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单晶硅高速走丝电火花线切割试验研究

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第40卷第6期2008年12月 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Jou rnal of N an jing U n iversity of A eronau tics &A stronau ticsV o l .40N o.6　D ec .2008单晶硅高速走丝电火花线切割试验研究刘志东　汪　炜　邱明波　田宗军　黄因慧(南京航空航天大学机电学院,南京,210016)摘要:研究了基于复合工作液的高速走丝电火花线切割(W EDM 2H S )对单晶硅切割的形貌特征及工艺规律。

试验表明W EDM 2H S 对低电阻率单晶硅切割具有效率高、切缝窄、厚度薄且无明显表面微裂纹等特性,在硅表面放电凹坑内由于高温电解作用会形成密集、壁面光滑且高深径比的微孔洞结构。

该工艺将在宏观方面为单晶硅大尺寸超薄高效切割,在微观方面为在单晶硅上加工出具有高深径比微孔洞结构提供研究思路。

关键词:电火花;硅;复合工作液;高效切割;微孔中图分类号:T G 661 文献标识码:A 文章编号:100522615(2008)0620758205　基金项目:江苏省高技术研究计划(BG 2007004)资助项目。

　收稿日期:2007207217;修订日期:2007209207　作者简介:刘志东,男,副教授,1966年3月生,E 2m ail :liuti m @nuaa .edu .cn 。

Exper i m en ta l Research of W EDM -HS on M onocrysta l Sil icon Cutti ngL iu Z h id ong ,W ang W ei ,Q iu M ing bo ,T ian Z ongjun ,H uang Y inhu i(Co llege of M echanical and E lectrical Engineering ,N anjing U niversity of A eronautics &A stronautics ,N anjing ,210016,Ch ina )Abstract :M o rp ho logy featu re and p rocessing ru le of cu t m ono 2crystal silicon (m c 2Si )based on com p lex dielectric flu id u sed in w ire cu t electric discharge m ach in ing w ith h igh traveling speed (W EDM 2H S )is re 2searched .T he resu lt show s that W EDM 2H S p rocesses on m c 2Si w ith low resistivity have good charac 2teristics of the h igh efficiency ,th in th ickness ,narrow gap ,no obvi ou s su rface m icro 2crack s ,and den se m icropo rou s w ith s m oo th w all and h igh aspect rati o becau se of h igh 2tem peratu re electro lysis on su rface discharge den ts .L arge size and u ltra 2th in m c 2Si cu tting is innovated in the m acro scop ic aspect .T he p ro 2cessing m icropo rou s structu re w ith h igh asp ect rati o on silicon m aterials is developed on the m icro scop ic asp ect .Key words :w ire 2EDM (electric discharge m ach in ing );m ono 2crystal silicon ;com p lex dielectric flu id ;h igh efficiency slicing ;m icropo ro sity引 言目前硅片切割方法主要有:内圆切割(I D saw )和多线切割(W ire saw ),切割原理分别如图1,2所示。

而电火花线切割(W EDM )硅片切割技术则是目前国外硅片切割研究的一种新方法,低速走丝电火花线切割(W EDM 2L S)硅片切割技术在国外已有报道[126]。

表1概括了上述3种方法切割硅片的性能对比[126]。

由表1可以看出,由于W EDM 2L S 加工是利用图1　硅片内圆切割原理图工件和电极丝之间的脉冲性火花放电,产生瞬间高图2　硅片多线切割原理图温使硅材料局部熔化或气化从而达到加工目的。

它是一种与晶向无关、非接触、宏观加工力很小的加工方式,理论上讲,采用W EDM2L S切割,硅片厚度可以达到很薄,与内圆切割和多线切割相比, W EDM2L S方法在硅片最小切割厚度及减少翘曲方面具有较大的优势。

并通过试验证明用线切割放电加工法得到的硅片总厚度变化(T TV)和弯曲程度(W arp)与多线切割的几乎一样,切缝造成的硅材料损失与多线切割法得到的数值相当[7]。

但国外的相关研究中均采用去离子水作为工作介质,单脉冲放电能量较大,硅片表面存在明显的显微裂纹,加工效率不高(最高切割效率<110mm2 m in)。

表1　三种硅片切割方法对比切割方法多线切割内圈切割电火花切割切割原理磨料研磨金刚石沉积刀片切磨火花放电材料电阻率8・c m0～∞0～∞0～10表面织构切痕剥落,破碎放电凹坑损伤层厚度 Λm25～3535～4015～25切割效率 (mm2 m in-1)180～360(单片时)30～6575～110切割硅片最小厚度 Λm250350250适合切割硅片高度 mm200～300<200200硅片翘曲轻微严重轻微切缝宽度 Λm150～210300～500280～290 (丝径250)切割片数多片单片单片或多片 目前作为硅片切割主流技术的多线切割其切割过程中仍是以金刚砂粒切磨硅材料,金刚砂切磨硅材料时必然会产生切削反力并使非刚性的钢丝线产生变形,然后释放变形,从而对脆性硅材料表面产生冲击,此外大尺寸硅材料切割时钢丝线还会受到冷却条件限制,上述因素都使得尺寸300mm 以上,厚度300Λm以下的大尺寸超薄硅片切割非常困难[122,8210]。

