（机械设计及理论专业论文）线锯切割单晶硅的应力场及损伤层研究.pdf

摘要 随着大规模集成电路的迅速发展，单晶硅片作为最常用的半导体材料被广 泛应用于集成电路的制作过程中，但单晶硅在机械加工中凸现出的加工效率低、 表面完整性差、加工成本高及加工损伤等制造难题严重制约着单晶硅在i c 中的广 泛应用，本文使用环形电镀金刚石线锯这一新的工艺方法进行单晶硅的切割加工， 以实验数据为基础建立了适合线锯切割的有限元分析模型，研究了锯切过程中锯 切力及材料损伤层与切削条件问的关系，并对不同锯切条件下线锯切割中的锯切 力、材料损伤层深度进行了预测。 基于线锯切割原理，建立了单颗金刚石磨粒切割单晶硅的有限元模型i 对有 限元模拟所涉及的网格划分、接触摩擦、切屑形成以及分离准则等一些关键技术 进了深入研究。通过改变锯丝的几何参数以及锯切参数，实现了不同锯切条件下 锯切过程的系列模拟，研究并分析了磨粒的压入深度、法向及切向锯切力与锯切 条件问的关系，并成功进行了切削力的预测。 在单颗磨粒所得锯切力的基础上，对多颗磨粒的运动切割过程进行了模拟， 利用多磨粒的耦合剪切应力场分析了材料的损伤深度与锯切条件的关系，并对不 同锯切条件下损伤层深度进行了预测，以此指导实际切割，尽量减小对工件的切 割损伤，提高线切割的成材率。 另外利用环形电镀金刚石线锯进行了单晶硅切割试验，以试验中的实际切削 条件作为模拟的切削条件进行模拟，并利用锯切力试验结果对模拟结果进行了可 靠性验证；同时，通过x 射线双晶衍射试验对工件损伤层的模拟结果进行了可靠 性验证，证实了所建有限元分析模型的正确性。最后对全文进行了概括总结，并 对有待进一步研究的内容进行了展望。 关键词：金刚石线锯；锯切力；有限元仿真；损伤层深度 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fl a r g es c a l ei n t e g r a t ec i r c u i t ，如g l ec r y s t a l s i l i c o nw a f e r s ，a st h ec o n l g l o n e s ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，a r ea p p l i e dc o m p r e h e n s i v e l y t ot h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fi c b u tl o wp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y , b a ds u r f a c ei n t e g r i t y , h i g hp r o d u c e dc o s ta n dm a c h i n i n gd a m a g eh a dh o l d b a c k e dt h ew i d e ra p p l i c a t i o no f s i n # ec r y s t a ls i l i c o n si ni c an e wc u t t i n gt e c h n o l o g yo fu s i n ge l e c t r o p l a t e dd i a m o n d e n d l e s sw i r es a w ( e d e w s ) w a sa p p h e di nt h i sp a p e rt oc u tm i n g l ec r y s t a ls i l i c o n a a p p r o p r i a t ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e li sb u i l tu pb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a r e s e a r c h e dt h er a l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gf o r c e , m a t e r i a ld a m a g e dz o n ea n dc u t t i n g f a c t o r s ，a n dp r e d i c t i o n so fc u t t i n gf o r c ea n dm a t e r i a ld a m a g e dz o n ea r ec o n d u c t e d u n d e rd i f f e r e n tc o n d i d o n s t h et m i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fas i n g l ed i a m o n dg r a i nw a sc o n s t r u c t e d f i s t l yb a s e do nc u t t i n gp r i c i n