磨削方式對單晶硅表面磨削溫度的影響-中文翻譯

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磨削方式對單晶硅表面磨削溫度的影響摘　要: 研究金剛石砂輪磨削單晶硅片時的表面磨削溫度. 針對平形砂輪和杯形砂輪兩種不同平面磨削方式所產(chǎn)生的表面磨削溫度特點進(jìn)行了比較分析. 對砂輪粒度和磨削深度對這兩種平面磨削方式的表面磨削溫度的影響進(jìn)行了試驗研究, 得到了一些有意義的試驗結(jié)果和結(jié)論.關(guān)鍵詞: 表面磨削溫度, 平形砂輪, 杯形砂輪, 單晶硅在硅晶片加工技術(shù)已逐漸成為近幾年來大力發(fā)展的項目之一的今天，隨著大尺寸硅片生產(chǎn)成功，世界各地的研究者們在對硅片的加工技術(shù)發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠矫娓冻隽烁嗟木Ω鶕?jù)韌性和脆性材料磨削的原則，在大尺寸硅片精密加工已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展并獲得成功，方法就是通過采用杯形砂輪表面研磨技術(shù)，這是一個高效率的精密加工方法，并已廣泛應(yīng)用于對脆性材料加工領(lǐng)域。為防止硅片燒毀，表面磨削溫度的研究工作就顯得不可忽略。前人對表面磨削溫度研究的大部分主要是集中在圓盤砂輪加工工藝方面。對于這兩個不同的加工原則，有一些表面磨削溫度的區(qū)別，因此有必要了解杯形砂輪和圓盤砂輪磨削加工工藝不同的表面磨削溫度。與此同時，有關(guān)的研究工作對于杯形砂輪磨削技術(shù)的應(yīng)用是很有意義的。1、杯形砂輪和圓盤砂輪表面磨削技術(shù)的比較圖 1 顯示了圓盤砂輪表面磨削技術(shù)。車輪和工件之間的接觸長度是與磨削深度、磨削方向和多變的研磨參數(shù)密切相關(guān),而且對磨削熱有著十分重要的影響。熱源強(qiáng)度會隨著接觸長度的變化而變化。圖 2 顯示了杯形砂輪表面磨削技術(shù)。車輪和工件之間的接觸長度與磨削方向和磨削深度很少有關(guān)系。對于一個給定的砂輪, 在某一磨削深度范圍，接觸長度保持常值。移動熱源的原因被認(rèn)為是一種線性源基于傳統(tǒng)磨削熱理論,因而, 在其圓弧代替激光束的矩形磨削區(qū)域，這一理論不適合與杯形砂輪磨削加工。因此,杯形砂輪的磨削熱模型也應(yīng)建立起來以迎合這項新技術(shù)需要。2.實驗方法、儀器和條件2.1 實驗方法表面磨削溫度通過使用熱電偶測量。熱電偶由兩片薄 0.1 毫米厚度的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶絲制成，并被夾在兩個工件中間，且與工件絕緣。當(dāng)砂輪研磨工件表面，兩片熱電偶在工件表面的終點可焊接在一起作為一個節(jié)點。由于這個節(jié)點體積小，熱容量足夠小。如果放大和記錄儀器的反應(yīng)速度足夠快，那么響應(yīng)時間極短。真正的磨削溫度可以精確地測量計算不通過進(jìn)一步的演繹計算。2.2 儀器圖 3 顯示了實驗系統(tǒng)。工件的熱電偶導(dǎo)線連接直流放大器，使信號放大 100--1 000 倍。這些信號由一個數(shù)字實時示波器進(jìn)行分析，并由計算機(jī)記錄。那一刻執(zhí)行的磨削深度通過微進(jìn)給系統(tǒng)保持在每步 1 微米，微進(jìn)給系統(tǒng)是由我們自己的實驗室制造的。進(jìn)給原理如圖 3 所示計算機(jī)提供精確的數(shù)字信號放大器。