超聲振動對單晶硅鋸切比能的影響

陳劍彬，沈劍云，王江全，徐西鵬

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

超聲振動對單晶硅鋸切比能的影響

陳劍彬，沈劍云，王江全，徐西鵬

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

超聲振動能很好地改善硬脆性材料的加工性能，為了探索超聲振動鋸切比能對單晶硅的影響，本文采用薄金剛石鋸片，在有無超聲振動的條件下對單晶硅進(jìn)行鋸切實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲振動使鋸切材料過程中的比能大幅度降低；2種鋸切方式下鋸切比能都隨著單顆磨粒最大鋸切厚度的增大而降低，但普通鋸切方式下鋸切比能呈冪指數(shù)遞減趨勢，而在超聲振動的作用下比能變化趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫木€性遞減；并且單晶硅材料的去除方式由普通鋸切中塑性去除為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔讶コ?，其破碎方式屬于微破碎，趨于粉末狀破碎，由此在不會對工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷的同時使材料去除所消耗的能量得到了有效降低.同時，超聲振動使得鋸片上的磨粒對單晶硅表面的高速沖擊作用，使單晶硅產(chǎn)生大量微裂紋，對單晶硅的微小剝離起到很大作用.因此，超聲振動在單晶硅材料的加工中有著很大的發(fā)展前景.

超聲振動；硬脆材料；金剛石薄鋸片；單晶硅；鋸切比能

單晶硅作為一種重要的新型半導(dǎo)體材料，在各個領(lǐng)域尤其是光伏發(fā)電與電子信息領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，在太陽能發(fā)電和集成電路中起到舉足輕重的作用［1－2］.單晶硅是一種硬脆材料，具有硬度高、脆性大等特點(diǎn)，材料切削加工性能差，零件加工要求高，因此在加工過程中受到了一定的限制，難以用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法和加工工具對單晶硅進(jìn)行加工［3－4］.已有研究表明：軸向超聲振動磨削能夠提高加工效率并改善加工表面質(zhì)量；徑向超聲振動磨削則能顯著降低磨削力以及提高材料去除率.高速精密鋸切作為一種加工硬脆材料的加工方式也被用于鋸切單晶硅，以獲得好的表面質(zhì)量，對于單晶硅精密鋸切過程中金剛石工具的磨損研究也已展開［5－7］.

超聲振動輔助鋸切加工是一種將傳統(tǒng)的超聲加工和機(jī)械加工結(jié)合起來的加工技術(shù)，由于超聲振動的引入，使得加工過程中工具對工件產(chǎn)生高頻沖擊，從而使工件產(chǎn)生微裂紋，有利于對材料的去除，因此超聲振動輔助鋸切對于硬脆性材料的加工十分適合，不僅可以提高材料的加工效率，而且其加工表面質(zhì)量也得到保障，表面損傷和殘余應(yīng)力都得到減?。?－10］.

本文在單晶硅工件上加載超聲振動，利用金剛石薄鋸片對單晶硅進(jìn)行切割，并改變鋸切參數(shù)，通過對比有無超聲振動鋸切所得到的鋸切比能并加以分析，探索超聲振動鋸切過程中比能對單晶硅材料的影響.

1 超聲振動鋸切過程理論分析

1.1 超聲振動鋸切基本原理

超聲振動加工原理為通過超聲換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電振蕩信號轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動信號，經(jīng)變幅桿對其振幅進(jìn)行放大后傳遞到單晶硅工件上，使其對單晶硅工件施加一個單一方向的超聲振動，結(jié)合鋸片旋轉(zhuǎn)將材料去除而實(shí)現(xiàn)鋸切加工.

超聲輔助鋸切是普通鋸切與超聲振動復(fù)合而成的綜合加工方法，鋸片上單顆磨粒在鋸切區(qū)的運(yùn)動方程［11］：

式中：vw為工作臺進(jìn)給速度；ds為鋸片直徑；f為超聲振動頻率；A為超聲振幅；φ0為鋸片超聲振動初相位.

