單晶硅的電解電火花銑削加工工藝研究

呂傳偉，谷 安，李明義，吳俊杰

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

近年來，硅、鍺等半導體材料被廣泛用于航空航天、國防和電子等領域。在半導體材料中，硅材料的應用最為廣泛，可用于制作各種大功率晶體管、整流器、集成電路和太陽能電池等，廣泛用于計算機、微波通信、光纖通信、太陽能發(fā)電等方面[1]。由于硅的廣泛應用及其加工形狀的日趨復雜，對其加工方法的研究具有非常重要的意義。

硅晶體硬而脆，是一種無延展性的半導體材料。由于硅的硬脆特性，機械加工方法極易產生崩碎、微裂紋等，因此很難保證精度與加工質量。硅具有一定的導電性，許多學者對電火花加工硅材料進行了研究，但是硅的電阻率較高，對電火花加工來說很不適宜[2]。電解電火花加工方法不受材料高電阻的限制，能實現(xiàn)對硬脆高電阻材料進行加工，因此使用電解電火花加工硅材料是可行的。

電解電火花加工最初是由日本學者提出的，它在加工非導電的硬脆材料上表現(xiàn)出了良好的性能。近年來，很多學者對電解電火花加工進行了研究。Zheng 等[3]研究了玻璃材料的電解電火花銑削加工，在玻璃材料上銑削出了一些三維結構。鹿昌劍[4]對玻璃進行了長深窄縫、微流道等電解電火花銑削加工實驗。

電解電火花銑削能加工出復雜的二維結構，利用分層制造原理[5]還可加工出復雜的三維形狀。為滿足硅材料應用中的復雜形狀要求，本文提出一種電解電火花銑削硅材料的方法，并對其加工工藝進行研究。

1 加工原理

電解電火花加工是利用電解液中的火花放電作用對工件進行蝕除加工，其加工原理見圖1。加工過程大致可分為4 個步驟：電解析出氫氣泡；電極與電解液之間產生高的電位梯度；氣泡膜被擊穿，產生火花放電并蝕除材料；消電離并形成新的氣泡膜，準備下次放電。

圖1 電解電火花加工原理示意圖

電解電火花銑削加工是利用簡單的工具電極，在控制系統(tǒng)的控制下，按照一定軌跡進行加工，電極在工件上做類似銑削的移動，通過在不同位置的放電，逐層蝕除材料，從而在工件上加工出所需形狀。例如：按圖2 所示的電極運動軌跡進行銑削加工，就能加工出一個長方形的槽。圖中，D 為電極直徑；δ 為電極運動軌跡重合量；電極運動軌跡重合量與電極直徑的比值稱為電極運動軌跡重合率，即σ=δ/D。

圖2 電極運動軌跡圖

在傳統(tǒng)電火花銑削中，放電現(xiàn)象總是發(fā)生在極間最小處，通過電極運動軌跡重疊，可在一定程度上消除加工痕跡[6]。在加工過程中，由于尖端放電效應，電極底端直徑會有所減少，從而影響銑削質量，采用一定的軌跡重疊率能消除這種影響。

2 實驗設計

實驗平臺見圖3，主要由脈沖電源、進給裝置、電解槽、電極和工件夾具等組成。加工采用脈沖電源供電，工具電極接電源負極，輔助電極接電源正極。脈沖電源峰值電壓為180 V，脈沖能量大小可調，實驗以平均電壓來衡量脈沖能量大小。電解液為10 %的NaCl 溶液，工具電極為直徑1 mm 的棒狀電極，輔助電極為鐵塊，加工對象為2 mm 厚的硅片。銑削加工軌跡通過工作臺的運動實現(xiàn)，工具電極靜止不動，從而使工件和工具產生相對運動。

圖3 電解電火花銑削加工實驗平臺

實驗主要研究脈沖能量和電極運動軌跡重疊率對電火花銑削硅材料表面質量的影響。具體方案如下：

（1）把電極運動軌跡重疊率分為3 個水平：0.1、0.3、0.5，使用相同的脈沖能量（即相同平均電壓）和進給量，分別在3 個重疊率水平下對硅片進行電解電火花銑削加工，研究不同電極軌跡重疊率對加工表面質量的影響。

（2）把平均電壓分為4 個水平：13、17、21、25 V，使用相同的電極運動軌跡重疊率和進給量，分別在4 個平均電壓水平下對硅片進行電解電火花銑削加工，研究脈沖能量對加工表面質量的影響。

3 實驗結果與分析

根據實驗設計方案，對單晶硅片進行了電解電火花銑削加工，對加工表面拍攝了表面形貌圖，并測量了表面粗糙度，結果見圖4。電極運動軌跡重疊率和平均電壓對表面粗糙度的影響曲線見圖5和圖6。

圖4 銑削加工表面形貌圖

圖5 電極運動軌跡重疊率對表面粗糙度的影響

圖6 平均電壓對表面粗糙度的影響

由圖5 可看出，電極運動軌跡重疊率越高，表面粗糙度值越小，加工的表面質量越好，表面凹坑越均勻，電極運動痕跡越不明顯。其中，重疊率從0.1～0.3 范圍內的表面質量提高最明顯。

由圖6 可看出，脈沖能量越低，表面粗糙度值越小，表面凹坑越小，表面越平整，表面質量越好。這是由于加工能量越高，蝕除的材料越多，工件表面會產生較大的凹坑，表面質量也就越粗糙。

4 結束語

本文對電解電火花銑削加工單晶硅材料進行了研究，分析了脈沖能量大小和電極運動軌跡重疊率對硅片銑削加工質量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：電極軌跡重合率越高，脈沖能量越小，硅片的銑削加工質量越好。在實際加工過程中，使用低的脈沖能量或高的電極運動軌跡重疊率，雖然能獲得較好的加工質量，但加工效率會降低，所以應選擇合適的脈沖能量和電極運動軌跡重疊率，以同時保證加工效率與質量。

[1]康自衛(wèi)，王麗.硅片加工技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2]王振龍，夏良俊，趙萬生.半導體材料的電火花加工技術研究[J].電加工與模具，2004（1）：13-15.

[3]Zheng Z P，Cheng W H，Huang F Y，et al.3D microstructuring of pyrex glass using the electrochemical discharge machining process[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2007，17（5）：960-966.

[4]鹿昌劍.電解電火花復合加工在微細加工中的應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[5]王振龍，趙萬生，劉光壯.基于分層制造原理的微細電火花加工技術研究[J].機械工程學報，2002，38（2）：22-26.

[6]趙萬生.先進電火花加工技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.