往复式金刚石线锯纵向运动特性及影响分析与试验研究
发布时间：2020-12-04 16:42
硬脆性材料如单晶硅、光学玻璃、蓝宝石等因具有高硬度,高耐磨,耐腐蚀、抗氧化、高电阻率等良好的物理化学性能,而广泛运用于军用和民用行业。因材料的硬脆特性,使得加工过程困难。目前往复式金刚石线锯切割因为具有高效率、窄切缝等诸多优点,已经成为硅片切割领域很有发展前景的切割技术。但切割过程中的线锯运动特性对工件表面质量影响大,因此为了获得更好的工件表面质量,迫切需要对切割力和工件表面的形成原因进行研究。在往复式金刚石线锯切割过程中,线锯纵向位移运动使得线锯在切割工件表面的误差敏感方向上出现切割痕迹。因此,从往复式金刚石线锯切割系统的运动特性出发对切割工件表面质量和切割力的影响进行研究。本文论述了往复式金刚石线锯切割系统线锯纵向运动分析、线锯纵向位移与线锯速度同步测量系统实施、线锯切割工件的纵向切割力分析建模和线锯切割工件的表面形貌分析。从分析往复式金刚石线锯切割系统的结构特性出发,分析线锯纵向运动的产生,分别对线锯空载与切割工件时线锯纵向位移进行建模与实验。为了提高实验中测量数据的对应性,搭建纵向位移和线锯速度同步测量系统,将激光位移传感器采集的线锯纵向位移数据以电压信号的方式接入到数据采集系...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光伏产业中的单晶Si应用
得困难。目前，以IC产业为代表的电子信息产业，是占领未来5G时代技术高地的关键。作为其基础原材料，以单晶Si为代表的半导体材料不断发展，出现了多次更新迭代。分别是第一代单晶或多晶硅，第二代的砷化镓、砷化铝，目前已经发展到第三代氮化镓、碳化硅。其中，第一代材料典型代表单晶Si，具有宽带隙、高速率漂移、高热导率等优点，因此被做成大功率器件，广泛应用于光伏发电、微电子等领域，帮助减轻化石燃料引起的能源和环境问题[3]。图1-1光伏产业中的单晶Si应用Fig.1-1SingleCrystalSiinPhotovoltaicIndustry图1-2IC产业中单晶Si制成的晶圆Fig.1-2WafersMadebySingleCrystalSiintheICIndustry由于大尺寸单晶Si的超精密加工的不断发展，对单晶Si的切割质量要求越来越高[4]。单晶硅棒需经过切片、研磨、抛光、激光刻蚀才能成为晶圆[5]。硅片的切割作为第一道工序，其切割质量将会直接影响后续工序。如果切割后的硅片表面过于粗糙，在后续工序中，加工余量更小，无法消除因切割而造成的表面误差。如果切割后的硅片产生的损伤层太深，在后续研磨等工序中，硅片内部会应力不均而产生碎片，造成很大的废品率。因此，第一道工序——硅片的切割会深度影响后续工序，其成本在整个硅片加工制造总成本中占一半以上[6,7]。所以，在满足切割条件和加工余量的前提下，进行低损伤、高效、高质量加工，并能减少后续工序加工量是现阶段值得研究的问题[8]。
1绪论3图1-3硬脆材料加工方法Fig1-3HardandBrittleMaterialProcessingMethodClassification1.2.1金刚石圆片锯切割技术金刚石圆片锯主要是由附着金刚石和中心钢芯两部分构成。附着金刚石是粒径在150到1000μm的金刚石微小颗粒粘合在粘合剂中，以电镀形式附在基体的外边缘。因为基体外边缘的位置不同，圆片锯切割可分为内圆锯切割和外圆锯切割[9,10]。图1-4和图1-5分别示意了金刚石内圆锯和金刚石外圆锯切割设备，该切割技术主要用于石材切割。金刚石外圆锯切割是将微小金刚石以电镀的形式附在锯片的外圆周上，通过高硬度的金刚石作为磨粒以磨削的形式去除材料。济钢时外圆片锯切割设备主要分立式机床和卧式机床，由五部分构成：主轴旋转切割系统、机床控制系统、上位机软件系统和冷却系统。外圆片锯具有高效率、易操作等优点，但在切割时，锯片容易发生偏移，刚性不好。外圆锯的切割速度可以很高，可以以30m/s的速度切割石材。由于外圆锯的高速切割，锯片会产生较大的离心力，对外圆片锯自身的锯切力产生较大影响[10,11]。外圆片锯的锯切深度不可超过锯片的1/3，因此其加工范围是有限制的，并且随着锯片直径的增加，锯片刚度降低，振动加剧，锯切质量降低。内圆锯切割不同于外圆锯切割的地方是其金刚石颗粒附在内圆的边缘，并且框紧锯片外部，保证锯片有一定的的刚性。最薄的内圆锯片只有0.1mm。在进行内圆片锯切割过程中，内边缘附着的金刚石颗粒好比是切削刃。切割大尺寸工件时，有较大耗材，并且有较深的切痕(20-30μm)，甚至出现翘曲。这使得其应用具有局限性[12]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]FAW加工过程线锯振动建模与实验验证[J]. 汤奥斐,李淑娟,李伦,李言,纪磊磊. 应用力学学报. 2018(04)