p l e so fw i r es a w t h e n ，s e v e r a ls p e c i a lf i n i t ee l e m e n t t e c h n i q u e sa l ed e e p l yi n v e s t i g a t e d ，s u c ha st h em e s h i n g ，c o n t a c ta n df r i c t i o n ，t h ec h i p f o r m a t i o n ，t h ec h i ps e p a r a t i o nc r i t e r i aa n ds oo n t h et h e s i sc a r r i e do u ts o m ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n s b yv a r y i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ew i r ea n dc u t t i n g p a r a m e t e r s ，t h r o u g hw h i c ht h et h e s i sr e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni n d e n t a t i o n d e p t h ，c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gf a c t o r s s i m u l t a n e i o u s l yap r e d i c t i o no fc u t t i n gf o r c e s w a sp 盯f 锄e d s u c c e s s l y b a s e do nt h ec u t t i n gf o r c e so fs i n g l ed i a m o n dg r a i n ，ac u t t i n gs i m u l a t i o no f s e v e r a ld i a m o n dg r a i n sw a sc o n d u c t e d ，a n da n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i po fd a m a g ed e p t h a n dc u t t i n gf a c t o r sb yc o u p l i n gs h e a rs l r e s sf i e l do fs e v e r a lg r a i n s t h e nap r e d i c t i o no f d a m a g ed e p t hw a sc o n d u c t e d s oa st oi n s t r u c tp r a c t i c a lc u t t i n g ，d e c r e a s ed a m a g e dz o n e ， i m p r o v ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c y 1 1 1 e c u t t i n ge x p e r i m e n t so fs i n g l ec r y s t a ls i l i c o n w e r ep e r f o r m e db yu s i n g e d e w s ，a n da p p e de x p e r i m e n t a ld a t at of m i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n s ，c o m p a r e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，c o n s e q u e n t l ya p p r o v e dt h ev a l i d i t yo f f s i m u l a t er e s u l t so fc u t t i n gf o r c e s s i m i l a r l y , a p p r o v e dt h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s o fd a m a g e dz o n eb yx - r a yd o u b l ec r y s t a ld i f f r a c t i o n f i n a l l y , s y s t e m a t i c a ls u m m a r yi s g i v e n ，a n df u t u r ew o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：d i a m o n dw i r es a w ；c u t t i n gf o r c e ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；d a m a g e d z o n ed e p t h i t 原创性声明 ， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趁 丝盏 1 日期：型曼壹堑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：赵陋茹导师签名： 日期：型：! ：! 