单晶硅微弧等离子切割过程建模与控制
发布时间：2021-11-26 06:27
在对单晶硅等半导体材料进行切割时,传统的线锯切割工艺因其接触式加工,经常导致加工表面质量差,硅片断裂、崩碎等问题。因此,考虑非接触式放电加工。但由于半导体材料体电阻、导体与半导体接触势垒的影响,单晶硅材料的常规电火花加工放电间隙不易击穿。因此研究人员通过调整放电间隙,可使放电状态保持火花放电,避免电弧放电,从而形成微弧等离子切割。本文综合分析微弧等离子切割加工放电间隙状态检测及其放电间隙控制问题。对单晶硅材料微弧等离子切割放电间隙阻抗特性进行研究,通过系统辨识与自适应控制理论,设计基于LabVIEW的单晶硅微弧等离子切割放电间隙广义预测控制系统。并进行了工艺参数实验研究,结果表明所研究的理论模型可应用于单晶硅的微弧等离子切割间隙放电状态的过程控制。具体工作如下:（1）根据气体击穿过程的伏安特性与放电形式,确定基于单晶硅的微弧等离子切割的放电应保持在缺陷辉光放电与电弧放电之间。通过研究单晶硅等半导体材料微弧等离子切割放电间隙的阻抗特性,并进行相关数值分析,提出基于放电间隙的微弧等离子体动态电阻模型。同时建立该等离子动态模型与放电间隙之间的函数拟合关系,便于后续对极间放电间隙的预估。（2）...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单脉冲放电各个阶段示意图
在电场作用的情况下，正负两极间的电介质发生电解，生成氧等离子，工件产生热的积累。当积累到一定程度时，便发生了热电子发射，使单晶硅表面处于高活态，同时与氧等离子发生化学反应，生成氧化硅，氧化硅沉积在单晶硅的表层，被电中的空泡射流冲走，重复进行，从而实现微弧放电切割。图 1-2 所示为扫描电镜放大时相同扫描范围内不同切割电参数的单晶硅微观形貌图。图 1-2（c）图 1-2（a）和d）是单晶硅切片表面能谱分析图，由能谱分析可看到电火花加工表面主要元素是硅，主要物质是硅和氧化硅，这就证明了微弧等离子切割过程中，不仅仅有硅材料的熔汽化，物质熔化与汽化同时也会发生电化学反应产生氧化硅。（a）表面粗糙度 Ra=3.1026μm （b）表面粗糙度 Ra=4.1967μm
Wong等【22】也通过放电加工间隙电压阈值来辨别放电状态进行了相关研究。Yan 等【23】提出如图1-4 所示的基于间隙电压波形特征，根据不同的电压值及其持续时间来识别电火花加工中的脉冲放电状态的方法。图 1-4 脉冲识别信号的时序图【23】Fig.1-4 Timing charts of the pulse discriminating signals【23】Liao 等【24】提出一种基于放电间隙电压波形的微电火花加工放电脉冲类型鉴别系统。Kao 等【25】对在微型孔电火花加工中，利用采样周期为 0.5 纳秒的高速数据采集装置来监测间隙电压并进行了研究。Kwon 等【26】在对电火花线切割过程中，也利用间隙电压检测对间隙放电状态进行了识别与分类。Han 等【27】提出一种在基于晶体管恒定脉冲发生器的微电火花加工中，利用平均击穿延迟时间来监测间隙距离并进行伺服进给控制的方法。此外，Liao 等【28-30】利用击穿延迟时间作为采样数据对电火花线切割脉冲放电状态进行检测并进行相关分析研究。Yan 等【31】也在研究电火花线切割过程中的断丝控制时用到了击穿延迟时间进行状态检测。近年来，小波变换也应用到电火花加工放电状态的检测技术中，Yu 等【32】提出一种基于小波变换来辨别电火花加工脉冲放电状态的方法，他们的研究表明将采集的间隙电压和电流信号波形通过小波变换处理后所得的输出结果能够很容易的分辨出不同的脉冲放电状态。Jiang 等【33】通过小波变换的方法处理相应的放电波形来检测电火花加工的放电状态。在智能检测方法上，Tarng 等【34】设计了一种运用模糊集合理论的电火花脉冲识别器
【参考文献】：
期刊论文
[1]溶液中微弧等离子体在材料表面处理的研究进展[J]. 蒋永锋,包晔峰,陈秉岩. 高压电器. 2017(04)
[2]电火花加工在模具制造中的应用[J]. 王颖,原红玲. 价值工程. 2014(20)
[3]单晶硅电火花线切割表面损伤层形成机理[J]. 刘志东,高连,邱明波,田宗军,汪炜. 航空学报. 2012(01)
[4]太阳能硅片制造方法研究现状[J]. 邱明波,黄因慧,刘志东,田宗军,汪炜. 机械科学与技术. 2008(08)
[5]两相混合式步进电机恒转矩细分驱动技术研究[J]. 李玲娟,刘景林,王灿. 微电机. 2007(03)
[6]基于MATLAB的最小二乘法参数辨识与仿真[J]. 石贤良,吴成富. 微处理机. 2005(06)