1.2 超聲振動鋸切比能

在鋸切過程中，去除工件上單位體積材料所消耗的能量稱為鋸切比能（也指磨粒去除單位體積材料所消耗的功率），其重要意義在于，它可以反映鋸切過程中磨粒與材料之間的相互作用機(jī)理，它將直接關(guān)系到材料的去除方式、鋸片的磨損程度、鋸切溫度的變化以及鋸切完整性等.鋸切比能可以綜合地反映金剛石鋸片的鋸切性能，體現(xiàn)單晶硅片的可加工性以及鋸切參數(shù)的選擇是否合理.鋸切比能越小，表示此種加工方式去除相同體積材料時的能耗越低.鋸切比能表達(dá)式為［11－12］

式中：Ft為切向鋸切力；b為鋸切寬度.

1.3 超聲振動鋸切單顆磨粒最大切削厚度理論

在鋸切過程中，通過鋸片圓周上金剛石磨粒對材料進(jìn)行切削而達(dá)到去除材料的效果，因此，引入了單顆磨粒的最大切削厚度 hmax這一概念［13－14］，它反映了鋸切過程中單顆磨粒所承受的載荷.單晶硅片在鋸切過程中能量的消耗與鋸片上單顆磨粒的最大切削厚度有著很大的關(guān)系.

在普通鋸切方式下，其單顆磨粒的最大切削厚度（hmax）計算公式為［15］

式中：θ為磨粒頂錐角的一半，取θ＝60°；C為單位鋸片面積上的有效磨粒數(shù)，本實(shí)驗(yàn)取C＝45粒/mm2；ds為鋸片直徑.

材料去除率（Qw）則是指單位時間內(nèi)材料的去除體積，它是表征鋸切加工的一個重要指標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

鋸切實(shí)驗(yàn)過程中，鋸切力采用 KISTLER 9257B型三向壓電晶體測力儀檢測，通過DEWE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，采集的原始信號通過虛擬數(shù)字濾波器進(jìn)行了濾波處理，裝置示意及實(shí)物圖如圖1所示.

圖1 超聲振動鋸切實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖Fig.1 Schematic map（a）and physical map（b）of ultrasonic vibration sawing device

2.2 實(shí)驗(yàn)條件與方案

本實(shí)驗(yàn)在鋸切過程中分別采用有超聲輔助方法和普通方法進(jìn)行鋸切加工，通過改變切削用量以及去除率和單顆磨粒切削厚度等參數(shù)來分別對鋸切比能進(jìn)行研究.具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameter

3 結(jié)果與討論

3.1 切削用量對單晶硅鋸切比能影響

3.1.1 鋸切深度對鋸切比能的影響

圖2為鋸切比能隨鋸切深度的變化曲線.圖中各點(diǎn)為進(jìn)給速度vw＝80 mm/min時，在有無超聲的條件下，轉(zhuǎn)速n分別為4 000與13 000 r/min時鋸切比能與鋸切深度之間的散點(diǎn)分布，并為每種條件下的各點(diǎn)擬合了線性回歸線.

圖2 鋸切比能隨鋸切深度的變化曲線Fig.2 The specific sawing energy vs cutting depth

如圖2所示，不論有無超聲振動，鋸切比能均隨著鋸切深度的提高而呈現(xiàn)降低的趨勢.隨著鋸切深度的增加，單位時間內(nèi)材料去除的體積增大，單顆磨粒最大切削厚度增加，材料脆性去除增多，去除相同體積材料所需要的能量減小，比能降低.

超聲振動使鋸切方式由連續(xù)性變?yōu)殚g歇性，縮短了工件與工具之間的接觸時間，減小了工件與工具之間的摩擦作用，降低了加工過程中的能量損耗.此外，磨粒對工件不斷沖擊的作用使得材料更加傾向于微破碎的脆性去除，從而降低了鋸切比能，使得超聲鋸切時的比能小于普通鋸切條件下的.

3.1.2 進(jìn)給速度對鋸切比能的影響

圖3為鋸切比能隨切削速度的變化.圖3中各點(diǎn)為鋸切深度ap＝60 μm時在有無超聲的條件下，轉(zhuǎn)速n分別為7 000與13 000 r/min時鋸切比能隨鋸切深度的變化曲線.

由圖3可知，在2種加工條件下，鋸切比能均隨著進(jìn)給速度的增加而降低.由單顆磨粒最大切削厚度的計算公式分析可知，進(jìn)給速度的增加使得單顆磨粒最大切削厚度增加，意味著進(jìn)給速度增大時，單顆磨粒鋸切一次所去除材料的體積更多，減小了去除相同體積材料所需的能量，從而降低了鋸切比能.