[2]硅晶圆分层划片工艺试验研究[J]. 尹韶辉,杨宏亮,陈逢军,耿军晓,张俊杰. 表面技术. 2018(07)
[3]单晶Si电火花线切割工艺的多目标优化研究[J]. 路雄,李淑娟,辛彬,李志鹏. 机械科学与技术. 2018(08)
[4]基于ANSYS Workbench金刚石圆锯片的力学分析[J]. 李阳,王砚军,秦可. 金刚石与磨料磨具工程. 2017(02)
[5]SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度的有限元分析[J]. 高玉飞,陈阳,葛培琪. 西安交通大学学报. 2016(12)
[6]SiC单晶切割过程中接触弧长建模与实验[J]. 王嘉宾,李淑娟,梁列,汤奥斐,麻磊. 兵工学报. 2016(05)
[7]横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 机械工程学报. 2016(03)
[8]SiC单晶片加工过程中切割力的分析与建模[J]. 李淑娟,刘永,侯晓莉,高新勤. 机械工程学报. 2015(23)
[9]圆锯片–花岗石切割系统仿真研究[J]. 叶鲁浩,张进生,王志,黄波,鞠军伟,葛健煜,高丽君. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(03)
[10]超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 兵工学报. 2014(10)
博士论文
[1]横向超声激励下的金刚石线锯切割SiC单晶机理与实验研究[D]. 李伦.西安理工大学 2016
[2]金刚石线锯切割半导体陶瓷的机理与工艺研究[D]. 赵礼刚.南京航空航天大学 2010
[3]电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机理研究[D]. 高玉飞.山东大学 2009
[4]环形金刚石线锯丝制造技术及锯切实验研究[D]. 侯志坚.山东大学 2008
硕士论文
[1]双绞合树脂结合剂金刚石线锯丝研制[D]. 田海丹.山东大学 2019
[2]超声激励线锯切割SiC单晶机理与工艺研究[D]. 杨少东.河南科技大学 2019
[3]三丝绞合电镀金刚石线锯切割晶体硅的性能研究[D]. 李海强.河北工程大学 2014
[4]金属切削带锯床数控锯切系统研究[D]. 陈海烽.浙江工业大学 2014
[5]金刚石线锯切割SiC的加工质量研究[D]. 贺东溥.山东大学 2010
[6]电镀金刚石线锯快速制造工艺及设备的研究[D]. 窦百香.青岛科技大学 2009
[7]基于超声振动—电镀金刚石线锯切割硬脆材料技术及机理研究[D]. 张莹.沈阳理工大学 2008
本文编号：2897921
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光伏产业中的单晶Si应用
得困难。目前，以IC产业为代表的电子信息产业，是占领未来5G时代技术高地的关键。作为其基础原材料，以单晶Si为代表的半导体材料不断发展，出现了多次更新迭代。分别是第一代单晶或多晶硅，第二代的砷化镓、砷化铝，目前已经发展到第三代氮化镓、碳化硅。其中，第一代材料典型代表单晶Si，具有宽带隙、高速率漂移、高热导率等优点，因此被做成大功率器件，广泛应用于光伏发电、微电子等领域，帮助减轻化石燃料引起的能源和环境问题[3]。图1-1光伏产业中的单晶Si应用Fig.1-1SingleCrystalSiinPhotovoltaicIndustry图1-2IC产业中单晶Si制成的晶圆Fig.1-2WafersMadebySingleCrystalSiintheICIndustry由于大尺寸单晶Si的超精密加工的不断发展，对单晶Si的切割质量要求越来越高[4]。单晶硅棒需经过切片、研磨、抛光、激光刻蚀才能成为晶圆[5]。硅片的切割作为第一道工序，其切割质量将会直接影响后续工序。如果切割后的硅片表面过于粗糙，在后续工序中，加工余量更小，无法消除因切割而造成的表面误差。如果切割后的硅片产生的损伤层太深，在后续研磨等工序中，硅片内部会应力不均而产生碎片，造成很大的废品率。因此，第一道工序——硅片的切割会深度影响后续工序，其成本在整个硅片加工制造总成本中占一半以上[6,7]。所以，在满足切割条件和加工余量的前提下，进行低损伤、高效、高质量加工，并能减少后续工序加工量是现阶段值得研究的问题[8]。
