單晶硅電火花銑削電極損耗研究

魯 清,劉志東,邱明波,田宗軍,黃因慧

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,江蘇南京 210016)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,像硅、鍺、碳化硅等脆硬性材料在現(xiàn)代高技術(shù)行業(yè)的諸多領(lǐng)域,特別是在航空航天、光學(xué)及電子領(lǐng)域中具有十分重要的作用[1-2]。但到目前為止,硬脆性半導(dǎo)體材料由于脆性高、斷裂韌性低,采用傳統(tǒng)加工方法仍十分困難。目前單晶硅銑削加工研究較少,華中科技大學(xué)運用激光掃描技術(shù)對單晶硅進(jìn)行銑削加工,通過選擇激光的輸入能量、激光束掃描速度和重復(fù)頻率來獲得最佳效果,但加工成本高,且表面質(zhì)量較差,表面粗糙度為Ra6～8μm[3]。

電火花加工是利用工件和工具電極之間的脈沖性火花放電,產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化或汽化,與材料的強度和硬度無關(guān)[4-7]。比利時魯汶大學(xué)、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)采用低速走絲電火花線切割加工技術(shù)(LSWEDM)進(jìn)行了硅片切割研究,試驗結(jié)果表明,電阻率在100Ω·cm以下的單、多晶硅片具有加工可行性[8-10]。臺灣研究人員通過增大進(jìn)電接觸面積以改善半導(dǎo)體晶體放電加工性能的方式,采用LSWEDM方法進(jìn)行了硅錠切割工藝的研究,切割效率達(dá)到了76 mm2/min[11]。但到目前為止,利用電火花加工技術(shù)對半導(dǎo)體進(jìn)行銑削加工研究較少。傳統(tǒng)金屬電火花銑削加工由于電極損耗較大且規(guī)律復(fù)雜,而電極的損耗又直接影響加工精度,使其在生產(chǎn)應(yīng)用中受到了很大的限制。半導(dǎo)體材料由于本身獨特的物理性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì),在進(jìn)行電火花銑削加工時會表現(xiàn)出一些與金屬不一樣的特性。為此,有必要對半導(dǎo)體材料電火花銑削加工的電極損耗和放電加工特性等問題進(jìn)行研究,進(jìn)一步拓展電火花加工技術(shù)在半導(dǎo)體加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文從半導(dǎo)體自身的特性出發(fā),對單晶硅電火花銑削加工特性進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上探索了單晶硅電火花銑削加工時電極相對損耗隨電參數(shù)的變化規(guī)律。為此,研制了電火花銑削加工機床,進(jìn)行了工藝試驗,并對試驗結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 試驗裝置及試驗條件

1.1 試驗裝置

試驗裝置原理圖和實際的加工裝置圖分別如圖1、圖2所示。銑削電極為直徑0.18mm的鉬絲;上下兩導(dǎo)向塊由有機玻璃制作而成,保證電極絲跟隨電機轉(zhuǎn)動時不發(fā)生偏移;電源選用220 V脈沖直流電源;工具電極進(jìn)給為伺服控制,使其獲得穩(wěn)定的進(jìn)給速度和加工放電間隙。

1.2 試驗條件及方法

試驗加工條件如表1所示。由于半導(dǎo)體的特殊電學(xué)性質(zhì),為了達(dá)到放電加工的目的,在電火花銑削單晶硅試驗中用銅片作為進(jìn)電片,采用改造的直流脈沖穩(wěn)壓電源。試驗前對單晶硅進(jìn)行了打磨處理,去除表面的鈍化層,以減小接觸電阻。

表1 電火花銑削加工條件

2 硅放電加工特性

2.1 電極體積相對損耗

電火花加工過程中極間能量的分配使放電兩極都受到放電能量的作用,從而帶來了工具電極的損耗。電極損耗大小通常用電極相對損耗比 θ來衡量,可定義為:

式中:Ve為電極損耗體積;Vw為工件蝕除體積。

在相同參數(shù)下分別進(jìn)行了單晶硅和45鋼的電火花銑削試驗,試驗參數(shù)如表2所示。試驗前分別用光學(xué)顯微鏡測量并計算電極絲和工件的體積,加工后再次測量和計算它們的體積,然后分別計算出加工前后它們的體積差值,用電極的體積差除以工件的體積差,即得到該材料下銑削加工的電極體積相對損耗,結(jié)果如表3所示。

表2 單晶硅與45鋼電極損耗試驗參數(shù)