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 集成电路( i c ) 是现代信息产业和信息社会的基础，是推动国民经济和社会 信息化发展最主要的高新技术，也是改造和提升传统产业的核心技术。i c 所用的 材料主要是硅、锗和砷化镓等，全球9 0 以上i c 都采用硅片。随着大规模集成 电路的迅速发展，单晶硅片作为最常用的半导体材料被广泛应用于集成电路的制 作过程中，硅材料表层的质量直接影响器件的性能、成品率及寿命。单晶硅材料 在室温下属于硬脆性材料，在外力作用下，单晶硅中很难产生位错和滑移。但是， 由于其抗拉应力远大于抗剪应力，因此，在切割、研磨和机械抛光等加工工艺过 程中，硅材料由于承受剪切应力而易于产生破碎现象，影响生产的成品率，而且 切割损伤层对后续的研磨和抛光影响较大，增加了后续加工量，甚至影响最终的 表面质量，而器件制造对硅单晶的表面质量要求越来越高，不仅要求极高的平面 度，极小的表面粗糙度值，而且要求表面无变质层、无划伤。硅片经过切割、研 磨和抛光后，会引入一定的损伤层，加工损伤的程度和深度是硅片质量的关键问 题之一因此控制损伤层厚度、提高表面完整性是优化硅片质量的重要措施。 目前，硅片的切割，大多采用内圆切割，内圆切割有其优越性，如技术成熟、 刀片稳定性好等，近年己对内圆切割硅片的损伤及作用机理作了较深入的研究，认 为损伤层近表面的微裂纹是使硅片强度大为降低的主要原因f 1 1 。随着半导体工业的 飞速发展，为满足现代微处理器和其他逻辑芯片要求，一方面，为了增大芯片产 量，降低单元制造成本，要求硅片的直径不断增大：另一方面，为了提高i c 的 集成度，要求硅片的刻线宽度越来越细。这对单晶硅片的制造技术提出了新的要 求。随着单晶直径的增大，特别是1 2 英寸以上的硅单晶。内圆切割机显得力不从 心，传统加工工艺在面型精度和生产效率等方面的缺点将更加突出。一方面，加 工大直径硅片时，研磨和抛光盘尺寸需要相应加大，而大尺寸的研磨盘很难达到 很高的面型精度：另一方面，硅片厚度增大使材料去除量增加，而每盘加工大直 径硅片的数量有限，因而使硅片的产量减少。由于硅片传统加工工艺存在上述的 山东大学硕七学位论文 缺点，人们开始研究新原理的加工技术，以改进工艺，适应大直径硅片的加工。因 此，硅片的线切割引起人们的关注，环形电镀金刚石线锯具有以下优点： ( 1 ) 切缝窄，出材率高。由于线切割中锯丝直径明显小于内圆切割刀片厚度， 加工效率高，损耗少，日本l t c 公司制造出的平均直径0 1 7 5 - 0 1 8 0 r a m 的锯丝对纳 玻璃切割实验中得到实际切缝损失为0 1 9 r a m r n 。 ( 2 ) 锯切速度快，效率高。环形电镀金刚石线锯在切割过程中锯丝单向运动， 而且磨粒固定在锯丝上，不存在磨粒进入长深切缝困难的问题，相比往复式结构 和游离磨料的线锯，易于实现更高速的切割，加工效率高。 ( 3 ) 切割过程平稳，切片表面质量好。金刚石线锯切割过程中，锯切力小，锯 切柔和，而没有锯丝往复运动而在工件表面产生的特有凹痕【3 】。 ( 4 ) 对环境污染小。环形电镀金刚石线锯通常使用水作为标准冷却液，甚至在 走丝速度较低时采用干摩擦方式，废液处理难度低或无须处理。 由于环形电镀金刚石线锯在硬脆材料切割中显示出的独特优势，本文采用环 形电镀金刚石线锯对单晶硅材料进行切割，研究线切割损伤层，对促进硬脆材料 的精密、高效加工具有重要意义。 1 1 1 单晶硅切削加工研究现状 随着电子工业的飞速发展，晶片的应用范围越来越大，晶片的加工越来越重 视。硅材料生产以及硅晶片生产水平代表了一个国家i c i 业材料的基础实力，与 发达国家相比，我国在晶片加工上还远远落后，晶片大多采用进口的。对晶片的 研究主要集中在磨削工序上，对硅片切割技术方面研究很少。 晶片切割常用的方法有：外圆切割、内圆切割和线切割。外圆切割时，噪音 大、锯片刚性差，刀片因为太薄且径向承受晶体的压力，容易产生变形和侧向摆 动，使晶体材料损耗大，晶面不平整。外圆锯锯切深度受到锯片直径限制，一般 不超过直径的三分之一，若增大锯片直径必然降低其刚度，使切割过程中产生摆 动，不易保证锯切的直线度。尽管增加锯片厚度可以提高其刚性，但却增加了锯 片成本，而且增加了锯缝宽度，降低了出材率。因此，外圆切割主要用于对晶向 偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割。内圆切割和线切割是晶片 2 切割的两种主要方法。 