半導(dǎo)體硅材料憑借特殊的光學特性和物理特性,在高能衍射晶體領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而作為一種典型的硬脆性材料,采用傳統(tǒng)的機械加工方式加工半導(dǎo)體硅時,機械力易使加工表面產(chǎn)生崩碎和裂紋。電火花加工是通過電腐蝕現(xiàn)象蝕除材料的,對加工材料的硬度、脆性等沒有限制,適合用于加工半導(dǎo)體硅材料。電火花銑削加工可以用規(guī)則形狀(如棒、管、板、框架)的電極,配合工作臺及主軸多坐標數(shù)控伺服運動加工零件。本課題首先分析了半導(dǎo)體與金屬材料放電加工特性的不同,搭建了針對半導(dǎo)體硅材料加工的伺服控制系統(tǒng);然后對電極損耗的形式進行了研究,并在伺服控制系統(tǒng)中采用了基于放電脈沖個數(shù)的電極損耗補償措施;最后研究了工作介質(zhì)屬性對加工效率及電極損耗的影響,提出了丙三醇水溶液工作介質(zhì)并進行了工藝研究。本文的具體研究內(nèi)容如下:(1)開發(fā)了基于脈沖放電概率檢測的電火花銑削實驗平臺。分析了半導(dǎo)體材料放電加工特性與金屬加工特性的不同,設(shè)計了反饋信號檢測電路和基于ARM微處理器的伺服控制系統(tǒng);設(shè)計了適宜半導(dǎo)體硅材料加工的電火花加工脈沖電源,解決了采用金屬加工用脈沖電源的功率散失問題;開發(fā)了可實時無誤差逆向插補算法的路徑控制策略。(2)建立了基于脈沖放電個數(shù)的實時電極補償系統(tǒng),研究了銑削路徑對加工精度的影響。研究發(fā)現(xiàn),不同進給方向的電極損耗形式和速度有所不同,軸向進給的損耗主要集中電極端面,徑向進給時單層銑削厚度越小,其電極損耗更加集中在端面,更利于電極損耗的補償。(3)分析了硅晶體材料在去離子水工作介質(zhì)中電火花加工時出現(xiàn)的鈍化問題及在火花油中加工形成的積碳問題。分析并實驗驗證了工作介質(zhì)的電導(dǎo)率、介質(zhì)成分對加工效果的影響。研究表明工作介質(zhì)電導(dǎo)率的降低利于放電間隙的增大;含碳工作介質(zhì)在放電產(chǎn)生的瞬時高溫下會分解出碳,增強對電極的鍍覆效應(yīng),減小電極損耗;但若碳含量過高,無法及時排除,則會產(chǎn)生積碳現(xiàn)象,從而影響加工的穩(wěn)定性。(4)提出了采用丙三醇水溶液工作介質(zhì),實驗研究了其濃度對加工效率和電極損耗的影響,證明其適宜的濃度為20%~30%。然后在一定加工條件下與去離子水的加工效果進行了對比發(fā)現(xiàn):丙三醇水溶液中電火花加工穩(wěn)定性更高,最佳占空比為1:7,遠優(yōu)于去離子水中的1:21;可以選用更高的脈沖放電能量,空載電壓可以取到210V,而去離子水中僅180V,可以提高加工效率達3倍以上。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.2
【部分圖文】：

火花加工還在進一步科研研究過程中。1.2.1 內(nèi)外圓切割方式單晶硅和多晶硅固體多用做晶片，20 世紀末之前，硅錠的晶片切割主要采用外圓磨削切割機床和內(nèi)圓磨削切割機床。目前，隨著產(chǎn)品需求的大量提高，多線切割逐漸占領(lǐng)了主流市場，但是內(nèi)外圓切割憑借其在小批量生產(chǎn)領(lǐng)域的靈活性仍然擁有一定的應(yīng)用空間。晶片切割最早使用的加工方式是外圓切割[10]，圖 1.1（a）所示為 J5025 型多刀外圓切片機。圖 1.1（b）所示為外圓切割方式的原理示意簡圖，金剛石外圓鋸片裝夾在高速旋轉(zhuǎn)的主軸上，隨著固定在工作臺上的硅晶棒與主軸的相對運動，外圓刀片在高速旋轉(zhuǎn)作用下通過金剛石磨粒磨削去除切縫材料來達到切割目的。但外圓刀片直徑較大，在高速旋轉(zhuǎn)過程中難以避免地出現(xiàn)剛性不高、刀口擺動大等問題，嚴重影響加工精度和表面質(zhì)量，需要后續(xù)處理才能達到加工需求。若要進一步增大刀片的剛度，則必須提高刀片自身材料的剛度或增大刀片的厚度，這樣勢必會加大切割刀縫寬度，嚴重浪費材料，經(jīng)濟性差導(dǎo)致其可行性低。同時可切割工件的尺寸也有限制（小于 100mm）。隨著器件加工質(zhì)量要求的提高和加工直徑的增大，外圓切割技術(shù)在很多方面已經(jīng)不能滿足要求，逐漸被內(nèi)圓切割技術(shù)所取代[11]。

