环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究

论文摘要

随着半导体工业的飞速发展，单晶硅、超硬材料碳化硅晶体等在此领域得到广泛应用。且为了降低单元制造成本，要求芯片的直径不断增大。切片是芯片制造的一道重要工序，为解决大直径晶体及超硬材料，如碳化硅晶体等的切片问题，本文提出了环形电镀金刚石线锯切片这一新的加工技术。该技术具有切缝窄、锯切效率高、切片质量好、对环境污染小、能加工大直径工件和超硬材料等优点。通过对这一加工技术进行深入系统的试验研究和理论分析，揭示了加工工艺参数与加工质量、材料去除率间的关系，提出获得高加工质量的措施，为材料的精密、高效切片提供科学依据和技术支撑。 设计制造了环形电镀金刚石线锯加工机床。该机床直接用电主轴驱动主动轮带动锯丝运动，由变频调速器控制锯丝的速度。工作台安装在高精度直线导轨上，由砝码重力牵引工作台实现恒压力进给。整个机床结构简单，速度控制方便，工作可靠。 通过环形电镀金刚石线锯加工单晶硅和超硬材料LT55陶瓷的试验，研究了锯丝速度、恒进给压力、材料性质对材料去除率、锯切力、加工表面粗糙度、加工表面损伤层及锯丝磨损的影晌。为了提高材料去除率和加工质量，用正交试验法对加工工艺参数进行了优化。 根据锯丝的振动和锯丝的强度分析，确定了本试验的加工工艺参数的最佳范围。建立环形电镀金刚石线锯加工的振动方程，把锯切力作为随机力，深入研究了在锯切力作用下锯丝的随机振动，得出张紧力、锯丝速度与锯丝振动的关系。考虑锯丝的强度，为保证锯丝不被拉断，得出锯丝最大可承受的张紧力及恒进给压力。分析表明，在一定张紧力下，当锯丝速度小于一定数值时，速度增加对锯丝振动影响不大，所以环形电镀金刚石线锯锯丝的高速运转不会增加锯丝的振动；在锯丝速度一定时，张紧力增大，振动减小，但当张紧力增大到一定数值时，再增加张紧力，振动几乎没有变化，因此，只要在锯丝的强度范围内适当增加锯丝张紧力，即可减小振动；对于本文所用锯丝，其张紧力最大为40N，恒进给压力必须小于9.04N，对应的锯丝最高速度可达30m/s。但由于受机床精度的限制，本研究的锯丝速度最高为16m/s。 建立了环形电镀金刚石线锯加工单颗磨粒的最大切削厚度模型，根据模型和试验，对单晶硅和LT55陶瓷线锯加工的材料去除机理进行了深入研究。在本文的试验条件下，单晶硅和LT55陶瓷均为脆性去除。 建立了锯丝横截面上不同位置磨粒受力与总锯切力的关系，以此为基础，根据测量的单晶硅线锯加工时的锯切力，推出单颗磨粒的受力，把各个磨粒的受力

