金剛石超薄鋸片劃切單晶SiC表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究

柴亞玲,張 聰,周艷梅,郭 樺,2

金剛石超薄鋸片劃切單晶SiC表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究

柴亞玲1,張 聰1,周艷梅1,郭 樺1,2

(1.華僑大學(xué)制造工程研究院,福建廈門 361021;
2.石材加工研究福建省高校重點(diǎn)(開放)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門 361021)

文章通過探討在劃片機(jī)上用金剛石超薄鋸片對單晶SiC進(jìn)行劃切實(shí)驗(yàn),測量并分析不同金剛石粒度的鋸片在不同的劃切工藝參數(shù)下的劃切力和SiC切縫崩邊尺寸,以此研究超薄鋸片中金剛石粒度對劃切單晶SiC的切縫質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同金剛石粒度的超薄鋸片劃切單晶SiC的劃切力和切縫崩邊尺寸隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高呈降低趨勢,隨劃切深度和進(jìn)給速度的增加呈上升趨勢；在一定范圍內(nèi),崩邊尺寸均隨著金剛石粒度的升高而呈上升趨勢,且金剛石粒度越大,崩邊尺寸增大的速度越快。

單晶SiC；金剛石粒度；崩邊尺寸

0 引言

隨著新興電子科技的發(fā)展,以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)異的物理性能及穩(wěn)定的化學(xué)性能,廣泛應(yīng)用到半導(dǎo)體照明、微電子、微波射頻等領(lǐng)域[1]。單晶SiC的抗壓強(qiáng)度高于抗彎強(qiáng)度,材料表現(xiàn)為較大的硬脆性,且表面材料易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展和微破碎。因此SiC單晶體的加工效率低,容易產(chǎn)生裂紋和缺陷[2-4]。特別是在單晶SiC劃切的重要工序中,隨著SiC單晶片的直徑越來越大,厚度越來越薄,切縫崩邊問題引起的切片的質(zhì)量直接導(dǎo)致了材料成本的增加和浪費(fèi)。

單晶SiC自身的材料特性導(dǎo)致其劃切加工過程的難度增加。孫春華研究了單晶SiC材料在切割過程中,因受到磨粒強(qiáng)應(yīng)力作用而在被加工材料表面留下許多裂紋[5]。尚廣慶等通過建立硬脆材料切割模型對單顆金剛石磨粒劃擦單晶SiC的材料去除機(jī)理進(jìn)行了研究[6];郭方全由“切削加工模型”證實(shí),脆性材料的去除和材料硬度關(guān)系最為密切[7-8],這都體現(xiàn)出SiC單晶材料不僅加工難度大,而且加工質(zhì)量難以保證。

本文采用不同金剛石粒度的金屬基金剛石超薄劃切鋸片對單晶SiC進(jìn)行中高速劃切實(shí)驗(yàn),并采集劃切過程中的劃切力進(jìn)行分析,同時(shí)觀察相對應(yīng)的切縫崩邊形貌。探究了不同金剛石粒度的超薄鋸片對單晶SiC劃切性能的影響。為高效優(yōu)質(zhì)劃切SiC單晶片提供了數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

劃切實(shí)驗(yàn)在DS616精密劃片機(jī)上進(jìn)行,如圖1所示,其X、Y、Z驅(qū)動軸和旋轉(zhuǎn)主軸精度均≤1μm。超薄鋸片采用本實(shí)驗(yàn)室自制的金屬結(jié)合劑超薄鋸片、厚度為0.2mm,金剛石粒度分別為:W10、W20、W40。采用Kistler9119AA2型壓電晶體微型測力儀(最小測量值0.002N)采集超薄切割鋸片劃切實(shí)驗(yàn)過程中的力信號。由于劃切過程中劃切深度很小,因此可以將所測的垂直力F y和水平力F x視為法向力F n和切向力F t。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。劃切完成后,使用三維視頻顯微鏡(35-2/KH-8700)對單晶SiC片的切縫形貌進(jìn)行觀測。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 不同金剛石粒度的鋸片對劃切單晶碳化硅片劃切力的影響

2.1.1 不同金剛石粒度鋸片在不同轉(zhuǎn)速下對超薄鋸片劃切力的影響

圖2為當(dāng)劃切深度ap為70μm,工件進(jìn)給速度Vw為2mm/s恒定不變時(shí),三種不同金剛石粒度超薄鋸片劃切單晶SiC的法向力Fn和切向力Ft隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。