圖3 鋸切比能隨進(jìn)給速度的變化曲線Fig.3 The specific sawing energy vs feed rate

而超聲振動使鋸片上的磨粒高頻沖擊工件材料，使得材料表面形成大量細(xì)微裂紋，當(dāng)磨粒鋸切時更容易被去除，同時由于超聲振動的縱向加載方式，使得在相同能量情況下，工件的去除體積增大，所以超聲振動可以減少鋸切比能.從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，超聲作用使得鋸切比能降低幅度約為10%.

3.1.3 主軸轉(zhuǎn)速對鋸切比能的影響

圖4為鋸切比能隨主軸轉(zhuǎn)速的變化.圖中各點(diǎn)為在有無超聲的條件下，參數(shù)分別為vw＝240 mm/min、ap＝60 μm和vw＝320 mm/min、ap＝40 μm時，鋸切比能隨主軸轉(zhuǎn)速的變化曲線.

由圖4可知，在2種加工條件下，鋸切比能均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加.對于普通鋸切，主軸轉(zhuǎn)速提高時，單顆磨粒最大切削厚度減小，去除同樣體積的工件材料需要單顆磨粒更多次磨削，材料去除方式偏向塑性去除，導(dǎo)致鋸切比能增加.超聲振動鋸切時，主軸轉(zhuǎn)速提高，單顆磨粒鋸切一次所振動的次數(shù)減少，導(dǎo)致振動沖擊產(chǎn)生的微裂紋減少，超聲振動的作用隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而減弱，這樣也導(dǎo)致了鋸切比能的增加.

而通過有無超聲的對比（見圖4），有超聲條件下的鋸切比能小于普通鋸切的鋸切比能.這主要?dú)w功于超聲振動作用使得磨粒對工件材料進(jìn)行高頻沖擊并引起材料脆性斷裂，因此材料更偏向于脆性去除，減小了去除單位體積材料所需的能量，即鋸切比能.

圖4 鋸切比能隨主軸轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 The specific sawing energy vs rotational speed

3.2 單顆磨粒最大切削厚度對鋸切比能的影響

圖5與圖6分別為在材料去除率相同的條件下，普通鋸切與超聲振動鋸切比能與單顆磨粒最大切削厚度之間關(guān)系的變化曲線.

圖5 普通鋸切單顆磨粒最大切削厚度對鋸切比能的影響Fig.5 The effect of single grain maximum cutting thickness on traditional specific sawing energy

圖6 超聲振動單顆磨粒最大切削厚度對鋸切比能的影響Fig.6 The effect of single grain maximum cutting thickness on ultrasonic vibration specific sawing energy

由圖5可以看出，普通鋸切條件下當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速與去除率固定時，鋸切比能隨著單顆磨粒最大切削厚度的增加而下降.因?yàn)楫?dāng)去除率固定時，由于鋸切深度與進(jìn)給速度2個參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致切屑在形態(tài)上也發(fā)生改變.當(dāng)去除率固定，單顆磨粒最大切削厚度增加時，材料更傾向于脆性去除，所以，鋸切比能降低.

由圖6可以看出，超聲條件下，單顆磨粒最大切削厚度的增加對鋸切比能的影響很小.一方面，超聲振動使得鋸切深度與進(jìn)給速度的變化對單顆磨粒最大切削厚度的影響不明顯；另一方面，超聲振動的沖擊作用使材料去除方式更多為脆性去除，材料去除方式隨單顆磨粒最大切削厚度的變化不明顯，相應(yīng)鋸切比能的變化也不明顯.

3.3 鋸切比能隨去除率的變化過程

圖7為鋸切比能在不同轉(zhuǎn)速中隨材料去除率的變化過程.圖中各點(diǎn)為在有無超聲的條件下，轉(zhuǎn)速分別為n＝4 000、13 000 r/min時，鋸切比能隨材料去除率的變化曲線.

由圖7可以看出，在2種加工方式下，隨著材料去除率的增加，鋸切比能呈下降趨勢，且下降幅度趨于平緩.因?yàn)殡S著去除率的增加，單位時間內(nèi)去除的材料增多，使得單顆磨粒最大切削厚度增大，材料的去除方式偏向于脆性去除，從而鋸切比能減小.超聲條件下的鋸切比能更小，說明超聲振動對工件的連續(xù)沖擊作用，起到了促進(jìn)表面材料更傾向于脆性去除的效果.

