金剛石飛切下加工參數(shù)對(duì)硅片微槽形狀精度影響規(guī)律研究

董延軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

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金剛石飛切下加工參數(shù)對(duì)硅片微槽形狀精度影響規(guī)律研究

董延軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

介紹了金剛石飛切微槽形狀精度理論分析及衡量方法，進(jìn)行了金剛石飛切單晶硅片的加工實(shí)驗(yàn)，并且利用VHX-2000超景深顯微鏡檢測(cè)了單晶硅微槽的形狀精度。并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度等主要加工參數(shù)對(duì)微槽加工的形狀精度的影響規(guī)律。

切削深度；進(jìn)給量；主軸轉(zhuǎn)速；形狀精度；影響規(guī)律

微結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量好壞是其加工效果的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)極大地影響工件的應(yīng)用性能。比如單晶硅常被用作紅外光學(xué)材料[1]，其微結(jié)構(gòu)的形面精度，直接影響到光的路線和反射、衍射率等指標(biāo)。故形狀誤差是衡量微槽結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量的主要指標(biāo)。本文對(duì)微結(jié)構(gòu)槽的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要從微槽橫截面的形狀精度進(jìn)行研究。

1　金剛石飛切微槽形狀精度理論分析及衡量方法

由于單晶硅具有比較高的硬度，所以刀具必須存在一定曲率的刀尖圓弧，來(lái)保證刀具的強(qiáng)度。在微切削下微槽的橫截面的理論形狀由刀具的刀尖圓弧切削刃決定的，所以對(duì)于本文研究的微槽橫截面都是圓弧形狀。刀具的實(shí)際刀尖圓弧如圖1所示。

經(jīng)過(guò)超景深顯微鏡的觀測(cè)，可知刀具的刀尖過(guò)渡弧線切削刃非常接近標(biāo)準(zhǔn)圓弧，在本文中被假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)圓弧進(jìn)行理論分析。

加工參數(shù)會(huì)影響微槽的形狀及質(zhì)量。比如當(dāng)切削深度不同時(shí)，微槽的深淺不一樣。但無(wú)論加工參數(shù)怎樣調(diào)節(jié)，只要在同一刀具的加工下，微槽橫截面的理論曲率半徑不變。所以微槽深度、寬度及曲率半徑是衡量微槽截面形狀精度的重要參數(shù)。而微槽的槽深ap、槽寬b與刀尖圓弧曲率半徑r的幾何關(guān)系如圖2所示。

(1)

式中：r為刀尖圓弧理論曲率半徑；ap為微槽深度；b為微槽寬度。

由公式(1)可知，微槽切削深度和寬度具有固定的理論非線性關(guān)系。由此可知，圓度誤差能作為衡量微槽形狀精度的一種方法。即對(duì)工件上每一條微槽取多個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)其深度和寬度值，并通過(guò)公式(1)計(jì)算理論曲率半徑值與實(shí)際測(cè)量曲率半徑的差值期望作為衡量微槽形狀精度的指標(biāo)值。圓度誤差法雖然與微槽實(shí)際輪廓和理論圓弧輪廓直接相比較還存在誤差，但優(yōu)點(diǎn)在于取值方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，并能較精確地對(duì)微槽的形狀誤差進(jìn)行表征。

2　金剛石飛切單晶硅片加工

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)為三因子五水平的正交實(shí)驗(yàn)如表1所示。加工得到被加工工件和其中一組表面陣列結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。

表1三因子五水平正交實(shí)驗(yàn)表

水平因子切深ap/μm進(jìn)給量f/(mm/min)主軸轉(zhuǎn)速n/(r/min)11140002225000333600044470005558000

3　單晶硅微槽形狀精度的檢測(cè)

本文利用型號(hào)為 VHX-2000 的超景深顯微鏡對(duì)單晶硅微槽形貌進(jìn)行檢測(cè)(如圖 5)。 VHX-2000 三維超景深顯微鏡具有超高速影像連接功能，形成三維圖并對(duì)微槽的幾何元素進(jìn)行測(cè)量[2](如圖6所示)。