從圖2可知,當(dāng)轉(zhuǎn)速n從10000r/min提高至30000r/min時(shí),三種金剛石粒度超薄鋸片的劃切力均呈下降趨勢。這是因?yàn)殡S著超薄鋸片轉(zhuǎn)速提高,使得單位時(shí)間內(nèi)參與劃切的磨粒數(shù)增多,單顆金剛石磨粒劃切SiC的體積減小,功耗也減小,因此劃切力也減小[9]。因而提高鋸片轉(zhuǎn)速可以減小劃切力。由圖2還可看出,在相同的劃切條件下,隨著鋸片中金剛石粒度從W10增加到W40,切向和法向的劃切力逐漸減小。這是由于在金剛石濃度相同的情況下,金剛石粒度越細(xì),磨粒出刃高度越短,結(jié)合劑單位面積內(nèi)磨粒數(shù)也越多,這就使得超薄鋸片磨粒間的容屑空間也變小,排屑更加困難,而切屑不能被及時(shí)排出,鋸片表面就易發(fā)生堵塞,鋸片的鋒利度就會降低,因此劃切力增大。

2.1.2 不同金剛石粒度鋸片在不同切深下對劃切力的影響

圖3為當(dāng)超薄鋸片主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min、工件進(jìn)給速度Vw為2mm/s恒定不變時(shí),三種不同金剛石粒度超薄鋸片劃切單晶SiC的法向力Fn和切向力Ft隨鋸片劃切深度變化的關(guān)系曲線。

圖2 不同金剛石粒度鋸片在不同轉(zhuǎn)速下對鋸片劃切力影響Fig.2 Influence of different diamond particle size on the cutting force of saw blade at different rotational speeds

圖3 不同金剛石粒度鋸片在不同切割深度下對鋸片劃切力影響Fig.3 Influence of different diamond particle size on the cutting force of saw blade at different cutting depth

由圖3可知,當(dāng)劃切深度ap從50μm增加至130μm時(shí),三種粒度超薄切割鋸片的法向和切向劃切力均呈上升的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)劃切深度增加時(shí),金剛石磨粒切削厚度增加,單顆磨粒劃切體積增大;另外,劃切深度的增加使得磨粒與SiC片的接觸弧長也增大,弧區(qū)內(nèi)參與劃切的有效磨?？倲?shù)增多,從而導(dǎo)致劃切力增大。由圖中3還可得出,在相同的劃切條件和相同的金剛石濃度下,隨著鋸片含金剛石粒度增大,切向和法向的劃切力逐漸減小。

2.1.3 不同金剛石粒度鋸片在不同進(jìn)給速度下對劃切力的影響

圖4為超薄鋸片主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min、切割深度ap為70μm恒定不變時(shí),三種不同金剛石粒度超薄鋸片劃切單晶SiC的法向力Fn和切向力Ft隨鋸片進(jìn)給轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。

由圖4可知,當(dāng)鋸片進(jìn)給轉(zhuǎn)速Vw從1mm/s增加到5mm/s時(shí),三種金剛石粒度超薄鋸片的法向和切向劃切力均呈上升的趨勢。這是由于工件進(jìn)給速度的增大,使得單顆磨粒劃切深度增加,劃切體積相應(yīng)增大;另外由于進(jìn)給速度的增大,導(dǎo)致金剛石磨粒切入SiC更加困難,從而使得單位時(shí)間功耗增大;而且高的工件進(jìn)給速度加劇了磨粒與SiC表面的沖擊和摩擦,這些均使得超薄鋸片整體劃切力增大。從圖4中還可以看出,在相同的金剛石濃度和相同的劃切條件下,W10-50%鋸片劃切力均大于W20-50%鋸片劃切力,W20-50%鋸片劃切力均大于W40-50%鋸片劃切力。

圖4 不同金剛石粒度鋸片在不同進(jìn)給速度下對鋸片劃切力影響Fig.4 Influence of different diamond particle size on the cutting force of saw blade at different feed speed

2.2 不同金剛石粒度鋸片對鋸片劃切SiC單晶片崩邊尺寸的影響

SiC單晶是一種硬脆材料,在劃切加工的過程中極易出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象,如圖5所示,而崩邊尺寸將直接影響工件的質(zhì)量,不能滿足加工質(zhì)量要求。因此本文從SiC單晶片崩邊尺寸大小方面對超薄鋸片劃切SiC的切縫質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

圖5 金剛石超薄切割鋸片劃切SiC單晶片表面崩邊形貌Fig.5 The surface breaking edge morphology of monocrystalline SiC cutted by ultra-thin diamond cutting blade