表3 單晶硅與45鋼電極損耗試驗結(jié)果

從表3可看出,單晶硅電火花銑削加工時電極體積相對損耗比45鋼要小得多,其本質(zhì)源于單晶硅放電加工特性,可從單晶硅的蝕除機理、放電間隙、放電電流波形等方面進(jìn)行分析。

2.2 蝕除機理

對于金屬材料而言,放電加工是依靠高溫將其熔化和汽化,而單晶硅放電加工時,其蝕除是熱蝕除和熱應(yīng)力蝕除的綜合作用[12]。放電加工是一個不斷重復(fù)擊穿、放電、復(fù)原的過程,也就在工件材料上不斷進(jìn)行著加熱、冷卻、再加熱的熱循環(huán)過程。硅屬于脆性材料,隨著溫度的升高,材料的抗拉強度會明顯下降。如圖3所示,這種熱循環(huán)往往會在其內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,甚至于超過其抗拉強度而造成價鍵的斷裂,最終導(dǎo)致材料的熱剝離蝕除。

圖3 單晶硅熱應(yīng)力蝕除模型

圖4為單晶硅電火花加工后輪廓顯微照片。從圖4可看出,在加工區(qū)域附近有明顯的解理斷裂,可認(rèn)為是熱應(yīng)力作用而產(chǎn)生的。

圖4 單晶硅電火花加工輪廓顯微照片

熱應(yīng)力蝕除使單晶硅出現(xiàn)了部分整體剝落,再加上熔化、汽化的綜合作用,使單晶硅的蝕除比45鋼要多,從而使得電極的相對損耗降低。

另外,從蝕除機理的分析知道,金屬是靠高溫?zé)嵛g除,熔化的金屬會有部分重新凝固粘附在原基體上,造成實際工件的蝕除量比理論的要小,而單晶硅因熱應(yīng)力產(chǎn)生整體的剝落,相比而言熔化后重新凝固的部分少。

2.3 放電間隙

從前面的蝕除機理分析可知,單晶硅熱應(yīng)力蝕除會帶來硅的剝落,因此其放電間隙大小也必然存在差異。

圖5 電火花銑削加工切縫

圖5為在表2加工條件下單晶硅和45鋼電火花銑削加工切縫的微觀照片。測量圖5中銑削切縫的寬度,銑削單晶硅的縫寬達(dá)到0.24 mm左右,45鋼的切縫為0.21mm左右,而加工的電極絲直徑均為0.18mm,可計算出電火花銑削單晶硅放電間隙為0.03mm,45鋼放電間隙為0.015mm,加工單晶硅放電間隙比加工45鋼要大。這也符合硅產(chǎn)生整體剝落后,使切縫增大的原因解釋的。

放電間隙小,蝕除產(chǎn)物不易排出,放電通道來不及消電離,加工的穩(wěn)定性變差,使電極損耗變大;同時通道變窄,蝕除產(chǎn)物在爆炸與工作液作用下,對電極表面不斷撞擊,也會加速電極的損耗。因此,大的放電間隙便于蝕除產(chǎn)物的排出,改善放電通道狀況,降低電極損耗。

2.4 放電電流的波形

圖6為電火花銑削單晶硅和45鋼的放電電流波形圖。通過圖6可以看出,加工45鋼電流波形是矩形,放電間隙擊穿后放電電流即達(dá)到最大值,而單晶硅的放電電流不是突然躍升到峰值,而是經(jīng)過一段時間,才達(dá)到峰值。

產(chǎn)生單晶硅“爬坡”式放電電流波形的原因是單晶硅屬于半導(dǎo)體,本身具有一定的體電阻,當(dāng)放電通道形成后,放電點附近會積聚能量,熱作用半徑逐漸增大,在放電通道內(nèi)產(chǎn)生高溫及熱傳導(dǎo)的綜合影響下,其加工過程中體電阻會隨著本身單晶硅溫度的升高逐漸減小,在電壓不變的情況下,放電電流會逐漸增大,直到一個脈沖結(jié)束,電流變?yōu)榱?。而硅因為這種特性使脈沖電流的上升斜率大大降低,從放電加工機理而言,恰恰能大大減少電極的損耗[13]。

圖6 電火花銑削電流波形

3 硅電火花銑削電極損耗規(guī)律研究

單晶硅放電加工的特性,決定了進(jìn)行電火花銑削加工時電極損耗比一般金屬小很多,其本身也受加工參數(shù)的變化而有所不同。為此,研究了在不同加工參數(shù)下,單晶硅電火花銑削的電極相對損耗規(guī)律,試驗參數(shù)如表4所示。