要使目前的大尺寸硅片切割厚度进一步降低,并减少切缝损耗,实现低成本高效切割,技术难度相当大。

所以开展大尺寸超薄硅片切割方法的创新研究,已成为当前晶硅产业降低生产成本和提高生产效率的迫切需求和国际研究热点。

高速走丝电火花线切割(W EDM2H S)是具有我国自主知识产权的电加工方式,具有较高的性价比以及使用方便等特点,初步试验结果表明: W EDM2H S对在电阻率数欧姆・厘米(8・c m)范围内的硅片切割具有明显的优势。

1　W EDM-HS硅片切割形貌分析111　试验设备、条件 本课题组在国内率先开展了硅片电火花电解复合切割研究,采用W EDM2H S,通过研究切割方式、工作液类型、电源及控制策略等因素对硅表面质量和加工效率的影响,以掌握减少切割表面显微裂纹及热影响区等关键技术为研究目标,进行了单晶硅(电阻率:01038・c m)切割的前期研究工作(目前最高切割效率>600mm2 m in)。

试验系统如图3所示,在传统的W EDM2H S机床上进行了如下改进措施:首先在运丝系统上增加电极丝导向器及电极丝恒张力装置,目的在于避免传统W EDM2H S 电极丝来回换向而产生的电极丝空间位置变化导致的硅片切割表面机械换向条纹的出现;其次由于传统W EDM2H S工作介质一般采用含油5%左右图3　W EDM2H S硅片切割试验系统示意图的乳化液,在放电加工时伴随着放电通道内10000℃以上的高温,乳化液中的矿物油将分解生成大量的高分子化合物,并与蚀除产物反应生成胶体状物质,这些物质将粘附在切缝内严重影响新鲜工作介质的进入及电蚀产物的排出,并使两极间工作介质不能正常流动,导致切割速度下降,工件表面加工质量恶化,电极丝损伤,耐用度下降,严重时引起电957第6期刘志东,等:单晶硅高速走丝电火花线切割试验研究极丝烧断。

一旦断丝,将在硅片表面产生接痕,导致硅片报废。

因此为克服使用乳化液在硅片切割时产生的上述问题,已经研发出具有良好洗涤能力的复合工作液[11],该工作液能在切割时使放电间隙内均匀地充满工作介质,维持极间冷却的均匀性,同时进一步提高切割效率和切割厚度并使得在正常使用寿命范围内不断丝;第三,复合工作液具有较高的电导率,在配比1∶15时其电导率为115m s ・c m 21,而乳化液在同配比时电导率为0118m s ・c m 21,因此复合工作液可以在放电切割的同时对硅片表面进行较强的电解复合加工,采集到的使用复合工作液的典型极间加工波形如图4所示,可看出在正常加工情况下,有较多比例的脉冲起到电解复合加工的作用。

图4　复合工作液硅片切割加工波形图112　微观形貌分析试验中还进行了W EDM 2L S与W EDM 2H S 对单晶硅切割的对比试验,切割后表面显微照片如图5,6所示。

图5　W EDM 2L S 硅片切割表面形貌由图5可看出采用去离子水为工作介质的W EDM 2L S 切割后硅片的表面粗糙、松散并存在明显显微裂纹。

图6是W EDM 2H S 采用复合工作液切割后形成的表面微观形貌,可看出硅片表面完整性较好,无明显显微裂纹,且由于工作介质具有较高的电导率,在电火花加工的同时可以对硅表面起到较强的电解复合加工作用,从而达到提高表面平整性,减少热影响区的目的。

在图6中还发现,表面在放电凹坑内还存在密集、壁面光滑且较小的二次孔洞,其放大的显微照片如图7所示,垂直加工面剖开后侧面的显微照片如图8所示。

可观察到形成的二次孔洞直径可以小于1Λm (图7),从图8剖面照片可以看到,在表面产生的二次孔洞已穿透侧面,因此其深度大于10Λm,由于形成的孔洞壁面十分光滑,因此初步分析认为这主要是在电火花放电加工的同时,由于复合工作液较强的电解作用并伴随着在很高温度环境下产生的局部高温电解复合加工的结果。

图6　W EDM 2H S 硅片切割表面形貌图7　硅片表面放电凹坑内二次孔洞结构图8　硅片剖面具有高深径比微孔群因此该种电火花电解复合加工的原理有可能会形成一种在硅材料上加工出具有高深径比微孔的新工艺,为开发并制造出具有大深宽比和真三维结构的微型硅材料器件提供一种有参考价值的加067南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第40卷工方式。