2.2.1 不同金剛石粒度鋸片在不同的轉(zhuǎn)速下對SiC片崩邊尺寸的影響

圖6為當(dāng)劃切深度ap等于90μm、工件進(jìn)給速度Vw等于2mm/s恒定不變時(shí),三種金剛石粒度超薄鋸片劃切SiC片的切縫崩邊尺寸隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系曲線。

圖6 不同金剛石粒度鋸片在不同轉(zhuǎn)速下對切縫崩邊尺寸的影響Fig.6 Influence of different diamond particle size on the kerf breaking size of saw blade at different rotational speed

由圖6可以看出,當(dāng)超薄鋸片轉(zhuǎn)速提高時(shí),三種粒度超薄鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸均呈下降的趨勢。這是當(dāng)鋸片轉(zhuǎn)速提高時(shí),單位時(shí)間內(nèi)參與劃切的磨?？倲?shù)增多,單顆金剛石磨粒劃切工件的體積減小,因此最大未變形切屑厚度減小,而最大未變形切屑厚度決定了崩邊尺寸的大小,所以隨鋸片轉(zhuǎn)速提高,SiC片崩邊尺寸逐漸減小。

由圖6還可得出,劃切條件相同的條件下,SiC片的崩邊尺寸均隨著鋸片轉(zhuǎn)速的增加而減小,而且金剛石粒度越大,崩邊尺寸數(shù)值隨轉(zhuǎn)速的增大下降得更快,金剛石粒度越小,鋸片崩邊尺寸數(shù)值變化趨勢越平緩。原因是金剛石粒度越細(xì),出刃高度就越小,因此單顆金剛石磨粒劃切工件的體積減小,所以SiC片崩邊尺寸也變小。另外當(dāng)金剛石濃度相同時(shí),單位體積內(nèi)W10-50%鋸片參加劃切的磨?？倲?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于W40-50%的,所以,隨鋸片轉(zhuǎn)速的提高,W10-50%鋸片單位時(shí)間內(nèi)參與劃切的磨?？倲?shù)的增加對單顆磨粒劃切SiC體積的變化影響不大,而對W40-50%鋸片而言影響就大,因此W10-50%鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸隨轉(zhuǎn)速的提高變化趨勢很平緩,而W40-50%鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸下降的越來越快。

2.2.2 不同金剛石粒度鋸片在不同切深下對SiC片崩邊尺寸的影響

圖7為當(dāng)超薄鋸片轉(zhuǎn)速n等于20000r/min、進(jìn)給速度Vw等于2mm/s恒定不變時(shí),三種金剛石粒度超薄鋸片劃切SiC片的切縫崩邊尺寸隨劃切深度ap變化的關(guān)系曲線。

圖7 金剛石粒度在不同切深下對切縫崩邊尺寸的影響Fig.7 Influence of different diamond particle size on the kerf breaking size of saw blade at different cutting depth

由圖7可以看出、當(dāng)超薄鋸片切深ap從50μm增加至130μm時(shí),三種粒度超薄鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸均呈上升的趨勢。這是由于當(dāng)劃切深度增加時(shí),單顆金剛石磨粒切削厚度增加,磨粒切割工件的體積相應(yīng)增大,導(dǎo)致最大未變形切屑的厚度也增大,而最大未變形切屑的厚度直接決定了崩邊尺寸的大小,所以隨鋸片劃切深度的增加,SiC片崩邊尺寸逐漸增大。

由圖7還可得出,在相同的劃切條件下,鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸隨劃切深度的增大而增大,隨金剛石粒度的增加而增加,且小粒度金剛石鋸片劃切的切縫崩邊尺寸變化趨勢較平緩。分析原因同樣是由于金剛石粒度越細(xì),導(dǎo)致單顆金剛石磨粒劃切SiC的體積減小,即最大未變形切屑厚度減小,所以SiC片崩邊尺寸也較小。當(dāng)金剛石濃度相同時(shí),單位體積內(nèi)小粒度金剛石的鋸片參加劃切的磨粒總數(shù)遠(yuǎn)多于大粒度金剛石的鋸片,隨著超薄切割鋸片劃切深度ap的增加,小粒度金剛石鋸片單顆金剛石磨粒切削厚度的增加較小,而大粒度金剛石鋸片的增加較大,于是隨著鋸片中金剛石粒度的增加,劃切SiC片的崩邊尺寸變化趨勢越來越陡。