被放大的信號傳輸?shù)揭粋€壓電晶體進(jìn)行微進(jìn)給。2.3 實驗條件標(biāo)簽 1 顯示了圓盤砂輪的實驗條件，而標(biāo)簽 2 杯形砂輪。標(biāo)簽 1 設(shè)備及圓盤砂輪表面磨削參數(shù)研磨機(jī) 赫茲- 63 水平平面磨床砂輪 樹脂結(jié)合劑金剛石外形：直板Φ300 毫米×25 毫米 240＃，W10工件單 晶硅 25 毫米×10 毫米×5 毫米磨削液 無標(biāo)簽 2 設(shè)備及杯形砂輪表面磨削參數(shù)車床 磨床 CG6125A砂輪 樹脂結(jié)合劑金剛石形狀：杯形外徑 Φ100 毫米內(nèi)部直徑 Φ90 毫米磨料尺寸 120＃，W28，W10工件 單晶硅 25 毫米×10 毫米×5 毫米磨削液 水基冷卻液3 實驗結(jié)果3.1 比較圓盤砂輪和杯型砂輪產(chǎn)生的表面磨削溫度圖 4 顯示了實時記錄圓盤砂輪硅片電熱電壓信號的波形直輪（W10）。磨削參數(shù)，磨削深度 3 微米，工作臺速度 20 米/分，翻孔和干磨。該磨削電熱電壓脈沖，持續(xù)時間從快速上升到后來逐漸變?yōu)槌掷m(xù) 0.02 至 0.03 秒，這一結(jié)果表明，高磨削溫度變動對任何硅片只持續(xù)相當(dāng)短的時間?？焖俚墓ぷ髋_使得圓盤磨削砂輪表面快速通過磨削工藝磨削區(qū)。細(xì)微的燒傷可在工件表面發(fā)現(xiàn)。圖 5 顯示了硅晶片的電熱電壓信號波形是根據(jù)杯形砂輪確定的（W28）。磨削參數(shù)如下：磨削深度為 10 微米，工作臺進(jìn)給速度為 12 毫米/分鐘，冷卻液占線。相較于圖 4，電熱電壓信號波形持續(xù)約 12.5 由上升至下降。顯然，在磨削過程中杯形砂輪高溫持續(xù)時間是一樣長的圓盤砂輪的數(shù)百倍較.較長時間的持續(xù)高溫，更會影響工件的質(zhì)量。一個互補(bǔ)實驗，其中條件類似圖 4，除了冷卻液，從而進(jìn)一步來證明上述結(jié)論。嚴(yán)重的結(jié)果出現(xiàn)了：極端高溫，工件表面的裂縫，和工件與支撐之間的膠粘劑燒焦。這些實驗結(jié)果表明，冷卻液是必不可少在杯形砂輪磨削過程中，應(yīng)采取一些適當(dāng)?shù)姆椒?，如降低杯子的輪寬，選擇一個合適的冷卻液和砂輪修整的時間，以減少磨削熱的產(chǎn)生。3.2 圓盤砂輪在磨削過程中的實驗現(xiàn)象和分析 表面磨削火花磨削溫度進(jìn)行了測試，觀察期間的粉磨系統(tǒng)中的實際磨削深度逐漸減小到零彈性恢復(fù)過程中表面磨削溫度的法律。在此研磨過程中，材料去除機(jī)理可能會有變化，有一些表面上的磨削溫度的影響。圖 6 顯示了磨削溫度，引發(fā)出次表面的關(guān)系。隨著出火花次數(shù)的增加，表面磨削溫度一步一步分解，最后到穩(wěn)定狀態(tài)。從實驗結(jié)果，我們有下面的討論。首先，在第六次出火花的研磨時間，表面磨削溫度升高異常。類似的測試重復(fù)3 次，以避免可能的錯誤。目前的測試顯示在同一時間出現(xiàn)相近異常的結(jié)果。這可能由于一些因素，如熱電偶節(jié)點異常接觸造成的結(jié)果等等，我們將結(jié)果歸結(jié)于材料去除機(jī)理的變化。當(dāng)實際的火花磨削深度隨著磨削次數(shù)減小，材料去除機(jī)理由韌性模式轉(zhuǎn)向脆性模式。在這個過程中，磨削力和溫度將有重大變化。研究結(jié)果還表示，該韌性模式已經(jīng)與磨粒度沒有密切關(guān)系。