单晶硅放电加工蚀除机理及试验研究

摘要

随着科技的迅速发展，单晶硅作为最常用的半导体材料在许多高技术领域中具有不可替代的作用，但单品硅由于其脆性造成了在机械加工中出现加工效率低、表面完整性差、加工成本高及加工损伤等制造难题。本课题组利用电火花技术进行了加工试验，发现单晶硅在蚀除机理上与金属有很大不同。本文基于仿真和加工试验，提出单晶硅放电加工蚀除机理，并在此机理的基础上，开展单晶硅放电加上表面粗糙度和相对电极损耗的研究。
　　 主要研究内容如下：
　　 (1)在工艺试验的基础上，提出了单晶硅电火花加工蚀除机理假设，确立热应力在其放电蚀除过程中占主要作用，利用ANSYS进行仿真，并用试验进行了验证。建立了单品硅放电模型，利用有限元法模拟了单脉冲放电下的温度场及热应力场分布，计算出其在温度场和热应力场作用下的蚀除量，并与实际放电切割蚀除量对比，结果表明实际蚀除量近似等于其在模拟的温度场与热应力场蚀除量之和，验证了单晶硅放电加工蚀除机理的假设；并利用仿真对蚀除凹坑的深径比和相对电极损耗进行了研究。
　　 (2)表面粗糙度是评估加工表面质量的重要特征参数，蚀除凹坑深径比的变化规律与表面粗糙度的变化规律一致。本文利用正交试验在WEDM机床上对单晶硅放电加工的表面粗糙度进行了研究，采用正交试验一方面可以得到各个参数对表面粗糙度的影响规律，与仿真进行对比，仿真和试验结果得剑了很好的吻合，另一方面可以得剑一组最佳工作参数，使得工件的表面粗糙度达剑最低。
　　 (3)在电火花成型加工过程中，工具电极的损耗是影响工件几何形状精度的主要因素之一。在自主开发的电火花加工装置上采用铜电极和钼电极进行了金属铜和单晶硅的放电加工试验，发现单晶硅的相对电极损耗远远低于金属铜，说明可以进行电极低损耗甚至无损耗研究；并研究了电压、脉宽、占空比、是否冲液等几个因素对单晶硅放电加工相对电极损耗的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

图、表清单

第一章 绪论

1.1 半导体加工方法概述

1.1.1 传统加工方法

1.1.2 硅片电火花高效加工方法概述

1.2 电火花加工原理及基础理论研究进展

1.2.1 电火花加工基本原理

1.2.2 金属材料放电加工基础理论研究进展

1.3 有限元仿真在电火花加工中的应用

1.3.1 有限元仿真在EDM温度场中的应用

1.3.2 有限元仿真在EDM热应力场中的应用

1.4 本课题研究目的及主要内容

1.4.1 课题的提出

1.4.2 论文结构及主要研究工作

第二章 主要试验设备介绍

2.1 电火花线切割加工机床

2.1.1 电火花线切割机床改造

2.1.2 新型复合工作液

2.2 电极损耗研究试验装置

2.2.1 试验平台

2.2.2 电源设计

2.2.3 伺服进给系统

2.3 其它实验设备

2.4 本章小结

第三章 单晶硅放电蚀除机理研究

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 放电能量的分析

3.1.2 放电通道半径估算

3.1.3 热源模型

3.1.4 物理模型的建立

3.1.5 初始和边界条件

3.1.6 材料的选取与建模

3.2 求解与分析

3.3 实验验证

3.4 蚀除凹坑变化规律

3.4.1 蚀除凹坑在径向半径和轴向深度方向的大小

3.4.2 蚀除凹坑随参数变化规律

3.5 蚀除凹坑的宏观表现

3.5.1 深径比与表面粗糙度

3.5.2 相对电极损耗

3.6 本章小结

第四章 单晶硅放电加工表面粗糙度研究

4.1 单品硅放电加工表面粗糙度模型

4.2 正交试验设计

4.2.1 正交试验设计理论

4.2.2 正交试验方案

4.2.3 试验结果分析

4.3 因素与指标关系图

4.4 仿真与试验结果对比

4.5 本章小结

第五章 单品硅放电加工电极损耗研究

5.1 电极损耗及在金属材料放电加工中的研究

5.1.1 电极损耗

5.1.2 金属材料放电加工中的电极损耗研究

5.2 单晶硅放电加工相对电极损耗试验

5.3 单晶硅与金属铜放电加工工具相对电极损耗对比试验

5.4 单晶硅放电加工工具电极相对损耗随参数变化规律

5.4.1 脉冲宽度对相对损耗量的影响

5.4.2 占空比对相对损耗量的影响

5.4.3 电压对相对损耗量的影响

5.4.4 冲液对相对电极损耗的影响

5.5 仿真值与试验值对比图

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文