隨著科技發(fā)展,各種形狀的半導(dǎo)體晶體材料零件在無損檢測(cè)、太空譜線檢測(cè)、高能光源冷卻通道等方面的需求日益增多。然而對(duì)于這些特殊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶體,無論采用傳統(tǒng)機(jī)械加工還是特種加工方法都十分困難,尤其對(duì)半導(dǎo)體晶體的型腔、型孔加工就更加困難,并且加工完成后還需要去除其表面變質(zhì)層,以增強(qiáng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,同時(shí)起到保障加工表面單晶結(jié)構(gòu)的作用。電火花成形加工作為單晶硅型腔及型孔加工的一種必要加工手段,國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究還很少。圍繞單晶硅的電火花型孔加工技術(shù)及變質(zhì)層去除工藝,本文主要研究?jī)?nèi)容如下:1.構(gòu)建了單晶硅電火花型孔加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該套系統(tǒng)主要包括專用脈沖電源、伺服控制系統(tǒng)以及工作液冷卻循環(huán)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了持續(xù)、穩(wěn)定的單晶硅電火花型孔加工。2.建立了基于能量轉(zhuǎn)換的單晶硅電火花型孔加工蝕除計(jì)算模型,定量表征了微觀尺度下材料特性對(duì)單晶硅放電蝕除過程的影響規(guī)律;建立了單晶硅電火花型孔加工等效電路模型,為實(shí)現(xiàn)單晶硅電火花型孔加工的穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行提供了理論依據(jù)。針對(duì)單晶硅在放電加工中由于具有接觸電阻及體電阻從而導(dǎo)致固定的進(jìn)電位置會(huì)在型孔加工中由于放電能量的衰減而產(chǎn)生錐度的問題,提出了采用變能量加工方法減小加工錐度,提高了單晶硅電火花型孔加工的尺寸精度。3.發(fā)現(xiàn)了單晶硅在電火花加工過程中出現(xiàn)反向脈沖波形的規(guī)律,完善了單晶硅電火花加工機(jī)理。對(duì)比分析了晶體管電源與RC電源在單晶硅電火花加工中的放電特性,以labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和matlab波形分析系統(tǒng)為研究工具,研究了單晶硅電火花型孔加工過程中的脈沖波形,發(fā)現(xiàn)了僅在使用RC電源時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向脈沖,并且它能夠提高加工效率,但會(huì)降低工件表面質(zhì)量,增大電極損耗。4.提出了一種基于脈沖概率檢測(cè)與周期性抬刀相結(jié)合的伺服控制方法。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了以ARM為主控制單元,以電流脈沖概率檢測(cè)為核心控制思路,能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)電極進(jìn)給回退的伺服控制系統(tǒng)。正常加工過程中,當(dāng)采樣的電流脈沖概率小于設(shè)定值時(shí),電極按預(yù)設(shè)的進(jìn)給速度進(jìn)給,并通過周期性抬刀進(jìn)行極間工作介質(zhì)的更新;一旦加工過程中檢測(cè)到采樣電流脈沖概率大于設(shè)定值,則立刻進(jìn)行電極回退操作,通過沖液排出極間蝕除產(chǎn)物,改善極間加工狀況,當(dāng)采樣的脈沖概率小于設(shè)定值后停止回退并繼續(xù)進(jìn)行正常加工。5.提出了一種通過一維驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)的加工模式,該方法能夠根據(jù)加工需求借助三維打印技術(shù)快速制備不同夾具,以實(shí)現(xiàn)不同弧度的單晶硅電火花彎孔加工。該方法規(guī)避了采用多軸數(shù)控電火花機(jī)床進(jìn)行彎孔加工所帶來的復(fù)雜編程和高成本問題,實(shí)現(xiàn)了單晶硅電火花彎孔加工。6.提出了基于布拉格衍射原理的回?cái)[曲線法單晶硅變質(zhì)層厚度檢測(cè)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)單晶硅電火花型孔加工后工件表面變質(zhì)層厚度的測(cè)定,以及對(duì)復(fù)合拋光后變質(zhì)層去除效果的檢驗(yàn)。7.提出了基于硅材料下F~-離子催化效應(yīng)的電解磨料復(fù)合拋光技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)相較通用的平面硅片拋光的化學(xué)機(jī)械拋光方法,實(shí)現(xiàn)了單晶硅電火花型孔加工表面的變質(zhì)層去除。構(gòu)建了電解磨料復(fù)合拋光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);研制了以氟化鈉為添加劑的適用于硅材料拋光的專用電解液;通過電場(chǎng)仿真找到能夠保證電場(chǎng)均勻分布的進(jìn)電位置以解決電解拋光過程中單晶硅從進(jìn)電處到拋光區(qū)域因?yàn)轶w電阻所造成的電勢(shì)差;設(shè)計(jì)了與單晶硅型孔形狀相同的陰極,在保證電極側(cè)面與型孔表面平行的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于虛擬儀器的PID實(shí)時(shí)電解間隙控制系統(tǒng)以保證兩電極間維持合適的間隙,保障電解液和磨料在電極和型孔間隙之間快速流動(dòng)而進(jìn)行復(fù)合拋光,獲得了無變質(zhì)層的單晶硅電火花型孔加工表面。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O613.72
【部分圖文】：