圖7 鋸切比能隨去除率的變化Fig.7 Specific sawing energy vs removal rate

3.4 單顆磨粒最大切削厚度對鋸切比能的影響

圖8為普通鋸切條件下，轉(zhuǎn)速n＝7 000、13 000 r/min時，鋸切比能隨單顆磨粒最大切削厚度的變化曲線.

從圖8可以看出：普通鋸切時，當(dāng)單顆磨粒最大切削厚度從0.2 μm增加至0.4 μm時，鋸切比能隨之降低的幅度較大，從 83 J/mm3降至35 J/mm3；當(dāng)單顆磨粒最大切削厚度繼續(xù)增大時，鋸切比能的下降趨勢趨于平緩.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的散點(diǎn)圖，可以用冪函數(shù)較為準(zhǔn)確地擬合.擬合方程可表示為

式中，A、B為常數(shù).轉(zhuǎn)速n＝7 000與13 000 r/min時的擬合方程如圖10中所示，分別為：

圖8 單顆磨粒最大切削厚度與鋸切比能的關(guān)系Fig.8 Traditional specific sawing energy vs single grain maxi?mum cutting thickness

普通鋸切時，鋸切比能與單顆磨粒最大切削厚度之間并非線性關(guān)系，其原因可能在于磨粒對材料的去除方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變.當(dāng)hmax較小時，材料的去除方式偏向塑性去除，當(dāng)hmax增大，材料去除方式逐漸傾向脆性去除，所以呈現(xiàn)出鋸切比能的降低幅度先大后小的形態(tài).材料去除方式在傾向塑性去除的區(qū)域與傾向脆性去除的區(qū)域之間，hmax存在著一個臨界值.

圖9為在超聲振動下，鋸切比能隨單顆磨粒最大切削厚度的變化曲線.

圖9 單顆磨粒最大切削厚度與鋸切比能的關(guān)系Fig.9 Ultrasonic vibration specific sawing energy vs single grain maximum cutting thickness

由圖9可以看出，超聲振動條件下，鋸切比能隨著單顆磨粒最大切削厚度的增加而降低，且兩者間呈現(xiàn)出線性關(guān)系.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所作出的散點(diǎn)圖，超聲振動條件下鋸切比能與單顆磨粒最大切削厚度間的擬合方程可表示為

式中，C、D為常數(shù).如圖9所示，最終得到的擬合方程為U＝－4 488.8hmax＋35 925.

超聲振動條件下，鋸切比能與單顆磨粒最大切削厚度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，其原因可能在于，hu的值較大，其值已經(jīng)完全落在使材料脆性去除的區(qū)域內(nèi)，超聲振動對于材料去除方式并無太大改變，所以比能隨著單顆磨粒最大切削厚度的增加，其降低幅度保持不變.

4 超聲振動鋸切單晶硅影響機(jī)理

金剛石薄鋸片鋸切單晶硅消耗的能量與加工過程中材料的去除方式密不可分.在普通鋸切加工中，一般工程材料主要以脆性斷裂或者塑性變形被去除.在單晶硅的鋸切加工中，鋸切能量損耗可能包括在金剛石磨粒與單晶硅工件之間的劃擦、單晶硅的斷裂能、切屑的動能和耕犁過程幾個方面.在普通鋸切方式下，單晶硅的斷裂能以及鋸切過程中切屑的動能所消耗的占消耗總能量的極小一部分，甚至可以忽略不計；鋸切損耗能量主要是消耗在塑性去除部分（包括磨粒耕犁工件以及相互間摩擦）.因此，如圖10所示，在普通鋸切中，單晶硅一般以塑性去除所產(chǎn)生的直線狀鋸切痕跡（A處所示）和脆性斷裂去除產(chǎn)生的凹坑狀鋸切痕跡（B處所示）2種方式共存，但隨鋸切參數(shù)變化過程中單晶硅塑性去除仍然占主體.

圖10 普通鋸切溝槽底部形貌Fig.10 Morphology of groove under traditional sawing

圖11表示了超聲振動鋸切溝槽底部形貌與普通方式下的區(qū)別，可以看出，超聲振動下材料主要以微破碎去除為主，材料去除方式由普通方式下塑性去除為主導(dǎo)轉(zhuǎn)化到以脆性斷裂破碎剝落去除為主的材料去除方式.