目前，中、小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法，这种方法是在刀片内径 电镀金刚石磨料作为切削刃，内圆切割时，切割刀片由主轴带动高速旋转，同时 相对工件径向进给。内圆切割技术成熟，刀片稳定性好，在硬脆材料的切割领域 中应用广泛，特别适用于切割硅晶体、陶瓷及硬质合金等硬脆材料 4 5 1 。内圆切割 技术优点在于：( 1 ) 切片精度高，直径为3 0 0 r a m 晶片的厚度差仅0 0 1 r a m ；( 2 ) 切片成 本低，同规格级的内圆切片机价格是线切割机价格的1 3 一i 4 ；( 3 ) 每片都可以进行 晶向调整和切片厚度调整；( 4 ) 小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。其缺点 是：( 1 ) 晶片表面损伤层较大；( 2 ) 刀口宽，材料损失大；( 3 ) 生产率低，每次只切 割一片。 随着半导体工业的飞速发展，晶片直径趋向于增大，目前已经生产出直径 4 0 0 m m 的晶棒。内圆锯片由于张紧力作用产生相应的变形，刃口表面为波浪形，尤 其是随着内圆刀片径向尺寸的增大，这种变形更加明显，导致内圆锯在高速度旋 转时除主轴系统以外还产生附加的轴向振动响。内圆锯的结构限制了切割工件的尺 寸，在硅晶体切割中硅片直径一般不超过2 0 0 r a m ，且会产生较大的翘曲变形，加工 表面会留下较大的切痕和微裂纹，表层损伤层深度可达1 0 - 5 0 , 。因此对于大直径 ( 妒 2 0 0 r a m ) 和小厚度( 厚度0 3 1 ) 的晶片加工，内圆切割从产量和能力上远 远不能满足生产要求，线切割已经成为主流技术。线切割每小时切w i j 3 0 0 - 2 0 0 0 平 方英寸( 大约为内圆切割的3 - 5 倍) ，锯痕损失仅为0 2 - 0 3 m m ( 大约为内圆切割 的6 0 ) ，损伤层厚度为1 0 1 5 u m 。当切割晶片直径为3 0 0 m m 时，内圆刀片外径达 到1 1 8 m ，内径为4 1 0 r a m ，这么大的薄壁刀片在制造和装夹上都有很大难度，而且 在) m t q ，振动等现象也会增大。线切割却不受这些因素影响。但是由于发展历史 短，技术还有待于进一步成熟，主要表现为：( 1 ) 片厚不均匀，误差较大；( 2 ) 切割过程中只能检测控制难以实现；( 3 ) 风险大。一旦断丝，整根晶棒报废：( 4 ) 成本高，金属线为一次性使用，切削液只有少部分进入切痕起作用等。 线切割分为游离磨粒线锯切割和固结磨料线锯切割，游离磨料线切割过程是 自由研磨加工( f r c ca b r a s i v em a c h i n i n g ) 的过程，切割线在输入线轴和输出线轴 间高速运动，晶棒径向进给，在切割液辅助作用下完成晶片切割。使用游离磨料 山东大学硕士学位论文 往复式线锯切割硬脆材料的方法最早由m e c h m 于7 0 年代提出，8 0 年代出现了可用 于硅片切割的金刚石多线锯，a n d e r s o njr 罔使用日本y a s u n a g a r 公司的y q 1 0 0 进行 了硅切片实验，得到的切缝宽度小于0 1 6 r a m ，表面损伤层深度小于5 u m 。游离磨 料金刚石线锯存在的问题是：为保持良好的切割能力，必须保持磨粒的锐利性和 在磨浆中合适的浓度；切割大尺寸坯料时，磨料难以进入到长而深的切缝；磨浆 的处理和回收成本高；加工高硬度材料时，磨粒相对较软的钢丝磨损剧烈。 固结磨料往复式线锯依靠曲柄机构驱动，锯丝上下往复运动实现切割运动， 这种线锯机构简单，适应性好，但由于往复运动，锯丝的有效工作长度受到限制， 锯丝利用率低，且切割速度较低，一般为2 - 3 m s 。 环形电镀金刚石线锯将锯丝焊接成环形，通过导轮实现循环切割。环形线锯 的整个锯丝长度内都参加切割，使用寿命长，锯切过程中无惯性力，切割速度高， 可达2 0 m s ，可以实现高效加工，由于锯缝窄，材料利用率高，特别适合锯切陶瓷、 宝石、单晶硅等贵重的硬脆材料。1 9 9 3 年日本进行了金刚石电镀环形线锯的研究， 并提出了焊接方法及焊接接头的评价方法。研究表明：金刚石线锯可提高硅块切 割表面的质量【9 】。 线切割技术中，最为关键的就是减少切痕损失和提高线切表面质量，这两个 因素主要取决于切割线的横向振动。切割线横向振动与切割线缠绕的松紧有关， 而与切割线运动速度关系不大。在不影响加工质量前提下，提高线轴转速，可以 提高生产率。此外，提高切割线的硬度、提高切削液利用率，是线切割晶片所要 解决的关键技术问题。 就加工质量而言，浙江大学樊瑞新等人对内圆切割硅片和线切割硅片表面质 量进行了对比【1 川，测得线切割表面粗糙度为内圆切割硅片表面粗糙度的2 倍，用x 射线双晶衍射测量，发现线切割硅片表面的微裂纹和严重畸变、损伤层厚度明显 小于内圆切割，主要是因为线切割的金属线柔性大，减小了切割时的残余应力。 金刚石线锯是一种相对较新的技术。近十几年来得到了快速发展，在硬脆材料 加工领域的应用日益广泛，但对其基本机理的认识还较浅，尤其是微观切削机理、 表面质量控制、锯丝失效等方面的理论尚不成熟，还没有一个完善的模型可实际应 用于金刚石线锯的仿真、设计和工艺控制。 