硬脆性材料微磨削尖端诱导脆裂切断性能研究

发布时间：2020-10-10 04:54

　　单晶碳化硅、蓝宝石、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转变需要微米乃至纳米单位的机械进给,导致加工效率较低,且有去除材料和切削液的废弃等环保问题。因此,提出了微磨削尖端诱导裂纹扩展的硬脆性芯片材料切断方法。在研究中,采用在位精密修整的金刚石砂轮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线微槽,然后,在芯片正反面加载使其微槽尖端应力集中,进而诱导脆性材料产生裂纹并且精密扩展,实现芯片材料的零去除的干式切断。论文主要研究各种芯片材料的微压痕尖端裂纹扩展机理,直线微槽尖端的磨削性能,动静态加载的脆裂切断机制和硬脆性芯片的快速精密切断性能。(1)通过金刚石压头的微压痕实验,建立微压痕尖端微裂纹扩展长度和微压痕对角长度与压痕力的关系模型,结果发现:阻碍微尖端诱导的微裂纹扩展的强弱顺序是:石英玻璃,单晶碳化硅,蓝宝石和单晶硅。在芯片表面微槽尖端磨削中,加工质量与芯片材料阻碍微裂纹扩展能力是一致的,而且,单晶碳化硅的微尖端磨削力比蓝宝石、单晶硅和石英玻璃的分别减小38.9%,10.8%和46.8%。(2)在微压痕阵列尖端诱导微裂纹的芯片切断中,芯片材料阻碍微裂纹扩展的强弱可以用于预测其可切断性。其中,单晶碳化硅可切断性最好,其切断力、切断时间和切断形状误差分别比蓝宝石小约80%、约43%和约84%,比单晶硅小约99%、约82%和约81%。而且,其微压痕力能够用于控制切断的力,效率和精度。切断面粗糙度达到22?35 nm,微压痕和切断时间约25 s以内,可实现高效率的光滑切断加工。(3)石英玻璃的微槽尖端精密诱导切断与其机械滚轮压断相比可以得到边角无破损的光滑切断面。当临界加载速度小到20?60 mm/min及以下,动态切断转化为作用机制不同的静态切断。切断力与尖端半径相关的静态切断理论模型得到了实验验证。而且,静态切断的力和时间分别是动态切断的约2倍和约9倍,但是,其切断面形状误差和粗糙度却分别被减小约36%和约12%,分别达到16.3μm/mm和19.7 nm。(4)在单晶碳化硅和蓝宝石的切断中,当加载速度达到动静态切断转变的临界加载速度40?60 mm/min时,切断面质量最好。而且,切断力和时间逐渐减小到稳定值。静态切断的形状误差比动态切断的分别减小52.9%和33.5%。在静态切断中,单晶碳化硅的切断时间比蓝宝石的要长,达到0.2?0.3 s,但其切断形状误差小于蓝宝石的约10倍,其切断面粗糙度可达到43?47 nm。此外,沿着单晶碳化硅的晶向1~-21~-0加工直线微槽可以减小切断力和切断时间。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN40
【部分图文】：

滚轮,切断面,斜视图,单点

华南理工大学博士学位论文械滚轮划线过程中微裂纹产生的原因。因此，学者调查研究了垂直裂纹深轮预设深度的关系[15]，切断面质量与机械压力和滚轮预设深度关系[16]。滚压划线切断加工将导致切断面边缘产生破损。为了促进切断速度和质量划线激光辅助切断分割玻璃[17]，但是此方法将导致高的能量消耗并且边缘解决。针对这些问题学者提出了采用激光裂纹控制法和熔融蒸发切割法进18,19]。但是加工过程中消耗能量比较大。

微结构,碳化硅,硬质合金,单晶硅

可控制轴向进给深度为 30 μm 的条件下进行微加工[33]。但是由于刀具形状和加工精度的限制建立复杂的微结构的刀具轨迹非常困难。单点金刚石刀具被用于加工网格表面[34]。但是，此方法限制在于加工易加工材料。对于较难被加工的硬脆性材料表面微结构的加工，学者提出了采用激光加工和腐蚀的方法[35]，但是难于控制微结构阵列的均匀性。激光可辅助在陶瓷柱面车削微沟槽[36]，但是微沟槽形状不规整。成型磨削方法可以被用于加工微规整形状结构[37]，但是难于保证砂轮表面微结构的修整精度并且加工的微结构深宽比值为 0.01。金刚石尖端微磨削加工可以在难于加工的硬脆性材料硬质合金、硅表面和碳化硅表面制造精密和光滑的微结构（见图 1-1）[38-40]。但是，材料不同晶向对微尖端磨削加工微结构影响和对磨削比的影响以及微尖端磨削工艺参数对不同材料和材料不同方向的影响还未被研究。同时，通过微磨削加工可以得到光滑和边缘无破损的微沟槽，这将改善传统机械滚轮划线加工微沟槽的质量。然而，微槽尖端还未被用于精密切断硬脆性材料。

原理图,加工系统,激光束,原理图

激光分割原理与裂纹扩展与机械滚轮划线切断加工类似并且断裂生长可以被控制。激光束划线切断加工系统如图1-3 所示[51]。图 1-3 激光束划线切断加工系统原理图[51]高能量的激光束代替传统的机械滚轮在玻璃表面划线切断加工，可以有效的减少划线过程中材料中产生的微裂纹，使得划线微沟槽边缘的破损减少。但是未能消除微沟槽边缘破损的产生并且通过激光束划线切断加工得到的切断表面不平整（见图 1-4）。切断表面粗糙度和直线度也未被研究。图 1-4 激光划线切断玻璃的切断面[52]为了优化激光束划线切断加工的工艺参数，研究者提出了激光束划线切断加工玻璃[53]和液晶玻璃板[54]的理论模型，可以有效的指导实际的激光束划线切断加工。但是激光束划线产生微裂纹深度和实际切断面的加工效果未被进行研究。为了弄清玻璃表面在激光束划线过程中产生的微裂纹的深度，研究者进行了玻璃表面激光束划线切断加工中相关的有限元热应力分析，得到了激光束划线过程中产生的微裂纹深度大小取决于冷却区域的最大拉应力大小，而且表面的最大温度和最大拉应力的最低限制值对切断加工结果的影响较大[55, 56]，但是未能给出切断面质量优劣的相关结果。为了研究激光束在玻璃表

【参考文献】