另外提供適當(dāng)?shù)臈l件，粗晶粒尺寸砂輪也可以實現(xiàn)韌性模式研磨。由于粗磨輪周圍的磨粒比較少，所以使得粗磨輪表面的粗糙度比細(xì)磨粒的粗糙度大。其次，根據(jù)圖 6，表面磨削溫度往往在第六個火花磨削加工后出現(xiàn)穩(wěn)定值。這就是說，也許沒有任何從工件表面被刪除的材料。因此，存在一個時間限制火花硅片出磨。它是超過極限的，是無用的。最后，在第六次出火花的磨削工藝中，表面溫度也可以進(jìn)行測試，即使它實際上是毫無意義的。經(jīng)測試溫度保持不變，甚至對整個第六十次出火花磨削。研磨電熱電壓曲線測量圖如圖 7 所示。與圖 4 的對比，顯然，電熱電壓曲線這兩種完全不同的。這一事實從一個放熱峰的電壓變化曲線為多峰表示，該磨削熱是由單個顆粒產(chǎn)生。雖然，沒有實際磨削深度，沒有材料去除，砂輪和工件接觸正在刨傷或刮傷的形式。還有磨削熱轉(zhuǎn)化成一定的能量。為了驗證中的每個從單一的磨性多峰曲線結(jié)果高峰期，高峰之間的數(shù)量關(guān)系和工件工作臺進(jìn)給速度觀察的假設(shè)，如圖 8 所示。進(jìn)給速度越快，則波峰數(shù)目越少。這是因為砂輪與工件之間的接觸時間會隨著進(jìn)給速度增加而減少，所以，磨粒數(shù)導(dǎo)致研磨過程變短。有效磨粒數(shù)可以通過此方法可在火花磨削工藝中進(jìn)行測量。3．3 磨削粒度和磨削深度對表面磨削溫度的影響3.3.1 表面磨削溫度由圓盤砂輪造成圖 9 顯示了表面磨削溫度的硅晶片和磨削參數(shù)，包括晶粒尺寸，磨削深度，降低了磨磨直輪實驗的關(guān)系。砂輪速度和進(jìn)給速度依然能保持恒定，那里的砂輪速度為 22.8 米/秒，進(jìn)給速度是 8m/分鐘。從圖 9 在相同的磨削深度，表面研磨輪由細(xì)晶溫度高于地面是由粗磨輪，其中在磨削力的相似關(guān)系是由其他學(xué)者觀察。雖然磨床磨削深度增加溫度升高面，提高率與顆粒大小不同。當(dāng)磨削深度小于 0.02 毫米為 240＃砂輪，磨削表面溫度上升緩慢。當(dāng)磨削深度超過 0.03毫米，表面磨削溫度急劇增加，導(dǎo)致燒傷的工件。作為一個磨（W10）輪，表面磨削溫度迅速增長在磨削深度為 0.005 毫米，但是，當(dāng)磨削深度為大于 0.01 毫米，研磨過程是不穩(wěn)定的，表面磨削溫度急劇增加，和工件燒傷被發(fā)現(xiàn)。3.3.2 由杯形砂輪引起的表面磨削溫度杯形砂輪速度和工件進(jìn)給速度是恒定的。實驗條件列于標(biāo)簽 2。杯形砂輪的轉(zhuǎn)速為 1500r/ min 時，工件進(jìn)給速度為 12 毫米/分鐘，磨削深度變動范圍為從0.001 毫米為 0.01 毫米。實驗結(jié)果顯示在圖 10 中。在同樣的圓盤砂輪磨削工藝過程中，磨削表面由細(xì)粒組成磨輪的溫度明顯高于由粗磨粒組成的磨輪。此外，冷卻液對杯形砂輪在磨削過程中有著至關(guān)重要的影響。沒有冷卻液，磨削熱將依然存在，并且在工件上積累，最后導(dǎo)致磨削過程的不穩(wěn)定性和工件燒傷。4.結(jié)論1）由杯形砂輪磨削高溫持續(xù)時間比圓盤砂輪磨削更長。冷卻液在減少高溫持續(xù)時間方面具有非常重要的作用。2）無論圓盤砂輪還是杯形砂輪，磨削面細(xì)顆粒溫度比磨削面粗顆粒高。3）有效的火花研磨次數(shù)對于圓盤砂輪有一定限制。在有效的火花研磨次數(shù)之后，有一定的能量轉(zhuǎn)換成磨削熱，這個過程可以持續(xù)很長時間。4）這個實驗裝置和方法可以反映在與圓盤砂輪火花磨削過程中的有效的磨粒數(shù)量。