硅晶柱的磨削研究

黃蓉

（安徽省馬鞍山工業(yè)學(xué)校，安徽 馬鞍山 243031）

硅晶柱的磨削研究

黃蓉

（安徽省馬鞍山工業(yè)學(xué)校，安徽 馬鞍山 243031）

硅片是現(xiàn)代電子工業(yè)的主要原材料，對(duì)于直徑小于200mm的硅片，傳統(tǒng)的加工工藝流程為：?jiǎn)尉a(chǎn)→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片→倒角→研磨→腐蝕→拋光→清洗→包裝。而因?yàn)楣柽@類脆硬材料的物理性能，使其在磨削時(shí)由于它的磨削阻抗力大很難磨削，文章對(duì)硅晶柱的磨削方法加以研究。

加工工藝；硅晶柱磨削；磨削理論；研究方法

1 脆硬材料的加工方法

脆性材料所具有的硬脆特性使用傳統(tǒng)的加工方法很難加工出形狀復(fù)雜的工件，而且其加工成本高、效率低、工件表面加工質(zhì)量并不理想。由于脆性材料與金屬材料有著極其不同的性質(zhì)，很多傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)無(wú)法使用。隨著脆硬材料的廣泛應(yīng)用，加工脆硬材料的新方法也不斷增多。

脆硬材料的磨削加工是目前最常用的一種加工方法，磨削過(guò)程就是通過(guò)磨料對(duì)工件有限切除的過(guò)程。根據(jù)磨削的加工效率可將磨削分為普通磨削和高效磨削。一般來(lái)講，將砂輪線速度低于45m/s的磨削來(lái)定義普通磨削，其加工脆硬材料的效率很低，而且加工質(zhì)量難以滿足要求。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、緩進(jìn)給磨削、高效深切磨削、砂帶磨削、快速短行程磨削和高速重負(fù)荷磨削。隨著材料科學(xué)的發(fā)展、新型工程材料的大量出現(xiàn)與工程上的應(yīng)用，對(duì)材料的磨削加工提出了更高的要求。為了滿足對(duì)材料的加工要求，國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)脆硬材料的磨削機(jī)理進(jìn)行了深入研究，尤其是對(duì)工程陶瓷、晶硅、光學(xué)玻璃和金屬陶瓷等的磨削力、磨削熱、表面質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并獲得了具有影響力的眾多成果。

對(duì)硅晶硅的磨削較新的技術(shù)包括：①單晶硅的ELID磨削原理與技術(shù)研究；②硅片的塑性磨削，即延性域磨削。硅片的塑性磨削是根據(jù)材料本身的特殊屬性來(lái)進(jìn)行磨削加工的。脆性材料在普通磨削加工中，材料以脆性斷裂方式去除為主，且工件表面加工質(zhì)量極低，有微裂紋產(chǎn)生。為了防止這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，使脆硬材料處于塑性去除方式，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)脆硬材料的塑性影響很大，當(dāng)對(duì)硅晶施加一定的輔助加熱后，硅原子的活動(dòng)能力增加，容易產(chǎn)生滑移，塑性大大提高，在這種塑性狀態(tài)下對(duì)工件進(jìn)行磨削，加工效率和加工質(zhì)量都會(huì)明顯提高。還有一種方法是在一定的加工條件下，材料能以塑性流動(dòng)的方式被去除，根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)模型預(yù)測(cè)產(chǎn)生的橫向裂紋臨界載荷，當(dāng)在低于這一載荷時(shí)，材料去除就以塑性變形去除為主。而由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速磨床陸續(xù)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，并在制造業(yè)中迅速擴(kuò)大應(yīng)用范圍。超高速磨床的出現(xiàn)，使脆硬材料的磨削加工真正成為主流加工方法，能夠極大提高脆硬材料的應(yīng)用范圍，而且能大大降低脆硬材料的加工成本。

2 磨削理論研究方法

磨削加工過(guò)程異常復(fù)雜，首先，磨削加工過(guò)程中參與切削工件的磨粒數(shù)量眾多，其幾何形狀極不規(guī)則，并且在砂輪上呈隨機(jī)分布狀態(tài)。其次，磨削加工中的磨削速度及磨削區(qū)的溫度極高，工件材料在這種高應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫下呈現(xiàn)出的材料性能非常復(fù)雜，而砂輪上磨粒的磨損、磨粒的切削性能也受到很大的影響，并且這些因素之間相互耦合。使得到目前為止真正應(yīng)用于工業(yè)中的各種計(jì)算公式大都屬于經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)用范圍非常有限。隨著高速和超高速磨削技術(shù)的發(fā)展，磨削加工技術(shù)的應(yīng)用將更加廣發(fā)。因此，對(duì)磨削加工過(guò)程進(jìn)行建模，掌握磨削機(jī)理就變得異常重要。

2.1 磨削加工過(guò)程的幾何建模

磨削加工過(guò)程的幾何建模一般是用來(lái)預(yù)測(cè)磨削加工后工件的表面形貌。它首先建立砂輪的幾何模型，然后再假定當(dāng)砂輪上的磨粒與工件材料發(fā)生干涉時(shí)，相應(yīng)的工件材料即被切除，這樣就可以計(jì)算出磨削加工后工件的表面形貌特征。

