Surface before and after polishing processing

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