單晶硅微銑削表面粗糙度實驗研究

許順杰，曹自洋，王浩杰

（1.蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2.蘇州市高效與精密加工技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州215009）

單晶硅是一種硬而脆的材料[1]，由于其獨特的物理化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域[2]。某些應(yīng)用通常把單晶硅制造成幾十甚至幾百微米的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[3]，并且要求很高的制造精度和表面質(zhì)量，典型的光刻技術(shù)、化學(xué)蝕刻等加工僅能加工平面2維或2.5維結(jié)構(gòu)[4-5]，相比之下，微銑削能夠制造出3維微結(jié)構(gòu)，同時具有高精度、高表面光潔度，且機(jī)械裝夾簡單[6]，相比于光刻機(jī)設(shè)備成本低廉。

常溫下，單晶硅屬于脆性材料，去除材料以崩碎為主，只有在合適的切削參數(shù)條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)延性切削[7-9]，從而降低表面粗糙度。Choong Z J,Huo D等學(xué)者通過力、表面形貌和邊緣質(zhì)量來表征微銑削單晶硅的加工質(zhì)量[4]；Dehong H等學(xué)者采用方差分析的方式，進(jìn)一步解析了切削速度Vc、進(jìn)給量f和軸向切削深度ap等切削參數(shù)的變化,確定了這些因素對銑削單晶硅表面粗糙度的影響[10]；周云光利用微磨削技術(shù)手段，通過單晶硅表面粗糙度的數(shù)值分析，優(yōu)化了磨削工藝參數(shù)[11]；Liu B等學(xué)者研究了單晶硅在脆性、延性模式下的材料去除過程，得出延性模式下切削有更少的裂紋和破損[12-14]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對單晶硅表面質(zhì)量進(jìn)行了很多方面的研究，但是針對其影響機(jī)制依舊需要進(jìn)一步深入探討。

本文從正交試驗出發(fā)，研究切削三要素（每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和軸向切削深度）對單晶硅微銑削表面粗糙度的影響規(guī)律，觀察其表面形貌，結(jié)合未變形切削厚度來研究延性切削，進(jìn)而研究對表面粗糙度的影響。

1 單晶硅微銑削實驗

1.1 實驗材料及設(shè)備

實驗材料為單晶硅，選?。?00）單晶硅片并沿[100]晶向進(jìn)行全槽銑削，本實驗將直徑4英寸硅片切割成長約100 cm、寬約25 cm，利用AB膠穩(wěn)固地黏貼在黃銅條上，在貼合單晶硅前，需修整黃銅表面，使黃銅表面光潔無劃痕，確保貼合的精度（見圖1（a））。使用便攜式數(shù)碼顯微鏡（見圖1（b））來進(jìn)行對刀。本實驗設(shè)備采用美國哈斯三軸聯(lián)動數(shù)控加工中心（見圖1（c）），三軸的工作行程為305 mm×254 mm×305 mm，采用全閉環(huán)控制，主軸的最高轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。微銑刀采用臺灣HC公司的直徑為0.5 mm的金剛石涂層2刃平頭立銑刀（見圖1（d）），加工中心及微銑刀的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所列。采用VHX-5000超景深三維顯微鏡（見圖1（e））觀測其表面形貌，通過Contour GT-K0白光干涉儀（見圖1（f））對加工后的單晶硅微槽底面進(jìn)行粗糙度數(shù)值的測量。

圖1 微銑削實驗材料及設(shè)備

表1 微銑削加工系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.2 實驗方案

單晶硅微銑削加工采用水基切削液進(jìn)行冷卻。選擇每齒進(jìn)給量fz、主軸轉(zhuǎn)速n、軸向切削深度ap三個主要因素，采用標(biāo)準(zhǔn)的三因素四水平正交表L16（43）來設(shè)計單晶硅微銑削實驗，見表2。銑削微槽尺寸為A=5 mm，B=3 mm，C=0.5 mm，如圖2所示。機(jī)床加工示意圖，如圖3所示。

表2 因素水平表

圖2 微槽尺寸示意圖

圖3 加工示意圖

2.1 切削三要素分析

銑削加工后，采用Contour GT-K0白光干涉儀進(jìn)行粗糙度測量，選擇微槽底部的前中后三部分測量，并取其平均值為微槽底面粗糙度數(shù)值，數(shù)據(jù)詳見表3。通過極差和方差分析，來研究切削因素要素對表面粗糙度的影響程度，詳見表4。