4 1 1 2 单晶硅7 j n r 损伤层研究现状 由于硅单晶的加工表面质量直接影响到硅器件的性能及寿命，国内外对其表 面质量进行了广泛的研究，但目前对损伤层的检测主要还是以实验法为主，常用 检测方法有截面显微镜法、x 射线衍射( x r d ) 、激光散射( l s ) 、微激光拉曼光 谱( m l r s ) 等。p c i z j 【1 1 1 等人用截面显微法检测了磨削硅片的亚表面损伤深度和 微裂纹构形，得出亚表面裂纹构形除了通常的中位裂纹和横向裂纹外，还有树枝 状、人字状等裂纹构形。p s p i z a n t 和r j a s i n c b i c i u s 1 习等研究了脆，塑性加工的硅片 的拉曼光谱，得出脆性断裂去除的硅片表面无非晶层存在，而以塑性去除的硅片 表面存在非晶层的结论硅片的塑性域加工是通过相位转换实现的，硅在不同的 静水压力下产生的相位不同，y g o g o t s i 和c b a c k 等采用拉曼光谱研究了硅片加工 过程中引起的相位转换和残余应力【1 3 1 。刘玉岭等对研磨条件和表面吸附进行了较 深入的研究，对单晶硅研磨中表面划道、损伤层、平行度与平整度等进行了研究， 并从表面吸附与重金属杂质污染方面对研磨质量进行了分析1 4 1 。研磨工艺过程造 成的硅片表面损伤形态以及损伤层厚度的测量已有一些报道，谢书银等通过扫描 电镜观察硅研磨片和不同程度化学腐蚀处理片的表面状态和破碎断口形貌，用圆 片冲击法测定他们的抗弯强度来研究化学腐蚀处理对表面状态的影响及其与机械 性能的关系，指出研磨硅片表面7 8 u m 以内是严重损伤层，磨片双面去除1 0 1 5 u r n 左右，在基本保持硅片表面粗糙度情况下，可使机械强度大大提高嗍。李东 升，杨德仁等利用高温拉伸、抗弯测试和显微压痕测试等研究手段，指出硅材料 表面状况、位错和杂质是其机械性能的主要影响因素【l 坷。表面损伤将降低硅单晶 的拉伸屈服强度和抗弯强度：而位错的产生和滑移也可降低单晶的机械性能，但 杂质对位错的钉扎将起到强化单晶机械性能的作用。目前这几种实验检测方法在 某些方面还具有一定的局限性，例如：容易带来新的损伤，只能测量微区成分， 扫描一定区域需要时间长，检测仪价格昂贵。 目前，对于硬脆材料的加工研究还处于探索阶段，传统的磨削理论通常从单 颗磨粒的磨削模型进行研究，认为单颗磨粒磨削的整个过程包括滑擦、耕犁和切 削三个阶段，国内外学者从不同角度对这一问题进行了多方面的理论和试验研 究。rs h a h n 和r p l i n d s a y 等人通过磨削试验得出了单位切削宽度的磨削力与磨 5 集中载荷p 作用的各向同性弹性半空间问题。t 豫- j 盯c h u a n g 和s a i dj a h a n m i r 等应用 有限元方法对陶瓷磨削过程应力场进行了研究，认为剪切损伤是材料亚表面损伤 的主要模式2 ”。然而实际加工中是众多磨粒同时参与运动切割，而且众多磨粒的 切削状态并不相同，因此仅利用单颗磨粒的应力场来研究材料受损层具有其局限 性。 目前损伤层检测技术耗资巨大、费时，若全部通过实验完成，运行成本高， 甚至不可实现，特别是对损伤层测试会损害工件，引入新的损伤。若有一种实用 性广、且与实际情况相符合的仿真工具，将使该领域的研究变简单，并使经费大 大降低，而且可以通过仿真对加工损伤进行预测，以便改进工艺指导实际加工， 提高加工效率和成材率。本文利用多磨粒的有限元仿真模型进行材料损伤层研究， 通过多磨粒切割运动中的耦合剪应力场对损伤层进行分析，不但考虑了磨粒间的 相互影响，而且在考虑了运动过程的影响，使得仿真效果更贴近实际切割。 1 1 3 有限元法在脆性断裂过程中的应用 以变分原理为理论基础、数字计算机为工具的有限元法在工程领域中的应用 十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的数 值结果。有限元分析方法应用于包括单晶硅在内的脆性材料断裂行为的研究近些 年也取得了很大的成果，这对于单晶硅断裂机理的研究有着重大意义。 - 脆性材料断裂有限元分析的主要方向在于脆性材料断裂过程中由裂纹扩展 导致的应力衰减，以及断裂后力学性能变化情况，大体上可分为两类：连续分析方 法和不连续分析方法阎。其中，a d d e s s i o 和j o h n s o n t l 最早于1 9 8 9 年建立了一套用 于分析脆性材料简单的动力学行为的连续分析模型，1 9 9 2 年，j o h n s o n 和 h o l m q u i s t 2 4 建立了研究脆性材料在大应变、大应变率情况下发生断裂的行为的连 6 续分析模型。这些连续模型假设材料在发生断裂时，弹性应变量减少，而由裂纹 扩展所导致“塑性应变”增加，而这种假设作为一种模拟方法，至今仍旧应用于 脆性材料的连续有限元法分析当中。连续方法的优势在于可以预测裂纹的产生、 断裂块之间摩擦，但是缺点在于，缺乏可以量化的参数来通过实践加以证实因此， e s p i n o s a l 2 5 】于1 9 9 5 年对连续模型作了改进，使其能够通过一些量化的参量( 如断 裂块颗粒度或断裂强度) ，而通过实验加以证实。