劉志東 魯 清 邱明波 田宗軍 黃因慧

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

單晶硅因其具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，是尖端科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為活躍的材料之一。為滿足應(yīng)用要求，需在單晶硅基體上加工出許多復(fù)雜形狀的小槽、型腔［1－3］，但由于單晶硅具有脆性高、斷裂韌性低等特性，故利用傳統(tǒng)加工方法加工十分困難。

袁根福等［4］通過(guò)控制激光束的輸入能量、掃描速度和重復(fù)頻率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光掃描技術(shù)對(duì)單晶硅的銑削加工，但激光加工的成本很高，并且表面質(zhì)量也較難控制。電火花加工方法通過(guò)電蝕作用來(lái)去除材料，加工時(shí)與工件沒有宏觀接觸力，十分適合加工硬脆的半導(dǎo)體［5－7］，但加工過(guò)程中的電極損耗會(huì)直接影響加工精度，使該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制［8－10］。

對(duì)金屬進(jìn)行負(fù)極性電火花加工，當(dāng)使用碳?xì)浠衔镆后w介質(zhì)時(shí)，電極表面會(huì)形成一定厚度的覆蓋層，對(duì)工具電極起到保護(hù)作用，可減少電極損耗［11］。以水為工作液，采用正極性加工P型單晶硅時(shí)［12］，不會(huì)出現(xiàn)上述提及的“覆蓋層”。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此時(shí)電極表面也會(huì)有覆蓋層，而該覆蓋層的存在對(duì)于降低單晶硅電火花銑削過(guò)程中的電極損耗甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗加工具有重要的意義。

1 電極表面覆蓋效應(yīng)的產(chǎn)生

為了研究單晶硅電火花銑削電極表面覆蓋效應(yīng)的產(chǎn)生及規(guī)律，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，加工條件如表1所示。加工前對(duì)單晶硅表面進(jìn)行打磨處理，以去除表面鈍化層，并在進(jìn)電點(diǎn)涂覆碳漿以減小接觸電阻，將銅片作為進(jìn)電塊。

表1 單晶硅電火花銑削加工參數(shù)

利用SEM技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)后的鉬絲電極進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加工后鉬絲表面存在白色覆蓋物，如圖2所示。圖3為加工電極SEM放大照片，表2所示為電極表面白色覆蓋物質(zhì)EDS元素分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)電極表面存在Si、O、Mo、Mg、Ca、Cu元素，其中，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.82%，O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.23%，Mo元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.72%，白色物質(zhì)中，Si元素和O元素是其主要組成部分。元素分析表中出現(xiàn)了少量Mo元素是因?yàn)閽呙桦婄R射線穿透覆蓋層觸及鉬絲所致，而Mg、Ca、Cu元素是由于水中部分離子殘留在電極表面所致。

表2 電極EDS元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

2 電極表面SiO2產(chǎn)生的機(jī)理

鉬絲表面的SiO2是放電過(guò)程中蝕除產(chǎn)物飛濺所致，還是其他電化學(xué)作用的結(jié)果呢？為判斷其產(chǎn)生的原因，分別選擇水和煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

以絕緣性能較差的水作為加工介質(zhì)時(shí)，放電加工過(guò)程必然存在一定的電化學(xué)作用，而以絕緣性能很好的煤油作為加工介質(zhì)時(shí)，加工中存在熱分解作用，電化學(xué)作用、熱分解作用均會(huì)對(duì)電極損耗產(chǎn)生一定的影響。第一組實(shí)驗(yàn)的加工介質(zhì)為水，第二組實(shí)驗(yàn)的加工介質(zhì)為煤油，其他加工參數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)中，在距離加工位置30mm處并聯(lián)一根鉬絲，使加工中的蝕除產(chǎn)物不會(huì)飛濺沉積到并聯(lián)鉬絲的表面上，以排除飛濺作用的影響，實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

加工1h后，取出在水和煤油中加工的電極及與它們并聯(lián)的鉬絲。觀察發(fā)現(xiàn)，水中工具電極和并聯(lián)鉬絲的表面均有白色物質(zhì)產(chǎn)生；煤油中工具電極和并聯(lián)鉬絲的表面均未發(fā)生變化。由此可知，水作為工作介質(zhì)時(shí)，距離加工區(qū)域較遠(yuǎn)的并聯(lián)鉬絲上白色物質(zhì)的產(chǎn)生說(shuō)明該物質(zhì)不是蝕除產(chǎn)物飛濺所致，而是由水中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)所致。