第一章 緒論1.1 研究意義及目的當(dāng)今世界上，同步輻射光源已成為數(shù)量最多的在線運(yùn)行大型科學(xué)裝置。同步輻射擁有平滑的光譜，高度的準(zhǔn)直性，高輻射功率，高亮度，偏振性，可計(jì)算性。基于這些優(yōu)秀性能的同步輻射正在為諸多學(xué)科前沿研究和高新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用提供不可替代的實(shí)驗(yàn)研究手段，逐漸得到社會(huì)和各國(guó)政府的認(rèn)同[1]。同步輻射一代光源是寄生在高能物理環(huán)上的，普遍采用彎鐵作為光源；第二代光源指的是同步輻射專用環(huán)，采用彎鐵和少量的插入件作為光源；采用更高性能的具有專用儲(chǔ)存環(huán)的第三代光源普遍采用插入件作為光束線的光源（歐洲同步輻射裝置 ESRF、美國(guó) APS 光源、日本SPring-8、上海同步輻射光源等）。上述三代同步輻射光源之間的差別，主要體現(xiàn)在電子束斑尺寸以及電子發(fā)射度的差異。我國(guó)即將啟動(dòng)預(yù)先研究[2]的高能同步輻射光源（High Energy PhotonSource，縮寫 HEPS）將建設(shè)能量為 5~6GeV，束流發(fā)射度為 0.05~0.1nm·rad 的第三代同步輻射光源（如圖 1.1 所示），高于世界上目前正在運(yùn)行和建設(shè)的同步輻射裝置。

有必要從全新的角度開展冷卻理論及應(yīng)用研究。冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方案是多種多樣的，圖1.5 為歐洲同步輻射裝置側(cè)邊冷卻示意圖。圖 1. 5 歐洲同步輻射裝置 ESRF 側(cè)邊冷卻示意圖根據(jù)熱傳導(dǎo)的速率方程：qx‖=-k（dT/dx） (1-1)其中，qx‖—熱流密度(W/m2)，k—導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)，dT/dx—溫度梯度。一維平壁的穩(wěn)態(tài)第一晶體旋轉(zhuǎn)軸中心第二晶體

為了減小溫度梯度 ΔT，就必須減小熱沉 1.6 所示的功率密度分布曲線。由圖 1.6圖 1. 6 光束功率密度分布曲線[4]環(huán)境中，晶體水冷通道需要留出真空密近熱源。θ(mrad)
【參考文獻(xiàn)】

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