针对研究脆性材料大应变率、大 变形条件下分析单元的畸变，c a m a c h o 和0 r t i z 【婀于1 9 9 6 年首先将有限元分析单元 网格自适应技术引用到脆性材料的分析当中。e s p i n o s a e 2 刀也分别于1 9 9 6 年和1 9 9 8 年在自己的模型当中加入网格自适应技术 在非连续分析方法领域，n e e d l e m a n 陶早在1 9 8 8 年便从有限元网格划分技术上 阐述了非连续方法的可行性。x u 和n e e d l e m 捌于1 9 9 5 年采用了非连续分析模型对 动态相互干扰的裂纹扩展行为进行分析。然而最有效的模型应属c a m a c h o 和0 r t i z 【枷 针对脆性材料冲击破坏研究而建立的非连续分析模型，在模型当中，横向与纵向 的裂纹能够在系统任意处的失效点上成核，再以节点复制的方式，使裂纹能够沿 单元的边界方向扩展。非连续方法的优势在于对增值裂纹的良好模拟性能。1 9 9 8 年，e s p i n o s a 【叼成功地将连续和非连续分析方法综合起来，用来研究冲击载荷作 用于陶瓷棒而产生断裂过程的分析，e s p i n o s a i 昔助于特殊的裂纹单元，使模型既 有连续性模型在模拟断裂块之间相互作用的优势，又具有非连续模型模拟裂纹增 殖扩展的优势。随着大型通用有限元软件迅速发展，其覆盖面和功能性也不断增 强。事实证明，使用软件所提供的功能强大的分析模块来从事专门性的研究工作 是完全可能的。 1 2 本课题研究的主要内容 1 致力于线锯切割单晶硅过程应力场的研究，确立磨粒压入深度与锯丝速度 及工件进给速度等锯切条件的关系，建立单颗金刚石磨粒切割单晶硅的二维有限 元模型及多颗磨粒的三维有限元模型，对切割应力场进行模拟仿真。 2 通过有限元分析模型，模拟单晶硅在锯丝速度、进给速度、磨粒大小等不 同线切割条件下法向及切向切削力变化及影响因素。 7 山东大学硕士学位论文 3 研究硅单晶锯切损伤层的受损程度及其影响因素，以便能够进行预测和控 制。材料损伤层的检测是一个复杂问题，不但检测设备价格昂贵而且费时，应用 有限元模型的剪切应力场分析，可以准确快速地对材料损伤层进行检测，并能够 预测不同锯切条件下的损伤程度。 4 通过对环形电镀金刚石线锯锯切单晶硅的实验研究，将验证有限元分析结 果；通过x 射线双晶衍射实验，验证有限元法分析损伤层的正确性。 第2 章线锯切割单晶硅的实验准备 2 1 实验目的 环形电镀金刚石线锯切割实验研究的目的就是通过在线切割机床上进行大量 的切割实验，获取实验中的测量数据，再将所测得的锯切条件应用于仿真模型， 并将实验结果与仿真结果进行比较，在此基础之上再对切削仿真的模型不断地加 以修改，最终使得理论仿真所获得的数据与实验研究所获得的数据具有很好的一 致性。证明采用有限元方法来对线锯切割过程进行模拟仿真获得的数据是有实际 参考价值的，对线锯切割的加工过程有很好的预测、指导作用。本次实验由于条 件所限，只进行主切削力的实验验证。 2 2 实验的主要内容 环形电镀金刚石线锯是一种高效、精密、绿色的硬脆材料切割加工工具，但 目前线锯切割技术还不成熟，主要还用于试验研究。本文应用单晶硅为硬脆材料 进行切割试验，研究线切割过程的锯切力及其影响因素。 2 2 1 锯切试验原理 环形电镀金刚石线锯切割设备工作原理如图2 - 1 所示： 1 一砝码2 张紧轮3 一床身4 _ 导轮5 一锯丝6 冷却喷嘴7 主动轮8 工件 9 一夹具l o 测力仪1 1 工件台1 2 _ 电荷放大器1 3 数据采集箱1 4 计算机 图2 一l 环形电镀金刚石线锯切割原理图 9 山东大学硕七学位论文 实验装置由床身、动力源、执行装置、进给装置、冷却系统和控制系统组成， 其中进给装置使用恒力进给方式，结构简单，进给力易控制，进给速度能够自动 适应锯丝的切割能力，有利于保护锯丝和提高加工表面质量。具体工作原理为： 环形电镀金刚石锯丝5 绕在主动轮7 、导轮4 和张紧轮2 上，由张紧轮进行预紧；主 动轮由电主轴驱动，电主轴的转速可由变频调速器控制，从而实现锯丝的可调速 切割运动；工件台1 l 由砝码1 牵引沿精密直线导轨运动，实现工件的水平恒力进给； - 这两种运动的运动方向相互垂直，它们之间的相互作用形成了对工件的切割加工； 喷嘴6 用于对切割区域施加冷却液，以实现冷却和带走切屑的作用，工作台下方设 有冷却液回收沟槽，实现冷却液的循环利用；压电式测力仪1 0 将锯切力值转变成 电荷信号，电荷信号由电荷放大器1 2 放大后输入数据采集系统1 3 ，由数据采集系 统1 3 将电荷信号再转变成力信号并由计算机1 4 进行记录和处理。 2 2 2 设备型号及工件材料 实验采用博特科技有限公司生产的环形电镀金刚石线锯切割机床，主轴型号 j s z d l 2 0 - 3 0 5 x g l ，其主要技术参数如下表： 表2 一ij s z d l 2 0 - 3 0 5 x g i 电主轴技术参数 变频调速器：采用北京时代科技公司的t v f 7 0 0 0 型，使用3 8 0 v 交流电源，额 定输出电流9 6 a ，适用电机功率范围为0 7 5 k w ，输出频率分辨率为0 1 h z ，频率控制 范围o l o o h z 。 