2.2.3 不同金剛石粒度鋸片在不同進(jìn)給速度下對SiC片崩邊尺寸的影響

圖8為當(dāng)轉(zhuǎn)速n為20000r/min、劃切深度ap為70μm,恒定不變時(shí),三種金剛石粒度超薄鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸隨工件進(jìn)給速度Vw變化的關(guān)系曲線。

圖8 金剛石粒度在不同進(jìn)給速度下對切縫崩邊尺寸的影響Fig.8 Influence of different diamond particle size on the kerf breaking size of saw blade at different feed speed

從圖8可以看出,工件進(jìn)給速度Vw從1mm/s增加至5mm/s時(shí),三種粒度超薄鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸均呈上升趨勢。這是因?yàn)殡S工件進(jìn)給速度增大,單顆金剛石磨粒劃切深度增加,磨粒劃切SiC的體積相應(yīng)增大,因此最大未變形切屑的厚度也增大,而最大未變形切屑厚度直接決定了崩邊尺寸的大小,所以隨著鋸片劃切深度的增加,SiC片崩邊尺寸逐漸增大。

由圖8還可得出,在相同的劃切條件下,鋸片劃切的切縫崩邊尺寸均隨進(jìn)給速度的增加而增大,隨金剛石粒度的增加而增大,且隨鋸片金剛石粒度的增大變化趨勢越來越明顯。其原因與圖7解釋機(jī)理相同,也就是隨著金剛石粒度越細(xì),單顆磨粒劃切SiC的體積減小,所以SiC片崩邊尺寸越小。金剛石濃度相同時(shí),單位體積內(nèi)小粒度金剛石鋸片參加劃切的磨?？倲?shù)遠(yuǎn)多于大粒度金剛石鋸片,所以,隨鋸片Vw增加,小粒度金剛石鋸片單顆金剛石磨粒切削深度的增加較小,而大粒度的增加較大,因此小粒度金剛石鋸片切縫的崩邊尺寸隨工件進(jìn)給速度Vw的增加變化趨勢較平緩,而大粒度金剛石鋸片切縫的崩邊尺寸變化趨勢更快。

2 結(jié)論

(1)用不同粒度的金剛石鋸片劃切單晶SiC時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超薄切割鋸片鋸切過程中SiC的崩邊尺寸隨著鋸片中金剛石粒度的增大而增大,隨著鋸片中金剛石粒度的減小而減小。

(2)用鋸片在不同的劃切參數(shù)下劃切單晶SiC,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:超薄切割鋸片的劃切力和SiC的崩邊尺寸隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高呈降低趨勢,隨切割深度和進(jìn)給速度的增加呈上升趨勢。另外小粒度金剛石鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸隨劃切工藝參數(shù)的變化上升較平緩,而大粒度金剛石鋸片劃切SiC片的崩邊尺寸隨劃切工藝參數(shù)的變化上升更快速。

(3)因此,精密劃切加工SiC單晶時(shí),在保證劃切效率的情況下應(yīng)選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給、小切深的劃切工藝和小粒度金剛石的鋸片,以得到更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

[1] 張培彥.基于白剛玉微粉的SiC單晶片(0001)C面化學(xué)機(jī)械拋光研究[D].南京理工大學(xué),2012.

[2] Lee K S,Lee S H,Kim M,et al.Surface Preparation of 6HSilicon Carbide Substrates for Growth of High-Quality SiC Epilayers[C]//Materials Science Forum.2004:797-800.

[3] 姜守振,徐現(xiàn)剛,李娟,等.SiC單晶生長及其晶片加工技術(shù)的進(jìn)展[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007,28(5):810-814.

[4] Starke U,Schardt J,Franke M.Morphology,bond saturation and reconstruction of hexagonal SiC surfaces[J].Applied Physics A,2004,65(6):587-596.

[5] 孫春華,尚廣慶.脆硬材料加工機(jī)理的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(4):51-53.

[6] 尚廣慶,孫春華.硬脆材料加工機(jī)理的理論分析[J].工具技術(shù), 2002,36(10):19-21.

[7] 郭方全.SiC陶瓷球的磨削機(jī)理研究[J].機(jī)械科學(xué)研究院;機(jī)械科學(xué)研究總院,2006.

[8] 范超幸.碳化硅的金剛石高效精密磨削機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[9] 祝小威,徐西鵬.金剛石薄鋸片高速劃切花崗石過程中的劃切力特性[J].金剛石與磨料磨具工程,2007,162: 1-5.