圖5、圖6分別為加工1h后水和煤油中并聯(lián)鉬絲的SEM照片。觀察圖5可以知，以水為工作液時(shí)，并聯(lián)鉬絲表面被大量白色物質(zhì)包裹，通過(guò)元素分析發(fā)現(xiàn)物質(zhì)主要含有O、Si、Mo元素。由表3中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知，包裹物主要為SiO2和Si的混合物，說(shuō)明以水為工作液時(shí)有SiO2沉積到并聯(lián)鉬絲上。觀察圖6可以看到，煤油中并聯(lián)鉬絲上沒有出現(xiàn)物質(zhì)的堆積，通過(guò)元素分析發(fā)現(xiàn)其表面組織含C、O、Mo元素，沒有SiO2，如表4所示。表面存在C元素是因?yàn)槊河驮诩庸r(shí)發(fā)生熱分解作用，析出的C沉積到并聯(lián)鉬絲上所致。

表3 水中并聯(lián)鉬絲EDS元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表4 煤油中并聯(lián)鉬絲EDS元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

實(shí)驗(yàn)過(guò)程還發(fā)現(xiàn)，將水作為工作介質(zhì)加工時(shí)，并聯(lián)鉬絲周圍會(huì)出現(xiàn)很多小氣泡，而在煤油中加工時(shí)，電極周圍沒有氣泡出現(xiàn)。

以水為工作液，在電火花銑削單晶硅的過(guò)程中，部分蝕除產(chǎn)物被氧化成SiO2。由于使用的工作液是水，在水中會(huì)有部分電離的H＋和OH－，SiO2膠團(tuán)吸附H＋后向陰極遷徙，H＋在工具電極表面獲得電子形成H2，SiO2便沉積在工具電極上，這樣就會(huì)在工具電極表面形成氣泡和SiO2覆蓋層。當(dāng)使用煤油作為工作液時(shí)，由于煤油中沒有電離的離子，所以沒有電化學(xué)作用，也不會(huì)有H＋承擔(dān)輸送SiO2的作用，因此電極表面不會(huì)出現(xiàn)SiO2沉積，同樣也不會(huì)有氣泡產(chǎn)生。

3 電參數(shù)對(duì)表面SiO2覆蓋層厚度的影響

為了提高電火花銑削的加工精度，既要降低加工過(guò)程中的電極損耗，同時(shí)也要控制電極表面覆蓋層的厚度。因此需要通過(guò)控制加工參數(shù)，使電極表面SiO2覆蓋層的生成與蝕除達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，最終使電極在加工過(guò)程中的直徑基本保持不變，實(shí)現(xiàn)高精度的電火花銑削加工。

選擇了幾組參數(shù)進(jìn)行了單晶硅電火花銑削加工，實(shí)驗(yàn)采用單項(xiàng)參數(shù)變量法進(jìn)行，并分別測(cè)量了加工后鉬絲的直徑。

3.1 不同電壓下加工后電極的直徑

當(dāng)加工脈寬為24μs，占空比為1∶30時(shí)，分別測(cè)量在電壓70V和80V下加工1h后的電極直徑，如圖7所示。在其他加工參數(shù)相同的情況下，加工電壓越高，加工后鉬絲的直徑越小。這是因?yàn)榧庸る妷鹤兇?，放電電流變大，?dǎo)致單個(gè)脈沖放電能量的增加，電極損耗增加，所以電極直徑變小。

3.2 不同脈寬下加工后電極的直徑

當(dāng)加工電壓為70V，占空比為1∶30時(shí)，分別測(cè)量脈寬為12μs和40μs下加工1h后的電極直徑，如圖8所示。在其他加工參數(shù)相同的情況下，加工脈寬越大，加工后鉬絲的直徑越大。這是因?yàn)槊}沖寬度增加，單位時(shí)間內(nèi)脈沖放電次數(shù)減少，電極損耗減小。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在加工電壓較低、占空比較大的情況下，當(dāng)脈寬繼續(xù)增大到一定程度（脈寬大于48μs）時(shí)，加工變得很困難，這是由于表面絕緣SiO2覆蓋層太厚，阻斷加工回路，無(wú)法產(chǎn)生火花放電。

3.3 不同占空比下加工后電極的直徑

當(dāng)加工電壓為70V，脈寬為24μs，分別測(cè)量在占空比為1∶10和1∶20下加工1h后的電極直徑，如圖9所示。在其他加工參數(shù)相同的情況下，加工占空比越大，加工后鉬絲的直徑越大。因?yàn)檎伎毡鹊母淖儾粫?huì)影響單個(gè)脈沖能量的大小，但占空比會(huì)改變放電頻率，隨著占空比的增大，相同時(shí)間放電擊穿次數(shù)減少，導(dǎo)致鉬絲損耗降低。

4 加工實(shí)例

采用三維電火花銑削工作平臺(tái)對(duì)電阻率為4.7Ω·cm的P型單晶硅進(jìn)行加工，銑削出典型形狀的井字形工件，如圖10所示，加工參數(shù)如表5所示。

表5 單晶硅實(shí)際銑削加工參數(shù)

5 結(jié)論

（1）單晶硅電火花銑削過(guò)程中，電極表面會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成SiO2覆蓋層。

（2）SiO2覆蓋層會(huì)對(duì)電極損耗起到補(bǔ)償作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶硅的低電極損耗甚至無(wú)損耗電火花銑削加工。

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