硬石材料线锯切割于化学元素分片表层品质的作用

硬石材料线锯切割于化学元素分片表层品质的作用 文章来源：中国切割机网

　
　　随着信息产业的迅猛发展，半导体材料已不仅仅局限于单晶硅一种，新型砷化镓（GaAs）也逐渐被开发利用，而且与传统的单晶硅材料相比，它具有电子迁移率高、禁带宽、直接带隙、消耗功率低等特性，可广泛用于通信、微电子、光电子等领域。
　　半导体材料的发展离不开切片工艺，其切片质量的好坏将直接影响后续工序的加工以及终加工质量。目前，对硬脆材料的切片常采用金刚石工具，主要有节块式金刚石圆盘锯、金刚石框架锯、金刚石带锯、金刚石串珠锯以及电镀金刚石线锯等。
　　国内外学者对脆性材料塑性域转变理论、塑性域切削表面形成机理、表面粗糙度及损伤层进行了深入研究。
　　BIFANO等应用金刚石压头对玻璃材料进行压痕实验，发现脆性材料可在微小的材料去除条件下从脆性破坏向塑性变形转变。陈明君等对单晶硅等脆性材料的超精密磨削加工的大量实验研究表明，选择高精度磨床，磨粒平均尺寸小于20m，采用合适的切削用量，磨削单晶硅等脆性材料时，可以在塑性模式下加工出高质量的光滑表面。事实上，由于加工工艺及设备的进步，当允许切削深度小于几个纳米时，使得脆性材料加工的去除机理是塑性流而非脆性破坏成为可能。
　　砷化镓为典型的脆性材料，机械加工性能较差，若加工方法选择不当，则会引起工件表层组织破坏，无法得到所需的形状及表面精度。为此，本文主要试验往复式电镀金刚石锯丝切割砷化镓，研究锯丝线速度、材料进给速度与切片表面形貌、表面粗糙度的关系，分析影响切割表面质量的因素，为提高表面质量确定优化的工艺参数。
　　1砷化镓晶体线切割实验本实验采用XD170型金刚石线旋转点切割机，锯丝运动方式为往复式，x，y轴移动平台由双直线导轨支撑，精密丝杠/步进电机驱动，单片机控制，进给速度可无级调节，在25mmin-118mmmin-1之间可控制切割厚度。y轴移动平台上装有二维旋转（水平方向360，垂直方向15）夹具，夹具上装有电机([url=http://www.jidianzb.com/news/detail/7080.html]剖析电机矢量控制法[/url])驱动、无级调速的可旋转的卡料机械手，可实现金刚石锯丝与料的点接1.缠绕锯绳筒；2.张紧支持轮；3.切割限位导轮；4.选择机械手及棒料；5.y轴二维夹具；6.金刚石锯丝；7.x轴移动平台触切割。因此，切割阻力不随切割深度变化而变化，使切割面面形一致而实现被切材料的平整度、平行度能够达到所需的技术指标。
　　本实验使用往复式电镀金刚石锯丝切割单晶砷化镓棒材，线锯加工机床的原理，锯丝直径为05mm，电镀金刚石磨粒平均直径为3040m，进给速度范围为063.0mmmin-1，线速度为03ms-1.
　　2结果与讨论21锯丝线速度和进给速度对表面质量的影响实验中使用的环形锯丝长度为200m，有效使用长度为20200m，切割工件为直径65mm砷化镓半圆棒。锯丝运动速度分别为08，25ms-1，进给速度分别为06，15，a.进给速度为06mmmin-1，线速度为25mmin-1，无沟槽；b.进给速度为25mmmin-1，线速度为08mmin-1，有沟槽-1，冷却介质为油。图2为往复式锯丝切割砷化镓表面的SEM照片。当进给速度较小、线速度较大时，切割表面平整，无崩碎现象，表面粗糙度较小，（a）所示；当进给速度较大、线速度较小时，切割表面则出现明显的切割沟槽，粗糙度较大，　采用AFM检测切割表面的粗糙度，表面粗糙度的范围为552126183nm，　表面粗糙度与线速度、进给速度之间的关系.金刚石线锯切割后的砷化镓纳米级的表面无须研磨，从而减少了后续工序的工作量。