[7]世界半导体硅材料发展现状[J]. 马春. 上海有色金属. 2005(03)
[8]单晶硅片的制造技术[J]. 吴明明,周兆忠,巫少龙. 制造技术与机床. 2005(03)
[9]电热毛细管材料消融中蒸气罩的研究[J]. 成剑,栗保明. 南京理工大学学报(自然科学版). 2003(03)
[10]半导体材料的发展现状[J]. 凌玲. 新材料产业. 2003(06)
博士论文
[1]半导体晶体材料放电加工技术研究[D]. 邱明波.南京航空航天大学 2010
本文编号：3519583
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单脉冲放电各个阶段示意图
在电场作用的情况下，正负两极间的电介质发生电解，生成氧等离子，工件产生热的积累。当积累到一定程度时，便发生了热电子发射，使单晶硅表面处于高活态，同时与氧等离子发生化学反应，生成氧化硅，氧化硅沉积在单晶硅的表层，被电中的空泡射流冲走，重复进行，从而实现微弧放电切割。图 1-2 所示为扫描电镜放大时相同扫描范围内不同切割电参数的单晶硅微观形貌图。图 1-2（c）图 1-2（a）和d）是单晶硅切片表面能谱分析图，由能谱分析可看到电火花加工表面主要元素是硅，主要物质是硅和氧化硅，这就证明了微弧等离子切割过程中，不仅仅有硅材料的熔汽化，物质熔化与汽化同时也会发生电化学反应产生氧化硅。（a）表面粗糙度 Ra=3.1026μm （b）表面粗糙度 Ra=4.1967μm
Wong等【22】也通过放电加工间隙电压阈值来辨别放电状态进行了相关研究。Yan 等【23】提出如图1-4 所示的基于间隙电压波形特征，根据不同的电压值及其持续时间来识别电火花加工中的脉冲放电状态的方法。图 1-4 脉冲识别信号的时序图【23】Fig.1-4 Timing charts of the pulse discriminating signals【23】Liao 等【24】提出一种基于放电间隙电压波形的微电火花加工放电脉冲类型鉴别系统。Kao 等【25】对在微型孔电火花加工中，利用采样周期为 0.5 纳秒的高速数据采集装置来监测间隙电压并进行了研究。Kwon 等【26】在对电火花线切割过程中，也利用间隙电压检测对间隙放电状态进行了识别与分类。Han 等【27】提出一种在基于晶体管恒定脉冲发生器的微电火花加工中，利用平均击穿延迟时间来监测间隙距离并进行伺服进给控制的方法。此外，Liao 等【28-30】利用击穿延迟时间作为采样数据对电火花线切割脉冲放电状态进行检测并进行相关分析研究。Yan 等【31】也在研究电火花线切割过程中的断丝控制时用到了击穿延迟时间进行状态检测。近年来，小波变换也应用到电火花加工放电状态的检测技术中，Yu 等【32】提出一种基于小波变换来辨别电火花加工脉冲放电状态的方法，他们的研究表明将采集的间隙电压和电流信号波形通过小波变换处理后所得的输出结果能够很容易的分辨出不同的脉冲放电状态。Jiang 等【33】通过小波变换的方法处理相应的放电波形来检测电火花加工的放电状态。在智能检测方法上，Tarng 等【34】设计了一种运用模糊集合理论的电火花脉冲识别器
【参考文献】：
期刊论文
[1]溶液中微弧等离子体在材料表面处理的研究进展[J]. 蒋永锋,包晔峰,陈秉岩. 高压电器. 2017(04)
[2]电火花加工在模具制造中的应用[J]. 王颖,原红玲. 价值工程. 2014(20)
[3]单晶硅电火花线切割表面损伤层形成机理[J]. 刘志东,高连,邱明波,田宗军,汪炜. 航空学报. 2012(01)
[4]太阳能硅片制造方法研究现状[J]. 邱明波,黄因慧,刘志东,田宗军,汪炜. 机械科学与技术. 2008(08)
[5]两相混合式步进电机恒转矩细分驱动技术研究[J]. 李玲娟,刘景林,王灿. 微电机. 2007(03)
[6]基于MATLAB的最小二乘法参数辨识与仿真[J]. 石贤良,吴成富. 微处理机. 2005(06)
[7]世界半导体硅材料发展现状[J]. 马春. 上海有色金属. 2005(03)
[8]单晶硅片的制造技术[J]. 吴明明,周兆忠,巫少龙. 制造技术与机床. 2005(03)
[9]电热毛细管材料消融中蒸气罩的研究[J]. 成剑,栗保明. 南京理工大学学报(自然科学版). 2003(03)
[10]半导体材料的发展现状[J]. 凌玲. 新材料产业. 2003(06)
博士论文
[1]半导体晶体材料放电加工技术研究[D]. 邱明波.南京航空航天大学 2010
本文编号：3519583
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