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单晶硅线切割技术及切削液的分析研究

单晶硅线切割技术及切削液的分析研究

型的切削液意义重大。
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直径 １５ ） ７ ｕ 怎样从一 ｍ 图１ 是线切割技术工艺过程的示意图， 图中示意了一根单线 （ 载线器”的一种储线设备 个线轮到另一个线轮缠绕的情况。在中间部分，切割线从称为 “
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第十四届全国半导体集成电路、 硅材料学术会议
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（）冷却作用 ２ 切削剂的冷却作用是通过液体气化的对流， 汽化将切削产生的热量迅速从切削区带走 来实现的。从对切削冷却过程试验发现， 冷却效果与切削剂的导热系数， 汽化所吸收的热 量、比热、 汽化速度、液体流量、流速等密切有关。 而流速与液体粘度、压力有关。由于 水的导热系数和比热大、流速快、汽化吸收的热量多 （ 见表 １０ ） 表 １水基类 油类性质的对 比表
需定期更换线锯及排线轮。
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现在的线切割设备可以 在从四个方向同时加工四根硅棒。 这样相比于内径切割， 线切 害技术大大提高了生产量。由于切割线很细，因此使用线切割所造成的切削损耗很小。 Ｊ 此 外，线切割非常适用于未来的大直径硅片加工，因为，线切割的加工能力对硅棒直径要求 的限制不是很明显，而仅取决于切割线网及整个传导系统中导线轴的间距。 线切割的成功率要求很高， 一旦发生断线， 会浪费整根单晶硅棒。 且线切割成本较高，
ｌｉ ｔ ｎｌ ｙ ｉｎ ｅ ｃ ｏ ｎ Ｓｕ ｙ ｗ ｉ ｅ一ａｗ ｓｃ ｇ ｈ ｏ ｇ ａｄ ｔｄ ｏ ｒ ｓ ｎ ｓｃ ｇ ｉｆｒ ｃｎ ｌｉ ｆ ｄ ｓｉ ｉｎ ｌ ｏ ｉ ｏ ｕ ｌ
电火花线切割实验报告

电火花线切割实验报告

电火花线切割实验报告一、实验目的：1.学习电火花线切割的工作原理；2.掌握电火花线切割的操作技巧；3.理解电火花线切割的应用领域和优势。

二、实验器材和设备：1.电火花线切割机；2.电火花线切割线；3.工件；4.相关工具和保护设备。

三、实验步骤：1.配置好电火花线切割机，确认电源接通；2.将工件固定在切割平台上，调整好切割位置；3.根据需要，设置合适的切割参数，包括电流、电火花线张力和切割速度等；4.打开电火花线切割机，调整好切割距离和切割速度；5.开始切割，注意观察切割过程并及时调整参数；6.切割完成后，关闭电火花线切割机，清理并整理好实验现场。

四、实验结果和讨论：1.通过实验观察，发现电火花线切割能够高效、精确地切割金属工件，且切割面平整光滑；2.实验中发现，电火花线切割的参数设置对切割效果有重要影响。

例如，电流过大会导致工件过热，电火花线张力过低则容易折断；3.在实验过程中，我们发现电火花线切割适用于各种形状和材质的金属工件，具有广泛的应用领域；4.实验中还了解到电火花线切割具有无接触、不受切割对象硬度限制等优点，适用于特殊材料和复杂形状的切割需求。

五、实验总结：通过这次实验，我们了解了电火花线切割的工作原理和操作技巧，也学到了一些切割参数的调整方法。

电火花线切割作为一种先进的金属加工技术，具有高效、精确、无接触的特点，适用于各种形状和材质的金属工件切割。

在实际应用中，我们需要根据具体情况合理调整切割参数，以获得最佳切割效果。

同时，我们也需要注意实验中的安全问题，将保护设备和规范操作作为重要环节。

通过这次实验，我们对电火花线切割的原理和应用有了更深入的理解，为将来的实际应用提供了一定的基础。

电火花 线切割实验报告

电火花 线切割实验报告

数控电火花线切割加工演示实验班级学号姓名成绩一、实验目的1.了解数控线切割机床加工的原理、特点和应用以及编程方法和格式。

2.了解计算机辅助加工的概念和加工过程。

3.熟悉数控线切割机床的操作方法。

二、实验原理线切割机床加工的基本原理是：利用一根运动着的金属丝（直径为0.02～0.3mm的钼丝或黄铜丝）作为工具电极，在金属丝与工件间施加脉冲电流，产生放电腐蚀，对工件进行切割加工。

工件接高频脉冲电源的正极，电极丝接负极，即采用正极性加工，电极丝缠绕在储丝筒上，电机带动储丝筒运动，致使电极丝不断地进入和离开放电区域，电极丝与工件之间浇注工作液介质。

