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超声辅助金刚石线锯切割单晶硅复合加工机理及试验研究

2020-12-02阅读(178)

超声辅助金刚石线锯切割单晶硅复合加工机理及试验研究

论文摘要

随着电子芯片行业的高速发展,对单晶硅切片的效率和质量要求同时大幅提升,现有锯切工艺已无法满足要求。目前大量学者通过试验研究发现了超声振动辅助金刚石线锯对于切割硬脆材料具有高精度高效率等多种优点,但对于超声振动如何影响锯切力以及工件表面形貌等加工机理还缺乏比较深入的理论研究,因此本文对横向超声振动辅助固结金刚石线锯锯切单晶硅的加工机理进行了深入的理论和试验研究。主要研究工作有:对超声激励下的轴向运动金刚石线锯振动特性进行了理论建模研究。随后通过该模型证明了线性振动假设的合理性。此外还证明了线锯往复运动对于切割点的振动响应没有影响,据此推导了超声激励下线锯表面任意单颗磨粒的运动轨迹。对超声激励下的锯切力进行了理论建模与研究。在微观层面上结合普通线锯的单颗磨粒锯切力模型和冲击载荷模型,提出了超声振动激励下的单颗磨粒锯切力模型,并采用有限元方法进行了验证。随后根据磨粒在线锯表面的宏观分布统计规律,推导出了宏观层面的多颗粒线锯总锯切力计算公式。对超声激励下的工件表面形貌形成机理进行了深入研究。提出了一种基于动态轮廓采样法的超声振动辅助金刚石线锯锯切工件表面形貌仿真方法。首先建立金刚石线锯表面形貌模型,然后推导了线锯表面任意磨粒的轨迹方程,引入了创新的动态轮廓采样方法。建立简化的工件材料脆塑混合去除模型,对动态轮廓采样方法进行了修正,最终得出了工件表面形貌的仿真结果。在多组工况下分别对超声振动辅助金刚石线锯锯切和普通金刚石线锯锯切进行了试验研究。试验结果表明,超声振动辅助锯切的锯切力比普通锯切减小了25.91%~42.13%。锯切力的理论值和试验值的平均误差为7.50%,验证了锯切力理论模型的准确性。施加超声振动后,工件表面形貌获得改善,工件表面粗糙度值平均降低18.89%。工件表面形貌的实测结果与仿真结果特征相似,实测与理论工件表面粗糙度值的平均误差为6.64%,验证了工件表面形貌仿真理论模型的准确性。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 单晶硅材料介绍
  •   1.3 单晶硅等硬脆材料的线锯切割技术发展现状
  •     1.3.1 游离磨粒线锯切割技术
  •     1.3.2 固结金刚石磨粒线锯切割技术
  •     1.3.3 纵向超声振动辅助金刚石线锯切割技术
  •     1.3.4 横向超声振动辅助金刚石线锯切割技术
  •     1.3.5 工件进给技术
  •   1.4 金刚石线锯切割硬脆材料的机理研究现状
  •     1.4.1 金刚石线锯锯切力的研究
  •     1.4.2 金刚石线锯加工工件的表面质量研究
  •   1.5 本文的研究内容
  • 第二章 横向超声激励下的金刚石线锯振动系统建模及分析
  •   2.1 基于弦线横向振动理论的线锯动力学方程
  •     2.1.1 固定弦线的横向振动方程
  •     2.1.2 运动弦线的横向振动方程
  •   2.2 线锯动力学方程的适用条件分析
  •     2.2.1 线锯线性振动假设的合理性分析
  •     2.2.2 线锯往复运动模式对线锯振动特性的影响分析
  •   2.3 横向超声激励下锯切区域内的磨粒轨迹分析
  •     2.3.1 工件旋转点切割锯切区域模型的建立
  •     2.3.2 工件坐标系下的金刚石磨粒轨迹方程
  •     2.3.3 锯切区域内的磨粒运动轨迹仿真分析
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅的锯切力理论建模与分析
  •   3.1 金刚石线锯切割硬脆材料的宏观锯切力产生机理
  •   3.2 基于冲击载荷效应的超声锯切单颗磨粒微观磨削力模型
  •     3.2.1 普通锯切单颗磨粒的微观磨削力模型
  •     3.2.2 冲击载荷模型的建立
  •     3.2.3 冲击载荷效应对单颗磨粒微观磨削力的影响
  •   3.3 基于ABAQUS的超声锯切的单颗磨粒微观磨削力仿真验证
  •     3.3.1 单颗磨粒微观磨削力理论结果
  •     3.3.2 单颗磨粒微观磨削力的有限元仿真结果
  •     3.3.3 理论结果和仿真结果的对比分析
  •   3.4 考虑多磨粒情况下的超声锯切宏观总锯切力
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅工件表面创成机理研究
  •   4.1 金刚石线锯表面形貌数学模型
  •   4.2 超声振动辅助金刚石线锯磨粒轨迹分析
  •     4.2.1 工件表面形貌坐标系的建立
  •     4.2.2 仿真区域内的线锯表面任意磨粒的运动轨迹方程
  •   4.3 金刚石磨粒磨削单晶硅的材料去除机理
  •     4.3.1 脆塑混合的去除模式
  •     4.3.2 材料去除模型的简化
  •   4.4 基于动态轮廓采样法的工件表面形貌仿真方法
  •     4.4.1 纯塑性去除模式下的仿真方法
  •     4.4.2 考虑脆塑混合去除模式的改进仿真方法
  •   4.5 工件表面形貌仿真结果
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 超声振动辅助金刚石线锯切割单晶硅试验研究
  •   5.1 超声振动辅助金刚石线锯加工试验装置与设备
  •   5.2 超声振动辅助金刚石线锯锯切单晶硅试验安排
  •   5.3 锯切力试验结果及分析
  •     5.3.1 线锯轴向速度对锯切力的影响分析
  •     5.3.2 工件进给速度对锯切力的影响
  •     5.3.3 工件旋转速度对锯切力的影响
  •   5.4 工件表面粗糙度值试验结果的分析
  •     5.4.1 线锯轴向速度对工件表面粗糙度值的影响
  •     5.4.2 工件进给速度对工件表面粗糙度值的影响
  •     5.4.3 工件旋转速度对工件表面粗糙度值的影响
  •   5.5 工件表面形貌试验结果及分析
  •     5.5.1 光学显微镜观察结果分析
  •     5.5.2 扫描电子显微镜观察结果分析
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 本文研究结论
  •   6.2 主要创新点
  •   6.3 研究展望
  • 参考文献
  • 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李德蔺

    导师: 王艳

    关键词: 超声振动,金刚石线锯,单晶硅,加工机理,冲击载荷,锯切力,工件表面形貌

    来源: 上海理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

    专业: 物理学,工业通用技术及设备,无线电电子学

    单位: 上海理工大学

    分类号: TN405;TB559

    DOI: 10.27308/d.cnki.gslgu.2019.000020

    总页数: 104

    文件大小: 6715k

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