锯丝：采用w e l ld i a m o n d w i r e s a w s 公司生产的c w 2 2 5 环形电镀锯丝，长2 2 5 m ， 平均直径0 5 , m ，所镀金刚石平均粒度6 4 u m 。 试件材料：工件材料选用单晶硅，单晶硅是典型的硬脆材料，其物理力学性 能参数见本文第三章表3 - 1 ；锯丝所镀金刚石材料具有极高的硬度、耐磨性和极高 的弹性模量，金刚石磨粒的刃口及其锋利，钝圆半径值极小，可实现较薄切削， 加工表面质量较高。金刚石磨粒的物理力学特性见表2 2 ： 1 0 第2 章线锯切割单晶硅的实验准备 表2 2 金刚石的物理力学性能参数 2 2 3 锯切力测量系统 切割力测量系统由力传感器、电荷放大器、数据采集箱和装有数据采集分析 软件的计算机组成。 ( 1 ) 压电式测力仪：采用k i s t l e r9 2 5 7 a 型三向压电石英测力仪，压电晶体传 感器灵敏度高，受力变形小，不同切片的石英晶体产生电荷的力作用方向不同， 可用在多向分力的测量而避免分离的相互干扰。主要性能参数：z 向测量范围0 1 0 k n ，x 、y 向测量范围0 5 k n ，分辨率大于0 0 1 n ，适用温度范围o 7 0 。c 。 ( 2 ) 电荷放大器：采用k i s t l e r5 0 0 7 型电荷放大器。主要性能参数：精度大于 1 ，输入电缆阻抗l o “q ，最大输入电压1 2 5 v ，满量程输出1 0 v ，应用温度范 围o 5 0 ( 3 ) 数据采集箱：采用南京安正公司a z 2 0 8 r 数据采集箱，其最大可提供8 个 数据采集通道。 ( 4 ) 数据采集及处理软件：采用南京软件安正公司的振动及动态信号采集分析 系统，该软件可以完成测量数据的实时显示、记录和处理工作。 2 2 4 锯丝速度控制 实验利用变频调速器来控制主轴转速，根据所需要的主轴转速确定变频调速 器的上限频率允和机械速度系数k ，通过控制面板上的可调电位器实现加工中电 机转速的快速调整。 锯丝速度与主轴转速和调速器输出频率的关系可由下式确定： 1 ，。：罂 ( 2 1 ) v ，2 百 2 1 ) 其中万= 可，由此得： 山东大学硕十学位论文 圹婴 ( 2 2 ) 1 6 0 式中 v ，一一锯丝速度( m s ) n 一一电主轴转速( r p m ) k 一一机械速度系数( r p m h z ) ，一一变频器频率( i a z ) d 一一主动轮直径( m ) 本实验中主动轮直径d 为0 2 m ，机械速度系数预设为2 5 ，由式( 2 2 ) 可得出 锯丝速度与变频器频率的关系如表2 3 ， 表2 3 锯丝速度与变频器频率关系 锯丝速度( m s )主轴转速( r p m )变频器频率( h z )上限频率( h z ) 6 o5 7 3 2 2 9 22 5 8 o7 6 43 0 5 63 2 1 0 o9 5 53 8 2 04 0 1 2 o1 1 4 64 5 8 45 0 1 4 o1 3 3 75 3 4 85 5 1 6 o1 5 2 86 1 1 26 5 2 3 实验设备调试 ( 1 ) 锯丝振动是工件切割加工表面质量的重要影响因素，而主动轮和导轮的振 动是锯丝振动的主要激励源。主动轮和导轮振动一方面是由于加工和装配引入了 位置误差，另一方面是在高速旋转下由于质量不均匀而引起的动不平衡现象。本 实验主要考虑了加工和装配因素，实验时控制主动轮和导轮的端面跳动误差在 0 0 5 m r a 以内，径向跳动小于0 0 5 m m ，主动轮、导轮和张紧轮的共面误差小于 0 1 0 r a m 。 ( 2 ) 在未安装锯丝的情况下将变频器上限频率调至7 0 h z ，通过可调电位器逐 渐提高主轴转速到1 7 5 0 r p m ，检测机床运行平稳。装上锯丝，调整变频器频率， 改变主轴转速，在空运转情况下，控制锯丝振动在允许范围内。同时，锯丝振动 还受张紧力大小的影响，适当增加张紧力有利于减小锯丝振动，但是若张紧力过 第2 章线锯切割甲品砗的实聆准各 大，在进给配重较重的情况下，由于冲击可引起锯丝的断裂。 ( 3 ) 加载配重砝码对工作台的滑动性能进行测试，在砝码重量大于3 n 时工作 台从静止开始水平加速运动，说明工作台和直线导轨的精度理想，润滑良好，能 够实现恒压力进给。 ( 4 ) 调试冷却系统，使三相电泵能正常供液，循环回路畅通，能够实现正常冷 却。 ( 5 ) 测力仪调试，为保证测量结果的可靠性，电荷放大器时间常数选择开关 应预置于“l o n g ”位置，f x 、f y 、f z 的灵敏度参数分别设为一7 9 5 、- 7 9 6 、3 7 5 。 图2 - 2 为主轴转速9 5 5 r p m 、进给配重3 n 、水冷却下数据采集系统所记录的锯切 力测量结果，三个记录通道分别对应测力仪的x 、y 、z 方向，第四通道闲置。 其中，通道1 记录工件进给方向的法向锯切力f ，通道3 记录沿锯丝运动方向的 切向锯切力f t ，通道2 记录垂直于法向力和切向力的侧向力。 图2 - 2 锯切力测量结果 实验中数据采集系统无法避免加工现场噪音信号的干扰，针对噪音干扰信号 的随机性，切割工件前应先进行复位r e s e t 操作，数据采集时采用高采集频率， 并对采样数据取算术平均值。