表4 單晶硅電火花銑削試驗參數(shù)

3.1 電壓對電極相對損耗量的影響

試驗參數(shù)見表4第一組數(shù)據(jù),試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 電壓對電極損耗影響

電壓升高時,單個脈沖放電能量增加,在被加工材料蝕除量增大的同時,也導(dǎo)致了放電電流的增大,從而使電極材料的損耗加劇。因此,電極相對損耗隨著電壓的增加而增大。在電壓＜120 V時,放電電流小,加工速度低,加工不穩(wěn)定,此階段隨著電壓的增大,電極相對損耗會顯著增大;當(dāng)電壓達(dá)到120 V后,加工狀態(tài)穩(wěn)定,材料蝕除方式以熱應(yīng)力去除為主,出現(xiàn)單晶硅的整體移除,工件蝕除變快,所以此階段電極相對損耗上升緩慢;當(dāng)加工電壓達(dá)到130 V后,放電通道能量增大,此時高溫熔化和汽化蝕除增加,對電極影響加大,電極損耗變快,相對損耗顯著增大。

3.2 脈沖寬度對電極相對損耗量的影響

試驗參數(shù)見表4第二組數(shù)據(jù),試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 脈寬對電極損耗影響

隨著脈寬的增大,電極相對損耗減小。因為脈沖寬度增大,單位時間內(nèi)脈沖放電次數(shù)減少,使放電擊穿引起電極損耗影響減少。

3.3 占空比對電極相對損耗量的影響

試驗參數(shù)見表4第三組數(shù)據(jù),試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 占空比對電極損耗影響

占空比由1∶40變?yōu)?1∶10的過程中,電極相對損耗增大。因為占空比的改變不會影響單個脈沖能量的大小,但占空比對應(yīng)脈沖間隔,會改變放電頻率,影響消電離和排屑。隨著占空比減小,排屑性能變差,來不及消電離,加工的穩(wěn)定性變差,使電極相對損耗加大。

4 小結(jié)

(1)在本試驗條件下與金屬對比,單晶硅電火花銑削加工電極體積相對損耗為0.41%,而45鋼達(dá)到9.22%,其主要原因在于硅的放電加工特性。

(2)熱蝕除和熱應(yīng)力蝕除相結(jié)合的蝕除方式,大的放電間隙以及電流的爬坡特性,都會使其電極損耗比45鋼要低。

(3)對單晶硅電火花銑削電極相對損耗規(guī)律進(jìn)行了研究,小的加工電壓、大脈寬和大占空比可減少電極相對損耗。

[1] 蔣榮華,肖順珍.我國半導(dǎo)體硅材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體情報,2001(6):31-35.

[2] Grigoras K,Krotkus A,Pacebutas V.Poroussilicon application in solar cell technology[J].SPIE,1998,3580:158-167.

[3] 袁根福,曾曉雁.單晶硅的激光銑削試驗研究[J].激光技術(shù),2003,27(5):163-165.

[4] 李明輝.電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989.

[5] Ho K H,Newman S T,Rahim ifard S,et al.State of the art in wire electrical dischargemachining[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2004,44:1247-1259.

[6] Reynaerts D,Heeren PH,BrusselsH V.Microstructuring of silicon by electro-dischargemachining(EDM)part I:theory[J].Sensors and Actuators,1997,60:212-218.

[7] Heeren PH,ReynaertsD,BrusselsHV.Microstructuring of silicon by electro-dischargemachining(EDM)part II:applications[J].Sensors and Actuators,1997,61:379-386.

[8] Kozak J,Rajurkar K P,Chandarana N.Machining of low electrical conductivematerials by wire electrical discharge maching(WEDM)[J].Journal of Materials Processing Tech.,2004,149(1-3):266-271.

[9] Miller S F,Kao CC,Shih A J,et al.Investigation of wire electrical dischargemachining of thin cross-sectionsand compliantmechanisms[J].International Journal ofMachine ToolsandManufacture,2005,45(15):1717-1725.

[10] Luis C J,Puertas I,V illaG.Material removal rateand electrodewear study on theEDMofsilicon carbide[J].JournalofMaterials Processing Tech.,2005,164:889-896.

[11] PengW Y,Liao Y S.Study of electricaldischargemachining technology for slicing silicon ingots[J].JournalofMaterialsProcessing Technology,2003,140(1-3):274-279.

[12] 李健,劉志東,邱明波.單晶硅放電蝕除機理研究及有限元分析[J].中國機械工程,2010(4):847-851.

[13] 余承業(yè).特種加工新技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.