普通鋸切中，磨粒主要是靠前刀面對材料進(jìn)行劃擦擠壓，使材料表面先是發(fā)生塑性變形，當(dāng)材料達(dá)到斷裂極限時變?yōu)榇嘈詳嗔炎罱K將材料去除，會留下大量的塑性去除區(qū)和少量的脆性斷裂痕跡；但在超聲振動下，磨粒在超聲高頻的作用下沖擊單晶硅工件表面，使得磨粒切入工件的軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l間歇式切削，磨粒被附加極大加速度，在被加工表面產(chǎn)生很大的局部單位面積壓力，促使單晶硅容易產(chǎn)生疲勞失效斷裂破損，在表面形成微裂紋并擴(kuò)展，便于磨粒劃擦?xí)r將材料去除［16］，造成了單晶硅工件脆性斷裂去除趨向增大.由前面分析可知，單晶硅脆性斷裂能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塑性去除過程中所消耗的能量，所以在超聲振動下，單晶硅脆性斷裂去除增多并成為主導(dǎo)去除方式.

圖11 不同鋸切方式下溝槽底部形貌Fig.11 Morphology of groove under different sawing way

5 結(jié) 論

綜上分析可知各參數(shù)對單晶硅材料的鋸切比能變化的影響，比能的減小意味著去除單位體積的單晶硅所需的能量降低，不僅能夠提高單晶硅的加工效率，還能減小其加工過程中的能耗，因此，超聲振動鋸切單晶硅半導(dǎo)體材料有著很大的發(fā)展前景.

本文通過采用超聲振動輔助鋸切單晶硅的實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

1）超聲振動整體上大幅度降低了鋸切過程中的鋸切比能，改變了普通方式下鋸切用量對鋸切比能的影響趨勢；同時超聲振動增大了單顆磨粒最大切削厚度，也改變了去除率的變化對鋸切比能的影響趨勢.

2）超聲振動改變了鋸切過程中材料的去除方式，由普通鋸切中塑性去除為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔哑扑槿コ秊橹?，同時由于其間歇性加工方式減小了加工過程中工具與工件之間的摩擦作用，降低了消耗的能量，因此相比于無超聲，比能得到降低.

3）超聲振動以其特的有間歇式加工方式，縮短了磨粒與單晶硅的相互作用時間，此外，超聲振動的運(yùn)用使得磨粒在單晶硅表面上施加高頻沖擊，使得單晶硅易于形成大量微小的橫向裂紋，為得到光滑平整的加工表面發(fā)揮了重大的作用.

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（編輯 程利冬）

Influence of ultrasonic vibration on specific sawing energy of monocrystalline silicon

CHEN Jianbin，SHEN Jianyun，WANG Jiangquan，XU Xipeng
（College of Mechanical Engineering＆Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Ultrasonic vibration can improve the properties of hard?brittle material.In order to explore the influence of ultrasonic vibration on sawing specific energy of monocrystalline silicon，experimental on sawing monicrystalline silicon was conducted with and without ultrasonic vibration assisted conditions using thin diamond blade sawing.The result shows that ultrasonic vibration can decrease sawing specific energy.With the increasing of cutting thickness of single abrasive，the specific energy always fall down，but ultrasonic vibration changes the exponentially decreasing trend of specific sawing energy in normal cutting mode into a good linear decreasing.Ultrasonic vibration changes the way the materials removal of monicrystalline silicon from plastic removal into brittle fracture and broken way become micro?broken，which reduce the energy consumption of material removal without serious damage in the surface.Ultrasonic vibration will have softening effects on monocrystalline silicon，as well as high speed impact action，which will produce large amount of microcrack of monocrystalline silicon.Thus，ultrasonic vibration has a well prospect for development in machining monocrystalline silicon.

ultrasonic vibration；hard?brittle material；thin diamond blade；monocrysralline silicon；specific energy

TH145.9；TH161

A

1005－0299（2017）01－0062－07

10.11951/j.issn.1005－0299.20170111

2016－05－03.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2016－11－17.

國家自然科學(xué)基金（51275181）；華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目（1511303004）.

陳劍彬（1993—），男，碩士研究生.

沈劍云，E?mail：jianyun＠hqu.edu.cn.