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的与意义
• 1.2 材料切片技术
• 1.2.1 金刚石内圆切片机切片技术
• 1.2.2 游离磨料线锯切片技术
• 1.2.3 固结金刚石线锯切片技术
• 1.3 锯丝速度的优化研究
• 1.4 材料去除机理的研究
• 1.4.1 脆性材料去除机理模型
• 1.4.2 脆性材料去除机理研究
• 1.5 加工质量研究
• 1.5.1 单晶硅加工损伤层研究
• 1.5.2 加工表面粗糙度的研究
• 1.6 本研究领域存在的主要问题
• 1.7 本课题研究的主要内容
• 第2章 环形电镀金刚石线锯加工试验研究
• 2.1 试验设备
• 2.1.1 环形电镀金刚石线锯加工机床的设计与制造
• 2.1.2 环形电镀金刚石线锯加工机床的运转调试
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 加工材料的性能特点
• 2.2.2 试验方案
• 2.3 加工表面微观形貌分析
• 2.3.1 加工表面微观形貌特点
• 2.3.2 与往复式固结金刚石线锯的比较
• 2.4 加工工艺参数对材料去除率的影响
• 2.5 加工工艺参数对锯切力的影响
• 2.5.1 加工工艺参数对切向锯切力的影响
• 2.5.2 加工工艺参数对法向力与切向力之比的影响
• 2.6 加工工艺参数对加工表面粗糙度的影响
• 2.7 锯丝速度对单晶硅加工损伤层的影响
• 2.7.1 损伤层测量方法
• 2.7.2 损伤层厚度与锯丝速度的关系
• 2.8 锯丝磨损
• 2.8.1 锯丝磨损量与锯丝速度的关系
• 2.8.2 磨粒磨损
• 2.8.3 镀层磨损
• 2.8.4 减少锯丝磨损的措施
• 2.9 加工工艺参数优化
• 2.9.1 正交试验指标、因素、位级的确定
• 2.9.2 正交试验及工艺参数优化
• 2.10 本章小结
• 第3章 加工工艺参数最佳范围研究
• 3.1 锯丝振动与加工工艺参数的关系
• 3.1.1 锯切力的随机性
• 3.1.2 振动微分方程
• 3.1.3 频率响应函数
• 3.1.4 随机响应
• 3.1.5 振动特性分析
• 3.2 锯丝强度与锯丝拉力的关系
• 3.2.1 锯丝的拉断
• 3.2.2 锯丝受力分析
• 3.2.3 防止锯丝拉断的条件
• 3.3 加工工艺参数最佳范围的确定
• 3.3.1 最大张紧力的确定
• 3.3.2 最大锯丝速度的确定
• 3.3.3 最大恒进给压力的确定
• 3.3.4 试验研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 环形电镀金刚石线锯加工材料去除机理
• 4.1 单晶硅和LT55陶瓷的结构和性能
• 4.1.1 单晶硅的结构和性能
• 4.1.2 LT55陶瓷的结构和性能
• 4.2 材料去除机理模型
• 4.3 环形电镀金刚石线锯加工时单颗磨粒的切削厚度
• 4.3.1 整个加工区单颗磨粒的最大切削厚度
• 4.3.2 锯丝横截面上不同位置磨粒的最大切削厚度
• 4.4 环形电镀金刚石线锯加工时的材料去除机理
• 4.4.1 加工表面微观形貌观察
• 4.4.2 单颗磨粒最大切削厚度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 单晶硅环形电镀金刚石线锯加工损伤层研究
• 5.1 单颗磨粒的锯切力与总锯切力的关系
• 5.1.1 锯切力的模型
• 5.1.2 单颗磨粒的锯切力公式
• 5.1.3 单颗磨粒的锯切力与总锯切力的关系式
• 5.2 锯丝横截面上不同位置磨粒的锯切力大小
• 5.2.1 锯丝上磨粒的分布
• 5.2.2 锯丝横截面上不同位置单颗磨粒锯切力的计算
• 5.3 单晶硅环形电镀金刚石线锯加工损伤层的有限元分析
• 5.3.1 有限元模型的建立
• 5.3.2 影响损伤层的磨粒个数的确定
• 5.3.3 有限元分析结果的提取
• 5.3.4 单晶硅环形电镀金刚石线锯加工损伤层厚度研究
• 5.4 加工工艺参数对单晶硅损伤层厚度的影响
• 5.4.1 恒进给压力下锯丝速度对损伤层厚度的影响
• 5.4.2 恒进给压力变化对损伤层影响的有限元预测
• 5.5 本章小结
• 第6章 环形电镀金刚石线锯加工表面粗糙度分析
• 6.1 锯丝形貌
• 6.1.1 磨粒形状
• 6.1.2 磨粒粒度大小和高度分布情况
• 6.1.3 单位面积磨粒数
• 6.2 加工表面的磨粒残留痕迹
• 6.2.1 加工表面的磨粒残留痕迹方程
• 6.2.2 加工表面两任意磨粒残留痕迹的交线
• 6.3 磨粒磨损的影响
• 6.4 加工表面粗糙度的建模分析方法和讨论
• 6.4.1 表面粗糙度建模分析的步骤
• 6.4.2 分析与试验验证
• 6.5 减小加工表面粗糙度的措施
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表