半导体硅材料电火花铣削加工控制系统及工艺研究

发布时间：2020-09-28 10:27

　　半导体硅材料凭借特殊的光学特性和物理特性,在高能衍射晶体领域的应用越来越广泛。然而作为一种典型的硬脆性材料,采用传统的机械加工方式加工半导体硅时,机械力易使加工表面产生崩碎和裂纹。电火花加工是通过电腐蚀现象蚀除材料的,对加工材料的硬度、脆性等没有限制,适合用于加工半导体硅材料。电火花铣削加工可以用规则形状(如棒、管、板、框架)的电极,配合工作台及主轴多坐标数控伺服运动加工零件。本课题首先分析了半导体与金属材料放电加工特性的不同,搭建了针对半导体硅材料加工的伺服控制系统;然后对电极损耗的形式进行了研究,并在伺服控制系统中采用了基于放电脉冲个数的电极损耗补偿措施;最后研究了工作介质属性对加工效率及电极损耗的影响,提出了丙三醇水溶液工作介质并进行了工艺研究。本文的具体研究内容如下:(1)开发了基于脉冲放电概率检测的电火花铣削实验平台。分析了半导体材料放电加工特性与金属加工特性的不同,设计了反馈信号检测电路和基于ARM微处理器的伺服控制系统;设计了适宜半导体硅材料加工的电火花加工脉冲电源,解决了采用金属加工用脉冲电源的功率散失问题;开发了可实时无误差逆向插补算法的路径控制策略。(2)建立了基于脉冲放电个数的实时电极补偿系统,研究了铣削路径对加工精度的影响。研究发现,不同进给方向的电极损耗形式和速度有所不同,轴向进给的损耗主要集中电极端面,径向进给时单层铣削厚度越小,其电极损耗更加集中在端面,更利于电极损耗的补偿。(3)分析了硅晶体材料在去离子水工作介质中电火花加工时出现的钝化问题及在火花油中加工形成的积碳问题。分析并实验验证了工作介质的电导率、介质成分对加工效果的影响。研究表明工作介质电导率的降低利于放电间隙的增大;含碳工作介质在放电产生的瞬时高温下会分解出碳,增强对电极的镀覆效应,减小电极损耗;但若碳含量过高,无法及时排除,则会产生积碳现象,从而影响加工的稳定性。(4)提出了采用丙三醇水溶液工作介质,实验研究了其浓度对加工效率和电极损耗的影响,证明其适宜的浓度为20%~30%。然后在一定加工条件下与去离子水的加工效果进行了对比发现:丙三醇水溶液中电火花加工稳定性更高,最佳占空比为1:7,远优于去离子水中的1:21;可以选用更高的脉冲放电能量,空载电压可以取到210V,而去离子水中仅180V,可以提高加工效率达3倍以上。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.2
【部分图文】：

切片机,外圆

火花加工还在进一步科研研究过程中。1.2.1 内外圆切割方式单晶硅和多晶硅固体多用做晶片，20 世纪末之前，硅锭的晶片切割主要采用外圆磨削切割机床和内圆磨削切割机床。目前，随着产品需求的大量提高，多线切割逐渐占领了主流市场，但是内外圆切割凭借其在小批量生产领域的灵活性仍然拥有一定的应用空间。晶片切割最早使用的加工方式是外圆切割[10]，图 1.1（a）所示为 J5025 型多刀外圆切片机。图 1.1（b）所示为外圆切割方式的原理示意简图，金刚石外圆锯片装夹在高速旋转的主轴上，随着固定在工作台上的硅晶棒与主轴的相对运动，外圆刀片在高速旋转作用下通过金刚石磨粒磨削去除切缝材料来达到切割目的。但外圆刀片直径较大，在高速旋转过程中难以避免地出现刚性不高、刀口摆动大等问题，严重影响加工精度和表面质量，需要后续处理才能达到加工需求。若要进一步增大刀片的刚度，则必须提高刀片自身材料的刚度或增大刀片的厚度，这样势必会加大切割刀缝宽度，严重浪费材料，经济性差导致其可行性低。同时可切割工件的尺寸也有限制（小于 100mm）。随着器件加工质量要求的提高和加工直径的增大，外圆切割技术在很多方面已经不能满足要求，逐渐被内圆切割技术所取代[11]。

示意图,锯片,硅晶片,内圆

南京航空航天大学硕士学位论文常用的内圆切割机包括立式和卧式内圆切割机两种，立式切割机的刀片是水平放置的，卧式切割机刀片是垂直于水平面放置的[12]。图 1.2（a）所示为 TS207 型内圆切割机，图 1.2（b）所示为内圆切割方式的示意图，内锯片通过锯片上规则排布的安装孔装夹在主轴刀盘上，并用专用机构张紧，工件装夹在工作上的专用夹具上，同时相对主轴进行径向进给，从而依靠随主轴高速旋转的锯片磨削去除材达到切割目的。增强刀口刃部的刚性。相对于外圆切片技术，内圆切片技术切割过程更加平稳精度跟高，晶片厚度均匀，表面光洁度好；但也存在一些不足，相对外圆锯片，内圆锯片工直径减小导致切削力增大，切割后硅片表面切痕和裂纹增大、损伤较为严重。且随着硅锭或棒工件尺寸的不断增大，机床的设计难度也较大。而随着需求硅晶片直径的不断增大，与厚的不断减小，内圆切割机的产能远远不能满足硅晶片产品的大量需求。多线切割工艺日益成并大量应用与硅晶片切割行业，并得到迅猛发展[13]。

多线,切割机

半导体硅材料电火花铣削加工控制系统及工艺研究金刚砂线，而游离磨料是指采用带有磨料的工作液[14]。加工过程中，砂嘴不断向加工区域喷入带有磨料的砂浆，同时金属丝的往复运动将砂浆带入切缝，硅棒做上下进给振动，依靠磨粒的摩擦作用对硅棒进行磨削式切割加工。

【参考文献】