表3 正交實驗表

表4 表面粗糙度分析結(jié)果

由表4繪制極差圖和方差圖，如圖4所示，根據(jù)柱形圖可以看出極差和方差的大小依次是:每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深，即R1＞R2＞R3，V1＞V2＞V3。由此可知，切削參數(shù)每齒進(jìn)給量fz、主軸轉(zhuǎn)速n、軸向切削深度ap對單晶硅微銑削表面粗糙度的影響程度關(guān)系是：每齒進(jìn)給量fz＞主軸轉(zhuǎn)速n＞軸向切削深度ap。

圖4 極差圖和方差圖

為了更好的探討每齒進(jìn)給量fz、主軸轉(zhuǎn)速n、軸向切削深度ap的影響狀況，分別對三個要素進(jìn)行分析。

圖5 fz、n、ap對Ra的影響

由圖5（a）可知，表面粗糙度Ra隨著每齒進(jìn)給量fz的增加而增加，每齒進(jìn)給量的增加使得單位時間內(nèi)去除單晶硅余量增大，增大了微銑削的切削力，加快了單晶硅表面的裂紋破損和微銑刀的磨損，使得其表面粗糙度上升，表面質(zhì)量降低。由圖6不同每齒進(jìn)給量加工后的圖片可以看出，當(dāng)每齒進(jìn)給量增加時，銑刀刀齒紋路間距增大，單晶硅表面破損加劇，導(dǎo)致單晶硅表面粗糙度Ra值變大。

從圖5（b）中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速n的增加，表面粗糙度先上升后降低，這是因為隨著主軸轉(zhuǎn)速n的提高，切削刃和工件接觸區(qū)的溫度也會隨之增高，切削液不能很好的帶走熱量，導(dǎo)致了切削刃及刀尖前刀面上易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，生成積屑瘤[3-4]，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定后，切削進(jìn)入穩(wěn)定去除階段，表面粗糙度得到降低。另外隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高和切削速度的提高，切削力會降低[15]，也使得其表面粗糙度下降。

圖6 不同每齒進(jìn)給量加工表面

從圖5（c）中可以看出，折線趨勢呈緩慢上升，即軸向切深ap增加，表面粗糙度數(shù)值上升變化不大，極差圖、方差圖也印證了軸向切深ap對單晶硅表面粗糙度的影響不顯著。

2.2 表面形貌分析

當(dāng)切削單晶硅這類脆性工件時，表面易產(chǎn)生破損和凹坑，最大未變形切削厚度是評價微銑削加工的一個重要指標(biāo)[16]，能夠通過計算最大未變形切削厚度來初步判斷單晶硅的加工狀態(tài)[7-8，17]。

微銑削加工時，由于f很小，R很大，本實驗中f最大是0.4μm/z，而R是13.8μm,如圖7所示，符合圖7（b），按照公式（2）可以計算出最大未變形切削厚度，見表5。根據(jù)脆塑轉(zhuǎn)變臨界的切削厚度公式[18]可以得出單晶硅的臨界切削厚度約為110 nm，從表5中可以看出序號1至4共四組最大未變形切削厚度小于單晶硅的臨界切削厚度，在這四組的切削參數(shù)條件下是可以實現(xiàn)塑性切削。從圖8中也可以看出序號1實現(xiàn)了塑性切削，表面很光滑，沒有破損、凹坑，序號2至4由于主軸轉(zhuǎn)速的提高，刀具振動加劇[17]，并沒有形成如序號1一樣的光滑表面，存在凹坑和破損，但局部可實現(xiàn)塑性切削，這對降低表面粗糙度起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)表5繪制最大未變形切削厚度對Ra的影響圖，如圖9所示，根據(jù)擬合數(shù)據(jù)點的趨勢線，隨著最大未變形切削厚度的增加，粗糙度總體呈現(xiàn)上升趨勢。

圖7 最大未變形切削厚度示意圖

表5 最大未變形切削厚度計算結(jié)果

圖8 單晶硅加工后形貌圖

圖9 最大未變形切削厚度對Ra的影響

3 結(jié)束語

本研究從正交實驗出發(fā)，明確了每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深對表面粗糙度的影響規(guī)律，分析了最大未變形切削厚度和刀痕對表面粗糙度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）通過正交實驗分析，得出單晶硅微銑削表面粗糙度影響最顯著要素是每齒進(jìn)給量，其次是主軸轉(zhuǎn)速、軸向切削深度。在實驗參數(shù)fz=0.05～0.4μm/z，n=10 000～30 000 r/min，ap=5～15μm，獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)為fz=0.05μm/z，n=10 000 r/min，ap=5μm,此時Ra=0.138μm。

（2）表面粗糙度數(shù)值隨著最大未變形切削厚度的增大而增大。最大未變形切削厚度小于單晶硅脆塑性轉(zhuǎn)變臨界厚度時，可實現(xiàn)延性切削。