發(fā)布時間：2020-10-10 04:54

　　 單晶碳化硅、藍(lán)寶石、石英玻璃等高性能芯片的精密切削加工由于材料脆塑性去除轉(zhuǎn)變需要微米乃至納米單位的機(jī)械進(jìn)給,導(dǎo)致加工效率較低,且有去除材料和切削液的廢棄等環(huán)保問題。因此,提出了微磨削尖端誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展的硬脆性芯片材料切斷方法。在研究中,采用在位精密修整的金剛石砂輪微尖端在硬脆性芯片基板上微磨削加工高精度和光滑的直線微槽,然后,在芯片正反面加載使其微槽尖端應(yīng)力集中,進(jìn)而誘導(dǎo)脆性材料產(chǎn)生裂紋并且精密擴(kuò)展,實現(xiàn)芯片材料的零去除的干式切斷。論文主要研究各種芯片材料的微壓痕尖端裂紋擴(kuò)展機(jī)理,直線微槽尖端的磨削性能,動靜態(tài)加載的脆裂切斷機(jī)制和硬脆性芯片的快速精密切斷性能。(1)通過金剛石壓頭的微壓痕實驗,建立微壓痕尖端微裂紋擴(kuò)展長度和微壓痕對角長度與壓痕力的關(guān)系模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn):阻礙微尖端誘導(dǎo)的微裂紋擴(kuò)展的強(qiáng)弱順序是:石英玻璃,單晶碳化硅,藍(lán)寶石和單晶硅。在芯片表面微槽尖端磨削中,加工質(zhì)量與芯片材料阻礙微裂紋擴(kuò)展能力是一致的,而且,單晶碳化硅的微尖端磨削力比藍(lán)寶石、單晶硅和石英玻璃的分別減小38.9%,10.8%和46.8%。(2)在微壓痕陣列尖端誘導(dǎo)微裂紋的芯片切斷中,芯片材料阻礙微裂紋擴(kuò)展的強(qiáng)弱可以用于預(yù)測其可切斷性。其中,單晶碳化硅可切斷性最好,其切斷力、切斷時間和切斷形狀誤差分別比藍(lán)寶石小約80%、約43%和約84%,比單晶硅小約99%、約82%和約81%。而且,其微壓痕力能夠用于控制切斷的力,效率和精度。切斷面粗糙度達(dá)到22?35 nm,微壓痕和切斷時間約25 s以內(nèi),可實現(xiàn)高效率的光滑切斷加工。(3)石英玻璃的微槽尖端精密誘導(dǎo)切斷與其機(jī)械滾輪壓斷相比可以得到邊角無破損的光滑切斷面。當(dāng)臨界加載速度小到20?60 mm/min及以下,動態(tài)切斷轉(zhuǎn)化為作用機(jī)制不同的靜態(tài)切斷。切斷力與尖端半徑相關(guān)的靜態(tài)切斷理論模型得到了實驗驗證。而且,靜態(tài)切斷的力和時間分別是動態(tài)切斷的約2倍和約9倍,但是,其切斷面形狀誤差和粗糙度卻分別被減小約36%和約12%,分別達(dá)到16.3μm/mm和19.7 nm。(4)在單晶碳化硅和藍(lán)寶石的切斷中,當(dāng)加載速度達(dá)到動靜態(tài)切斷轉(zhuǎn)變的臨界加載速度40?60 mm/min時,切斷面質(zhì)量最好。而且,切斷力和時間逐漸減小到穩(wěn)定值。靜態(tài)切斷的形狀誤差比動態(tài)切斷的分別減小52.9%和33.5%。在靜態(tài)切斷中,單晶碳化硅的切斷時間比藍(lán)寶石的要長,達(dá)到0.2?0.3 s,但其切斷形狀誤差小于藍(lán)寶石的約10倍,其切斷面粗糙度可達(dá)到43?47 nm。此外,沿著單晶碳化硅的晶向1~-21~-0加工直線微槽可以減小切斷力和切斷時間。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN40
【部分圖文】：