磨削加工過(guò)程幾何建模的第一步是建立砂輪的幾何模型。目前，主要有兩種方法：一種是對(duì)砂輪上磨粒的形狀及分布做出假設(shè)，然后生產(chǎn)砂輪的幾何模型。在確定砂輪上磨粒的幾何形狀之后，大部分研究者都是假定磨粒在砂輪上呈隨機(jī)分布狀態(tài)并據(jù)此建立砂輪的幾何模型。另一種是先使用儀器測(cè)出實(shí)際砂輪的表面形貌，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出數(shù)據(jù)的一些基本特征，然后根據(jù)這些基本特征再構(gòu)造砂輪的幾何模型。

磨削加工過(guò)程幾何建模的第二步是建立磨粒去除工件材料的機(jī)制。工件表面任意位置上的形貌特征是多個(gè)磨粒多次切削的結(jié)果。在磨削加工過(guò)程中，砂輪不斷發(fā)生磨損，故需要定期對(duì)砂輪進(jìn)行修整。由于幾何建模仿真沒(méi)有考慮到由于磨削加工過(guò)程中砂輪的振動(dòng)和不平衡、工藝系統(tǒng)的彈性變形、磨粒的磨損及自銳作用等對(duì)工件表面形貌造成的影響，故其得出加工后工件表面形貌特征與實(shí)際形貌特征存在一定誤差。

2.2 磨削力的建模

（1）解析法。模型力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用。李力鈞等人在Werner和Malkin等人研究成果的基礎(chǔ)上，把磨削力分為切削變形力和摩擦力，建立了磨削力模型。Hecker等人也建立了磨削力模型，他們假定切屑厚度成瑞利概率密度分布，而該概率密度函數(shù)的唯一參數(shù)考慮了磨削動(dòng)力學(xué)條件、工件材料特性、砂輪微觀結(jié)構(gòu)及磨削加工過(guò)程中的一些動(dòng)態(tài)效應(yīng)的影響。

（2）實(shí)驗(yàn)法。由于磨削加工過(guò)程中影響磨削力大小的各個(gè)因素錯(cuò)綜復(fù)雜，而現(xiàn)有的磨削理論建立在許多假設(shè)條件之上，由這些磨削理論推導(dǎo)出來(lái)的磨削力計(jì)算公式，還不足以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中。所以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用得磨削力計(jì)算公式大多為經(jīng)驗(yàn)公式，其中絕大部分都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示的，這些經(jīng)驗(yàn)公式的獲取方法分為兩類。一類方法是：通過(guò)做實(shí)驗(yàn)得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后利用回歸分析法建立經(jīng)驗(yàn)公式，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行趨勢(shì)外推。除了回歸分析法外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中。另一類方法是利用各種數(shù)學(xué)方法對(duì)少量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并推出經(jīng)驗(yàn)公式。灰色預(yù)測(cè)法是利用“灰色系統(tǒng)理論”，對(duì)原始的試驗(yàn)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，并按微分方程擬合法建立灰色模型，然后用微分方程的解實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。仇君等人將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于磨削加工工程中磨削力的預(yù)測(cè)。

3 硅晶柱磨床簡(jiǎn)介

硅晶柱磨床是在傳統(tǒng)臥式外圓磨床的基礎(chǔ)上，針對(duì)硅晶這類脆硬材料，根據(jù)其加工要求，為實(shí)現(xiàn)高效、高精度的加工質(zhì)量，所使用的一種專用磨銑復(fù)合機(jī)床。

它是將硅片加工過(guò)程中的外徑磨削和平邊工藝在同一個(gè)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)。在已有磨床的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝晶向測(cè)量系統(tǒng)用以確定加工基準(zhǔn)平面，采用砂輪端面磨削方式來(lái)滿足磨外圓和銑平面的加工要求。復(fù)合機(jī)床不僅可以減少同一工件的重新定位裝夾，縮短工件的加工周期，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以提高零件加工精度。

4 結(jié)語(yǔ)

由于脆硬材料的特殊屬性，在磨削過(guò)程中，它的去除方式主要有脆性斷裂、破碎去除、晶界微破碎等脆性去除方式，這嚴(yán)重影響了零件的加工質(zhì)量。所以分析研究其磨削過(guò)程與磨削現(xiàn)象，對(duì)提高機(jī)床主要結(jié)構(gòu)部件的動(dòng)靜態(tài)性能，以及對(duì)于改進(jìn)磨削工藝、提高磨削生產(chǎn)能力及改善表面完整性有著重要意義。

［1］馬明明.單晶硅的ELID磨削原理與技術(shù)研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］稱勇平，唐進(jìn)元.磨削加工過(guò)程建模的研究進(jìn)展［J］.切削機(jī)理，2007，（1）：44-48.

［3］李力鈞，付杰才.磨削力的數(shù)學(xué)模型的研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1981，17（4）：31-41.

Research on Grinding of Silicon Crystal Column

HUANG Rong

（Anhui Maanshan Industry School，Maanshan，Anhui 243031，China）

Silicon is the main raw materials of modern electronic industry，and the wafer diameter is less than 200mm.The traditional machining process is：the production of crystal，cutting，grinding，rolling diameter flat or V groove processing，cutting，chamfering，grinding，polishing，etching，cleaning，packaging and physical properties.However，because of the physical properties of the brittle hard materials such as silicon，it is difficult to grind because of its large grinding resistance.This paper researches on the grinding method of silicon crystal column.

Machining technology；silicon cylindrical grinding；grinding theory；research method

TG743

A

2095-980X（2017）01-0087-02

2016-12-29

黃蓉（1983-），女，安徽宣城人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：機(jī)械加工工藝及精度。