如图所示，侧向力始终保持为一个很小的值，这是 1 3 山东大学硕士学位论文 i 皇! 曼曼鼍! ! 曼置曼量曼曼曼曼! 鼍曼皇曼! 曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼罡曼皇曼皇! 皇曼皇曼曼皇! 曼! 曼鲁曼曼量皇曼鼍曼曼曼皇曼量曼皇皇曼曼曼 因为锯丝对工件两加工表面的侧向切割力相互平衡，在y 向上互相抵消，因此符 合切割的实际情况。同时，切向力曲线波形较为平稳，而法向力和侧向力曲线波 形与之相比波动较大，这是由于锯丝径向振动的影响。而侧向力波形较法向力波 形波动幅度大，这与锯丝和工件之间在进给方向和侧向的相互作用不同有关，也 与主动轮和从动轮上线槽在轴向上和径向上的跳动不同有关，也与线槽的磨损有 关。 2 4 实验方案设计 本实验主要针对随后章节中对不同锯丝速度、进给速度等因素下的锯切力的 仿真结果进行验证。实验以锯丝速度v s 、进给配重w 作为可变因素，在水冷却 下考察材料锯切过程的锯切力、力比、加工表面质量等目标参数。 试验一：固定进给配重为3 n ，分别调整锯丝速度为6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、 1 4 0 、1 6 0 m s ，用水作冷却液，切割同一试样进行实验，记录法向锯切力f n 和切 向锯切力f t ，并观察加工表面质量。 实验- - ：固定锯丝速度1 0 m s ，通过改变进给配重来调整工件进给速度，用水 作冷却液，切割同一试样进行实验，研究进给配重( 进给速度) 对材料加工锯切 力的影响。 表2 - 4 实验过程操作参数 试件号实验组号进给配重锯丝速度进给速度冷却液 ( n )( m s )( m m s ) 1360 1 4 3 水 2 380 1 6 7水 331 0o 1 9 4 水 l 4 31 20 2 2 7水 531 40 2 5 0水 6 31 60 2 7 1水 731 0o 1 9 4水 841 00 2 3 5水 29 51 00 2 9 0水 1 061 00 3 4 1水 2 5 实验结果 实验过程中分别对l o 组实验点的切削力进行了测量，同时考虑到在实验的 过程中由于噪声及振动等各种因素的影响，实验测量值与真实值之间存在一定的 偏差，会造成实验值偏大，所以对实验的测量值进行修正，这里选取法向切削力 修正系数为o 9 5 ，切向切削力修正系数为o 邸，锯切力实验值及其修正值见表2 - - 5 。 表2 5 锯切力实验值 实验 法向锯切力f n ( n )切向锯切力f to o 组号 实验值修正值实验值修正值 l 1 6 41 5 61 2 41 0 9 21 6 5 1 5 71 1 81 0 4 ， 1 5 61 4 81 1 51 o l 4 1 5 91 5 l1 1 lo 9 8 51 5 51 4 71 0 8o 9 5 6 1 6 21 5 41 0 9o 9 6 71 5 61 4 81 1 51 0 1 8 2 6 72 5 41 3 41 1 8 93 7 8 3 5 91 7 21 5 l 1 04 6 94 4 61 8 91 6 7 2 5 1 锯丝速度对锯切过程的影响 锯丝速度对切割效率、切割质量具有较大影响，图2 3 、图2 4 分别为工件 进给速度、切向锯切力与锯丝速度的关系。由实验结果可以看出：在迸给配重一 定的情况下随着锯丝速度的提高，法向锯切力基本保持不变，符合实际，而锯切 效率明显提高，切向锯切力有所下降。显然，随着锯丝速度的提高，单位时间内 参加切割的金刚石磨粒数将增多，因此，锯切效率随着锯丝速度的提高而提高。 另一方面，锯丝速度的提高会使单颗金刚石颗粒的切入深度减小，从而使锯切力 降低。 。 山东大学硕士学位论文 j 4 j 一 g 憎 关 皇m 謇- 舶 s _ - ， 回 口i i i t _ i 量“ 世n i 要。 - - j 回 图2 3 切向锯切力和锯丝速度的关系图2 4 锯切效率和锯丝速度的关系 图2 5 锯切力比与锯丝速度的关系 材料锯切的难易程度可以用法向力与切向力之比值f n f s 来说明，它表示力 磨粒切入工件的难易程度。由图2 5 力比与锯丝速度的关系可见，环形电镀金刚 石线锯切割单晶硅材料的力比( f n f s ) 随锯丝速度的增大而有小幅度增大，其值 1 4 3 1 6 0 之间，力比相对较小，这是因为锯丝速度的提高会使单颗金刚石颗粒 的切入深度减小，金刚石锯丝在切割过程中用来克服切屑堵塞和工件表面摩擦作 用切向力降低的影响。 2 5 2 进给配重对锯切过程的影响 锯切速度为1 0 m s ，进给配重分别取3 n 、4 n 、5 n 、6 n ，记录法向、切向锯 切力值和工件进给速度。图2 6 、2 7 分别为锯切力、工件进给速度与进给配重的 关系，进给配重是恒力进给方式的驱动力，是法向切割力的主要影响因素。 n 日 l 霹 “ m 皿 朋 埘 “ 艇 霄。芒：a丑r ，j 2 r “ 5 l j j j 图2 6 锯切力与进给配重的关系图2 7 进给速度与迸给配重的关系 由图2 6 可以看出，随着侧向压力即进给配重的增大，切向锯切力也随之增 大。分析