　　a.进给速度为06mmmin-1，线速度为25ms-1，切割后的表面粗糙度为5521nm；b.进给速度为25mmmin-1，线速度为25ms-1，切割后的表面粗糙度为26183nm在线速度相同的情况下，随着工件进给速度的增大，表面粗糙度值显著增加，这与理论分析结果较一致。主要原因是：由于锯丝与工件之间的作用力增大，从而增大了磨料与加工表面的挤压、划擦等，锯丝变形也随之加大，这一点也可从加工表面纹理理论上认为：在同样的进给速度下，线速度越大，表面粗糙度越小，因为线速度增加使得单个磨粒的未变形切屑厚度减小。
　　但是本实验中当进给速度较大时，线速度的提高并不能明显减小表面粗糙度，这与理论分析不一致。其原因主要是，虽然线速度增大使得单颗磨粒的未变形切屑厚度减小，表面粗糙度应减小，但是在进给速度较大的情况下，线速度增大使得锯丝与工件之间的冲击力增大，系统振动加剧，从而破坏了锯丝相对工件的正确位置，且后者的影响大于前者。
　　金刚石的粒度及脱落磨损对表面粗糙度也有影响。使用粒度大的金刚锯或新的金刚石线切割，单颗磨粒切削厚度增加，从而使锯切轻快，切片表面质量较好；锯丝磨损使作用到每颗金钢石磨粒上的负荷增大，容易使金刚石过早破碎或脱落，从而导致表面粗糙度增大。
　　未使用和使用20h后金刚石线锯表面的SEM照片，可见（b）中有较多的磨粒破碎和脱落，这种情况下，切割表面粗糙度值较大。
　　22砷化镓塑性加工的临界深度根据脆塑转变机理的滑移机理分析，硬脆材料的脆性断裂和塑性变形之间存在一个临界状态，当硬脆材料的滑移系被激活时，硬脆材料的择优滑移面将产生塑性滑移，而不发生解离断裂。实现塑性加工的条件是：单个磨粒的大切削深度应小于脆性材料的临界切削深度。
　　对于脆性材料而言，要使其表面的裂纹数小于10，压a.未使用的线锯表面；b.使用20h后的线锯表面压痕的临界深度hc是在静态条件下获得的，对冲击载荷下动态断裂韧性的深入研究表明，用静态断裂韧性研究动态裂纹起始规律显然不能正确反映材料在冲击载荷作用下的动态断裂韧性，在脆性材料的锯切过程中应考虑动态冲击载荷。由于线锯上金刚石磨粒各不相同，锯切过程相当复杂，动态冲击载荷也不垂直于脆性材料试件表面，因此，只能用hc来估算脆性材料的临界深度。孙玉利博士曾采用纳米划痕法研究单晶硅片的脆塑转变机理，对临界压痕深度公式（1）进行初步修正，得出Hc12（E/H）（Kc/H）2.
　　（2）单晶砷化镓的材料性能Tab.1MaterialpropertiesofsinglecrystalgalliumarsenideE/GPa1385031H/GPa731Kc/（MPam1/2）031将表1中单晶砷化镓的材料性能数据代入式（2），可估算出单晶砷化镓的临界切削深度Hc为318nm.　锯切加工的相对运动，锯丝沿铅垂方向直线运动，砷化镓晶体沿水平方向直线进给，根据体积不变原则，以截面为矩形的六面体代替金刚石切屑，可算出单个颗粒的平均锯切深度（矩形截面的高）74为hc（vw/vs）（cr）-1，（3）式中vw为工件进给速度，mms-1；vs为锯丝的线速度，mms-1；c为锯丝表面金刚石颗粒的密度，个mm-2；rb/h，b，h分别为矩形截面的宽和高。对于线锯切割过程，r　10，c近似取500个mm-2.将锯丝低速运动速度08ms-1和高速运动速度25ms-1，进给速度大值25mmmin-1和小值06mmmin-1分别代入（3）式，计算可得hc2831021nm，283nm　

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