安徽首次發(fā)現(xiàn)金剛石礦資源 找礦理論實(shí)現(xiàn)突破

記者從安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局獲悉,《安徽省宿州市欄桿-褚欄地區(qū)金剛石普查報(bào)告》日前獲安徽省國土資源廳組織的專家評審會通過,安徽范圍內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)了金剛石礦資源,實(shí)現(xiàn)了金剛石找礦理論的一次較大突破。

據(jù)安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院礦產(chǎn)勘查所所長馬玉廣介紹,本次普查通過開展物化探、鉆探、豎井、淺井、取樣測試和選礦等方法,初步發(fā)現(xiàn)和圈定了輝綠巖強(qiáng)風(fēng)化殘積型金剛石砂礦體2個(gè),大致查明了該區(qū)含原生金剛石的載體巖石主要有輝綠巖、橄欖玄武巖、玄武質(zhì)角礫熔巖和火山角礫巖。

馬玉廣告訴記者,此次在安徽宿州發(fā)現(xiàn)金剛石礦,填補(bǔ)了安徽金剛石礦產(chǎn)資源取量表的空白,我國現(xiàn)存被發(fā)現(xiàn)的金剛石礦資源存量有了相應(yīng)的增加。同時(shí)在金剛石礦的找礦理論上實(shí)現(xiàn)了較大突破,由之前的超基性巖到此次的基性巖。

據(jù)介紹,在國內(nèi)外金剛石找礦勘查歷程中,傳統(tǒng)的原生金剛石礦成礦類型主要為金伯利巖型和鉀鎂煌斑巖型兩大類,如國內(nèi)山東蒙陰和遼寧瓦房店金伯利巖型金剛石礦床,國外澳大利亞的阿蓋爾鉀鎂煌斑巖型金剛石礦床。而此次宿州市欄桿-褚欄地區(qū)金剛石普查,是首次在輝綠巖基巖及強(qiáng)風(fēng)化帶中發(fā)現(xiàn)了金剛石礦物。

宿州市欄桿～褚欄地區(qū)金剛石呈淺黃綠色,粒徑0.2～0.6mm,呈自形立方體與曲面菱形十二面體或立方體與八面體之聚型組成,晶體(100)面發(fā)育,晶體透明、潔凈,金剛光澤。礦石工業(yè)類型為研磨與切割用金剛石,品級屬細(xì)粒Ⅰb型金剛石。

據(jù)悉,本次普查是安徽省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目,由安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院承擔(dān),該項(xiàng)目于2009年11月首次立項(xiàng),歷時(shí)8年,先后經(jīng)過了3次續(xù)作,期間,安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心多次組織專家對項(xiàng)目進(jìn)行了野外驗(yàn)收和現(xiàn)場指導(dǎo)。 (新華網(wǎng))

Experimental Study of Surface Quality of Monocrystalline SiC Cut by Ultra-thin Diamond Saw Blade

CHAI Ya-ling1,ZHANG Cong1,ZHOU Yan-mei,GUO Hua1,2
(1.Institute of Manufacturing Engineering,Huaqiao University,Xiamen,Fujian,China 361021; 2.Fujian Key Laboratory of Stone Processing Research,Xiamen,Fujian,China 361021)

The cutting experiment of monocrystalline SiC by diamond ultra-thin saw blade on dicing machine has been discussed in this article.The cutting force and SiC kerf breaking size of saw blades of different diamond particle size under different cutting parameters have been measured and analyzed,so as to study the influence of diamond particle size on the kerf quality of monocrystalline SiC cutting.Result shows that the cutting force and SiC kerf breaking size of saw blades of different diamond particle size decrease as the speed of mainshaft increases,while increase as cutting depth and feed speed increase; within certain range,the kerf breaking size increases as the diamond particle size increases, and the bigger the diamond particle size is,the faster the kerf breaking size increases.

monocrystalline SiC;diamond particle size;kerf breaking size

TQ164

A

1673-1433(2017)04-0008-06

2017-05-15

國家自然科學(xué)基金(51175193);華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目1511303025

柴亞玲(1991-),女,碩士研究生,主要研究方向:高效精密加工。E-mail:chaiyaling_2014@163.com

郭樺(1956-),男,教授,博士,主要研究方向:超硬材料及相關(guān)設(shè)備的研究。E-mail:guoh1214@hqu.edu.cn

柴亞玲,張聰,周艷梅,等.金剛石超薄鋸片劃切單晶SiC表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究[J].超硬材料工程,2017,29(4):8-13.