半导体材料电火花多线切割多物理场仿真分析研究

发布时间：2020-04-28 20:25

【摘要】：对于以硅片为基底的光伏电池来说,晶体硅原料和切割成本在电池总制造成本中占据了最大的部分。电火花线切割加工是利用放电产生的电腐蚀现象去除材料,其可加工性与材料的硬度、脆性等力学性能无关,只与材料的热学性能有关,非常适合加工脆硬的半导体材料。其加工过程非常复杂,涉及电场、磁场、流场、温度场以及应力场等多个物理场,期间伴随着热量传递、质量传递和动量传递。通过实验直接测量各物理场的相关数据十分困难,在这种情况下,利用有限元方法研究多物理场对加工稳定性、加工质量和切缝宽度的影响对实现高效、高质量、低损耗切片具有重要意义。本文以电火花多线切割加工半导体材料过程中的流、热、磁、力四个物理场为对象,通过COMSOL Multiphysics有限元分析软件和连续脉冲放电实验,分析了加工参数对加工质量、加工效率和切缝宽度的影响。主要研究内容如下:(1)研究了两种供液方式对电火花多线切割极间流场的影响,建立了电火花多线切割三维极间流场模型,并运用有限元方法分析了喷液压力和运丝速度对极间流场的影响。(2)在考虑工件相变的基础上,研究了单脉冲放电半导体材料的热蚀除过程,分析了放电电流和脉宽对凹坑尺寸、工件表面粗糙度以及材料蚀除速率的影响。(3)建立了电火花多线切割连续脉冲放电过程中电极丝振动的理论模型,通过电极丝的热-磁-结构耦合仿真,分析了不同加工参数对电极丝横向振动幅值的影响。(4)通过连续脉冲放电实验对所建立的半导体材料蚀除模型和电极丝振动模型进行了检验,实验结果表明,半导体材料蚀除模型对表面粗糙度和加工速率的预测精度分别为90%和95%,电极丝振动模型对切缝宽度的预测精度为93%。
【图文】：

(a) 外圆切割机 (b) 外圆切割原理示意图图 1.1 外圆切割机及其工作原理示意图圆切割.2 是内圆切割机及其工作原理示意图，其刀刃是镶嵌在圆形金属薄基片的内圆周圆固定在旋转轴上。进刀时硅棒沿进给方向向着刀口位置平移，一旦接触高速旋割便开始，切完一片后自动退回。分度进给是指每切一刀后晶体垂直于刀口的推定了硅片的厚度[3]。与早期的外圆刀刃式切片机相比，，它可以使用更薄的刀刃，小的切割耗量、加工余量和较高的精度切出更薄的晶片。但是这种加工方式要求能超过刀片内圆的直径，也就是说，随着加工尺寸的增大，刀片的尺寸也必须随保证刀片的刚度，其厚度势必要增加，从而导致切缝宽度增加，材料损耗变大。不适合加工大尺寸的硅棒。

(a) 外圆切割机 (b) 外圆切割原理示意图图 1.1 外圆切割机及其工作原理示意图1.2.2 内圆切割图 1.2 是内圆切割机及其工作原理示意图，其刀刃是镶嵌在圆形金属薄基片的内圆周上，刀片的外圆固定在旋转轴上。进刀时硅棒沿进给方向向着刀口位置平移，一旦接触高速旋转的刀片，切割便开始，切完一片后自动退回。分度进给是指每切一刀后晶体垂直于刀口的推动，其量值决定了硅片的厚度[3]。与早期的外圆刀刃式切片机相比，它可以使用更薄的刀刃，因而可采用较小的切割耗量、加工余量和较高的精度切出更薄的晶片。但是这种加工方式要求硅棒的直径不能超过刀片内圆的直径，也就是说，随着加工尺寸的增大，刀片的尺寸也必须随之增大。为了保证刀片的刚度，其厚度势必要增加，从而导致切缝宽度增加，材料损耗变大。因此，内圆切割不适合加工大尺寸的硅棒。(a) 内圆切割机 (b) 内圆切割原理示意图图 1
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TG484

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本文编号：2643836