南京航空航天大學碩士學位論文常用的內(nèi)圓切割機包括立式和臥式內(nèi)圓切割機兩種，立式切割機的刀片是水平放置的，臥式切割機刀片是垂直于水平面放置的[12]。圖 1.2（a）所示為 TS207 型內(nèi)圓切割機，圖 1.2（b）所示為內(nèi)圓切割方式的示意圖，內(nèi)鋸片通過鋸片上規(guī)則排布的安裝孔裝夾在主軸刀盤上，并用專用機構(gòu)張緊，工件裝夾在工作上的專用夾具上，同時相對主軸進行徑向進給，從而依靠隨主軸高速旋轉(zhuǎn)的鋸片磨削去除材達到切割目的。增強刀口刃部的剛性。相對于外圓切片技術(shù)，內(nèi)圓切片技術(shù)切割過程更加平穩(wěn)精度跟高，晶片厚度均勻，表面光潔度好；但也存在一些不足，相對外圓鋸片，內(nèi)圓鋸片工直徑減小導(dǎo)致切削力增大，切割后硅片表面切痕和裂紋增大、損傷較為嚴重。且隨著硅錠或棒工件尺寸的不斷增大，機床的設(shè)計難度也較大。而隨著需求硅晶片直徑的不斷增大，與厚的不斷減小，內(nèi)圓切割機的產(chǎn)能遠遠不能滿足硅晶片產(chǎn)品的大量需求。多線切割工藝日益成并大量應(yīng)用與硅晶片切割行業(yè)，并得到迅猛發(fā)展[13]。

半導(dǎo)體硅材料電火花銑削加工控制系統(tǒng)及工藝研究金剛砂線，而游離磨料是指采用帶有磨料的工作液[14]。加工過程中，砂嘴不斷向加工區(qū)域噴入帶有磨料的砂漿，同時金屬絲的往復(fù)運動將砂漿帶入切縫，硅棒做上下進給振動，依靠磨粒的摩擦作用對硅棒進行磨削式切割加工。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 潘慧君;劉志東;邱明波;田宗軍;;半導(dǎo)體電火花加工爬坡式電流現(xiàn)象研究[J];中國機械工程;2014年13期

2 黃賽娟;劉志東;邱明波;田宗軍;潘慧君;;半導(dǎo)體硅電火花成形持續(xù)加工條件研究[J];電加工與模具;2014年02期

3 高利平;張穎;;基于電火花銑削加工的電極設(shè)計及制備工藝[J];科技視界;2014年03期

4 王小軍;孫振亞;;硅片切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J];超硬材料工程;2011年06期

5 趙文華;馬玉通;楊士超;;多線切割工藝中切割速度對晶片翹曲度的影響[J];電子工業(yè)專用設(shè)備;2011年09期

6 侯志堅;索海生;;硅晶體切片設(shè)備的研究現(xiàn)狀與進展[J];機床與液壓;2011年02期

7 任丙彥;王平;李艷玲;李寧;羅曉英;;Si片多線切割技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J];半導(dǎo)體技術(shù);2010年04期

8 李立青;郭艷玲;;不同工作介質(zhì)的電火花加工性能研究現(xiàn)狀[J];機床與液壓;2008年10期

9 柳暉;高雪官;姚婧;;同步輻射單色器晶體冷卻結(jié)構(gòu)的研究[J];核技術(shù);2008年09期

10 李祥友;曾曉雁;;激光銑削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J];激光雜志;2007年05期

本文編號：2828678