1绪论3图1-3硬脆材料加工方法Fig1-3HardandBrittleMaterialProcessingMethodClassification1.2.1金刚石圆片锯切割技术金刚石圆片锯主要是由附着金刚石和中心钢芯两部分构成。附着金刚石是粒径在150到1000μm的金刚石微小颗粒粘合在粘合剂中，以电镀形式附在基体的外边缘。因为基体外边缘的位置不同，圆片锯切割可分为内圆锯切割和外圆锯切割[9,10]。图1-4和图1-5分别示意了金刚石内圆锯和金刚石外圆锯切割设备，该切割技术主要用于石材切割。金刚石外圆锯切割是将微小金刚石以电镀的形式附在锯片的外圆周上，通过高硬度的金刚石作为磨粒以磨削的形式去除材料。济钢时外圆片锯切割设备主要分立式机床和卧式机床，由五部分构成：主轴旋转切割系统、机床控制系统、上位机软件系统和冷却系统。外圆片锯具有高效率、易操作等优点，但在切割时，锯片容易发生偏移，刚性不好。外圆锯的切割速度可以很高，可以以30m/s的速度切割石材。由于外圆锯的高速切割，锯片会产生较大的离心力，对外圆片锯自身的锯切力产生较大影响[10,11]。外圆片锯的锯切深度不可超过锯片的1/3，因此其加工范围是有限制的，并且随着锯片直径的增加，锯片刚度降低，振动加剧，锯切质量降低。内圆锯切割不同于外圆锯切割的地方是其金刚石颗粒附在内圆的边缘，并且框紧锯片外部，保证锯片有一定的的刚性。最薄的内圆锯片只有0.1mm。在进行内圆片锯切割过程中，内边缘附着的金刚石颗粒好比是切削刃。切割大尺寸工件时，有较大耗材，并且有较深的切痕(20-30μm)，甚至出现翘曲。这使得其应用具有局限性[12]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]FAW加工过程线锯振动建模与实验验证[J]. 汤奥斐,李淑娟,李伦,李言,纪磊磊. 应用力学学报. 2018(04)
[2]硅晶圆分层划片工艺试验研究[J]. 尹韶辉,杨宏亮,陈逢军,耿军晓,张俊杰. 表面技术. 2018(07)
[3]单晶Si电火花线切割工艺的多目标优化研究[J]. 路雄,李淑娟,辛彬,李志鹏. 机械科学与技术. 2018(08)
[4]基于ANSYS Workbench金刚石圆锯片的力学分析[J]. 李阳,王砚军,秦可. 金刚石与磨料磨具工程. 2017(02)
[5]SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度的有限元分析[J]. 高玉飞,陈阳,葛培琪. 西安交通大学学报. 2016(12)
[6]SiC单晶切割过程中接触弧长建模与实验[J]. 王嘉宾,李淑娟,梁列,汤奥斐,麻磊. 兵工学报. 2016(05)
[7]横向超声振动对金刚石线锯切割硬脆材料锯切力及临界切削深度的影响[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 机械工程学报. 2016(03)
[8]SiC单晶片加工过程中切割力的分析与建模[J]. 李淑娟,刘永,侯晓莉,高新勤. 机械工程学报. 2015(23)
[9]圆锯片–花岗石切割系统仿真研究[J]. 叶鲁浩,张进生,王志,黄波,鞠军伟,葛健煜,高丽君. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(03)
[10]超声横向激励下轴向运动金刚石线锯振动切割分析[J]. 李伦,李淑娟,汤奥斐,李言. 兵工学报. 2014(10)
博士论文
[1]横向超声激励下的金刚石线锯切割SiC单晶机理与实验研究[D]. 李伦.西安理工大学 2016
[2]金刚石线锯切割半导体陶瓷的机理与工艺研究[D]. 赵礼刚.南京航空航天大学 2010
[3]电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机理研究[D]. 高玉飞.山东大学 2009
[4]环形金刚石线锯丝制造技术及锯切实验研究[D]. 侯志坚.山东大学 2008
硕士论文
[1]双绞合树脂结合剂金刚石线锯丝研制[D]. 田海丹.山东大学 2019
[2]超声激励线锯切割SiC单晶机理与工艺研究[D]. 杨少东.河南科技大学 2019
[3]三丝绞合电镀金刚石线锯切割晶体硅的性能研究[D]. 李海强.河北工程大学 2014
[4]金属切削带锯床数控锯切系统研究[D]. 陈海烽.浙江工业大学 2014
[5]金刚石线锯切割SiC的加工质量研究[D]. 贺东溥.山东大学 2010
[6]电镀金刚石线锯快速制造工艺及设备的研究[D]. 窦百香.青岛科技大学 2009
[7]基于超声振动—电镀金刚石线锯切割硬脆材料技术及机理研究[D]. 张莹.沈阳理工大学 2008
本文编号：2897921
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