華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文 械滾輪劃線過程中微裂紋產(chǎn)生的原因。因此，學(xué)者調(diào)查研究了垂直裂紋深輪預(yù)設(shè)深度的關(guān)系[15]，切斷面質(zhì)量與機(jī)械壓力和滾輪預(yù)設(shè)深度關(guān)系[16]。滾壓劃線切斷加工將導(dǎo)致切斷面邊緣產(chǎn)生破損。為了促進(jìn)切斷速度和質(zhì)量劃線激光輔助切斷分割玻璃[17]，但是此方法將導(dǎo)致高的能量消耗并且邊緣解決。針對這些問題學(xué)者提出了采用激光裂紋控制法和熔融蒸發(fā)切割法進(jìn)18,19]。但是加工過程中消耗能量比較大。

可控制軸向進(jìn)給深度為 30 μm 的條件下進(jìn)行微加工[33]。但是由于刀具形狀和加工精度的限制建立復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)的刀具軌跡非常困難。單點金剛石刀具被用于加工網(wǎng)格表面[34]。但是，此方法限制在于加工易加工材料。對于較難被加工的硬脆性材料表面微結(jié)構(gòu)的加工，學(xué)者提出了采用激光加工和腐蝕的方法[35]，但是難于控制微結(jié)構(gòu)陣列的均勻性。激光可輔助在陶瓷柱面車削微溝槽[36]，但是微溝槽形狀不規(guī)整。成型磨削方法可以被用于加工微規(guī)整形狀結(jié)構(gòu)[37]，但是難于保證砂輪表面微結(jié)構(gòu)的修整精度并且加工的微結(jié)構(gòu)深寬比值為 0.01。金剛石尖端微磨削加工可以在難于加工的硬脆性材料硬質(zhì)合金、硅表面和碳化硅表面制造精密和光滑的微結(jié)構(gòu)（見圖 1-1）[38-40]。但是，材料不同晶向?qū)ξ⒓舛四ハ骷庸の⒔Y(jié)構(gòu)影響和對磨削比的影響以及微尖端磨削工藝參數(shù)對不同材料和材料不同方向的影響還未被研究。同時，通過微磨削加工可以得到光滑和邊緣無破損的微溝槽，這將改善傳統(tǒng)機(jī)械滾輪劃線加工微溝槽的質(zhì)量。然而，微槽尖端還未被用于精密切斷硬脆性材料。

激光分割原理與裂紋擴(kuò)展與機(jī)械滾輪劃線切斷加工類似并且斷裂生長可以被控制。激光束劃線切斷加工系統(tǒng)如圖1-3 所示[51]。圖 1-3 激光束劃線切斷加工系統(tǒng)原理圖[51]高能量的激光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械滾輪在玻璃表面劃線切斷加工，可以有效的減少劃線過程中材料中產(chǎn)生的微裂紋，使得劃線微溝槽邊緣的破損減少。但是未能消除微溝槽邊緣破損的產(chǎn)生并且通過激光束劃線切斷加工得到的切斷表面不平整（見圖 1-4）。切斷表面粗糙度和直線度也未被研究。圖 1-4 激光劃線切斷玻璃的切斷面[52]為了優(yōu)化激光束劃線切斷加工的工藝參數(shù)，研究者提出了激光束劃線切斷加工玻璃[53]和液晶玻璃板[54]的理論模型，可以有效的指導(dǎo)實際的激光束劃線切斷加工。但是激光束劃線產(chǎn)生微裂紋深度和實際切斷面的加工效果未被進(jìn)行研究。為了弄清玻璃表面在激光束劃線過程中產(chǎn)生的微裂紋的深度，研究者進(jìn)行了玻璃表面激光束劃線切斷加工中相關(guān)的有限元熱應(yīng)力分析，得到了激光束劃線過程中產(chǎn)生的微裂紋深度大小取決于冷卻區(qū)域的最大拉應(yīng)力大小，而且表面的最大溫度和最大拉應(yīng)力的最低限制值對切斷加工結(jié)果的影響較大[55, 56]，但是未能給出切斷面質(zhì)量優(yōu)劣的相關(guān)結(jié)果。為了研究激光束在玻璃表

【參考文獻(xiàn)】

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