由此可以得到微槽的實(shí)際切削深度、切削寬度以及半徑曲率。對(duì)每條槽取不同位置的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將其期望值作為該槽的橫截面實(shí)際幾何參數(shù)值。最后基于理論深度、寬度以及半徑曲率值求其圓度誤差。

4　各主要加工參數(shù)對(duì)微槽形狀精度的影響

分別在每一組實(shí)際切削深度和切削寬度下，根據(jù)刀具刀尖圓弧幾何形狀，即根據(jù)公式(1)求得該切削深度及微槽寬度下的理論微槽曲率半徑r。再與利用最小二乘法實(shí)測(cè)的實(shí)際曲率半徑r′做差，求得相應(yīng)的圓度誤差，作為微槽的形狀精度指標(biāo)。其公式為：

(2)

式中：ΔZ為圓度誤差；rmax為微槽實(shí)際輪廓的最小外接圓半徑；rmin為微槽實(shí)際輪廓的最大內(nèi)接圓半徑。

(1)主軸轉(zhuǎn)速n對(duì)微槽形狀精度的影響關(guān)系如圖7所示。形狀精度ΔZ隨主軸轉(zhuǎn)速n的增大而減小，而且變化比較明顯，而在 7 000～8 000 r/min 之間基本上沒(méi)有變化。

(2)進(jìn)給量f對(duì)微槽形狀精度的影響關(guān)系如圖8所示。形狀精度ΔZ隨進(jìn)給量f的減小而減小，誤差值的變化也比較明顯，而且其變化趨勢(shì)與進(jìn)給量f對(duì)表面粗糙度的變化趨勢(shì)相一致。這說(shuō)明減小進(jìn)給量f對(duì)單晶硅微槽陣列整體質(zhì)量的提高有顯著影響。

(3)切削深度ap對(duì)微槽形狀精度的影響關(guān)系如圖9所示。當(dāng)切削深度大于2 μm時(shí)，形狀精度ΔZ隨切削深度ap的減小而減小，誤差值的變化非常明顯；而當(dāng)切深小于2 μm時(shí)，形狀誤差值增大，但同時(shí)又稍小于3 μm對(duì)應(yīng)的形狀誤差值。這是由于金剛石飛切加工下，切削厚度是由零開(kāi)始增大到最大未變形切屑厚度，再變?yōu)榱?，所以不免出現(xiàn)一些耕犁效應(yīng)，而切深越小對(duì)此越敏感，并且形狀精度也會(huì)受加工中單晶硅造成的表面缺陷的影響越大。

5　結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了金剛石飛切單晶硅片的加工實(shí)驗(yàn)，并且利用VHX-2000超景深顯微鏡檢測(cè)了單晶硅微槽的形狀精度。并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了主要加工參數(shù)，即進(jìn)給量f、主軸轉(zhuǎn)速n、切削深度ap，對(duì)微槽加工的形狀精度的影響規(guī)律。

結(jié)果表明在金剛石飛切加工下，總體上單晶硅微槽結(jié)構(gòu)的的形狀精度，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加、進(jìn)給量與切削深度的減小而提高。

[1]李應(yīng)選．紅外光學(xué)元件的精密切削加工與鍍膜[J].光電子技術(shù)與信息，2001， 14(1)： 35—39.

[2] 程軍，鞏亞?wèn)|，武治政,等.硬脆材料微磨削表面形成機(jī)理試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(21)：190-198.

(編輯汪藝)

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Study on the influence of machining parameters on the shape precision of silicon chip micro groove in diamond cutting

DONG Yanjun

(Henan College of Industry & Information Technology, Jiaozuo 454000, CHN)

This paper introduces the diamond fly cutting micro groove shape accuracy theory analysis and measure method, diamond fly cutting of monocrystalline silicon wafer processing experiment, and use VHX-2000 super depth of field microscopy was used to detect the shape precision of single crystal silicon micro groove. And the experimental data were processed, and the influence of the main processing parameters such as feed rate, spindle speed and cutting depth on the shape accuracy of micro groove machining was obtained.

cutting depth; feed rate; spindle speed; shape accuracy; influence law

TH161

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.020

董延軍，男，1981年生，講師，主要從事機(jī)械加工教學(xué)及研究。

2016-01-26)

160636