当电频脉冲电源通电后，随着工作液的电离、击穿，形成放电通道，电子高速奔向正极，正离子奔向负极，于是电能转变为动能，粒子间的相互撞击以及粒子与电极材料的撞击，又将动能转变为热能。

在放电通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度，使工作液介质汽化、热裂分解、金属材料熔化、沸腾、汽化。

在热膨胀、局部微爆炸、电动力、液体动力等综合作用下，蚀除下来的金属微粒随着电极丝和移动和工作液的冲洗而被抛出放电区，于是在金属表面形成凹坑。

在脉冲间隔时间内工作液介质消电离，放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复了工作液的绝缘性。

由于加工过程是连续的，步进电机受控系统的控制，使工作台在水平面沿两个坐标方向伺服进给运动，于是工件就逐步被切割成各种形状。

三、实验仪器与设备1、计算机2、线切割机床四、实验内容简述1. 现场熟悉数控电火花快走丝线切割机的控制组件及功能2. 练习数控电火花快走丝线切割机的开关机操作3. 进行数控电火花快走丝线切割机电极丝的安装及调整操作(1) 电极丝的绕丝、紧丝操作具体步骤如下：①将购回的丝盘上的电极丝绕在储丝筒上；②使储丝筒移动到其行程的一端，把电极丝通过导丝轮引向储丝筒端部的螺钉处并压紧；③打开张丝电机启停开关，旋动张丝电压调节旋钮，调整电压表读数至电极丝张紧且张力合适；④旋转储丝筒，使电极丝以一定的张力逐渐均匀地盘绕在储丝筒上；⑤待储丝筒以至其行程的另一端时，关掉张丝电机启停开关，从丝盘处剪断电极丝并固定好丝头。

半导体硅材料的电火花加工技术研究

半导体硅材料的电火花加工技术研究

半导体硅材料的电⽕花加⼯技术研究半导体硅材料的电⽕花加⼯技术研究王振龙　夏良俊　赵万⽣(哈尔滨⼯业⼤学机电⼯程学院,⿊龙江哈尔滨150001)摘要:从硅材料的物理性能出发,分析其微细电⽕花加⼯的可⾏性。

对未掺杂单晶硅和掺杂N型硅进⾏了电⽕花加⼯⼯艺试验,得出了掺杂N型硅有很好的微细电⽕花加⼯性能的结论。

硅材料在电⽕花加⼯机理上除了熔化与汽化外,还有⽐较明显的热剥蚀作⽤。

因此提⾼硅表⾯加⼯质量,必须将单脉冲放电能量控制得尽可能的低。

关键词:电⽕花加⼯;硅;微三维结构半导体材料硅在微观尺度上所显⽰出的⼀系列优异性能,奠定了其在微型机械制造中的主导地位,其加⼯技术在M EMS中起着举⾜轻重的作⽤。

⽽在当前,⼏乎所有的硅微零件的制造都是采⽤微电⼦的⽣产技术,如蚀刻、沉积、影印光刻等,加⼯技术的重点主要放在平⾯微观结构上。

随着⼈类社会对微型机械需求的⽇益迫切,可以想象未来微机械的发展⽔平在很⼤程度上将取决于微⼩三维器件的成功制作与性能集成上。

开发能制造出具有⼤深宽⽐和真三维结构的实⽤的加⼯技术已经成为M EMS技术的重要研究⽅向。

为了满⾜这种需求,⼈们对多种新颖的具有挑战性的微细加⼯技术进⾏了⼴泛的研究[1]。

电⽕花加⼯是利⽤⼯件和⼯具电极之间的脉冲性⽕花放电,产⽣瞬间⾼温使⼯件材料局部熔化或汽化,从⽽达到加⼯的⽬的[2]。

它是⼀种与晶向⽆关的、⾮接触、宏观加⼯⼒很⼩的加⼯⽅式。

近年来,微细电⽕花加⼯技术的加⼯范围⽇益拓宽、加⼯尺度也⽇趋微细,在微三维结构制作⽅⾯显⽰出了极⼤的潜⼒。

1　硅的物理性能硅有⽆定形(⾮晶硅)和结晶形两种同素异形体[3]。

⽆定形硅呈棕⾊粉末状,密度2.35g/cm3。

化学性质活泼,不导电,⽤途较少。

结晶形硅在固体时呈现灰⾊,并具有⾦属光泽,质坚且脆,其貌似⾦属。

结晶硅可分为单晶硅和多晶硅两种。

单晶是指整个晶体内原⼦都是周期性的规则排列;⽽多晶是指在晶体内各个局部区域⾥原⼦是周期性的规则排收稿⽇期:2003-10-30第⼀作者简介:王振龙,男,1963年⽣,教授、博⼠⽣导师。